제어공학 - 제어 시스템 구성요소

제어 시스템이란 무엇인가? 

-시스템 (System): 연관 있는 각 구성요소들이 상호작용하거나 상호 의존하여 복잡하게 얽힌 통일된 하나의 집합체를 의미. 

-제어 시스템 (Control System): 제어 시스템은 명령과 제어를 위해서 존재하는 요소들의 집합체를 의미하며 인간에게 또는 특정 환경에 요구되는 조건을 만족시키기 위해서 존재하는 시스템이다. 

1. Block diagram of Control System

제어 시스템의 구성은 아래의 그림과 같이 표현됩니다. 

신호: 입력 (reference input, 원하는 입력), 출력 (output), 외란 (input/output disturbance) 
시스템: 제어기 (controller), 구동기 (actuator), 플랜트 (plant)

-입력과 출력 (Input & Ouput) 
통상적으로 입력은 우리가 원하는 값인 경우가 많으며, 입력 신호는 보통 우리가 보고자 하는 신호가 되기 때문에 외란 제거 능력을 보고 싶으면 외란 신호가 입력이 될 수도 있다. 출력은 보통 최종적인 신호가 되며 마찬가지로 우리가 보고 싶어 하는 성능을 만들어주는 플랜트 다음의 신호 또한 결과 신호가 될 수 있다. 

-센서 (Sensor)
보통 Output의 신호를 읽기 위해서 사용되는 파트이며 제어를 하지 않는 부분이기 때문에 gain이 보통 1인 구간이다. 모터의 속도 제어에서는 엔코더가 될수도 있으며 전류센서가 될 수도 있다. 

-외란 (Disturbance) 
외란은 제어기로 들어오는 신호중에 의도하지 않는 외부 신호를 통칭하는 개념이다. 정확한 제어를 위해서는 외란을 통제하는 게 우선적으로 이행되어야 한다.

-구동부 (Actuator)
구동부는 실제 시스템이 물리적으로 또는 가상으로 동작을 하는 부분이다. 

Control System의 구성 요소

 

아래 그림은 세부적으로 어떠한 신호들이 각각의 block에 들어가고 나오는지를 표현한 그림입니다. 

 

 

 

2. Open-Loop vs Closed-Loop Control System

2-1. Open-Loop Control System

우리가 선풍기를 이용하여 체온을 낮출 때 우리는 어느 정도 신체의 견딜만한 역치 영역을 넘겼을 때 풍속의 세기를 조절하거나 다른 액션을 취합니다. 그러나 인간이 직접 움직여야 하는 단점이 존재합니다. 그러한 단점이 반영된 과정이 아래 그림과 같습니다. 

아래 그림의 과정은 피드백이 없는 제어 과정으로서 보통은 Open-Loop Control System이라고 부르며 Feedforward Control system이라고도 부릅니다.  

Output을 받고 다시 input으로 아무런 조치를 취하지 않는 (피드백이 없는) 시스템이기에 때문에 `루프가 열려있다`라고 표현을 하여서 Open-Loop이라고 부릅니다. 대표적인 예시로 집의 벽에 단열재 같은 경우 설치를 하면 몇 년간 사용을 하는데 단열재를 바꿔줘야만 성능이 올라가는 시스템입니다. 

Open-Loop Control System 특징
-간단하게 implement 가능함
-측정 작업에 용이하게 적용 가능 
-내부나 외부로부터 영향을 받기에 Calibration작업이 필수적임
-본질적으로는 안전을 보장함

 

2-2. Closed-Loop Control System

폐루프 (Closed-Loop) 제어 시스템은 개루프 시스템과는 반대로 피드백을 받아서 반영할 수 있는 시스템입니다. 때문에 feedback control system이라고도 부릅니다. PID 제어기가 대표적인 폐루프 제어 시스템이며 결과를 입력하는 구간에 반영하여 목표하는 value에 도달하게 됩니다. 

사람이 선풍기를 조절하는 시스템에서 나아가 현대의 에어컨 시스템이 바로 이러한 프로세스를 통해서 방안 온도를 일정하게 유지할 수가 있습니다. 

Closed-Loop Control System 특징
-Robust (개루프 시스템과 다르게 내부/외부 외란과 uncertainty에 대해 영향을 쉽게 받지 않음)
-측정과정이 추가가 되며 초기 구현에 대한 비용이 더 필요함
-개루프 시스템 특징의 마지막과는 다르게 Instability에 대한 가능성을 가지고 있음

여기서 더 나아가서 우리는 폐루프 제어에 Feedforward Control의 특징을 같이 결합할 수 있습니다. 외란의 정보가 Process 단계에 영향을 미치기 전에 외란의 정보를 미리 측정하기 위한 센서를 하나 더 추가합니다. 이를 통해 외란 신호를 읽어드리고 제어기로 받아들임으로써 Process에 도달할 때는 보다 더 목푯값과 deviation이 적은 결과를 보장할 수가 있습니다. 

 

 

3. Multi Control System

2번에서 설명했던 개루프, 폐루프 시스템이 여러 개가 사용되어 응용된 시스템도 존재합니다. 루프 (Loop)가 다수로 존재하는 Multi-Loop feedback Control System이 있으며 또는 시스템에서 나오는 다양한 변수 (Variable)을 통합적으로 제어하기 위한 Multi-variable feedback Control System이 존재합니다.