자동제어 개요
작성일 : 2025년 05월 04일 (Sunday)
시스템이란 무엇일까?
시스템은 특정 기능을 구현하기 위해서 필요한 요소들, 그리고 그 요소들을 한번에 아우르느 말이다. 제어공학에서 시스템이란 자동적인 제어를 통해서 시스템의 출력이 원하는 값이 되게끔 제어하는 것을 말한다.
제어란?
그렇다면 제어란 무엇일까? 제어는 쉽게 말해서 시스템이 입력을 받았을 때 이를 가공해서 출력을 내보내는 일련의 작업을 말한다. 제어는 크게 오픈루프 제어, 클로즈루프 제어가 존재한다. 차이는 출력값을 기준으로 피드백이 있느냐 없느냐의 차이이다. 오픈루프 제어는 피드백이 없고, 클로즈루프 제어는 피드백이 있다. 이해를 돕기 위해 간단한 예시를 들어보면, 오픈루프 제어는 오디오의 볼륨 조절 다이얼에 의해 소리가 조절되는 것으로 표현할 수 있다. 만약에 누군가가 이 소리를 듣고 소리가 너무 커서 듣기 적당한 정도의 크기로 볼륨을 조절하면 이는 클로즈루프 제어라고 볼 수 있다.
자동제어 시스템
즉, 자동제어 시스템이란 특정 기능을 달성하기 위해 피드백 제어 구성을 갖는 제어기를 구성해놓은 것을 의미한다. 우리는 매일 자동제어 시스템을 접하고 있다. 에어컨이 설정한 온도를 유지하는 것, 무인 지하철이 설정된 속도를 유지하는 것, 가습기가 일정 농도 이하로 먼지 농도를 유지하는 것 등 외부 자극이 있더라도 항상 동일한 상태를 해주는 모든 시스템이 자동제어 시스템에 해당된다.
자동제어 시스템이 갖춰야 하는 성질
자동제어 시스템이 갖춰야 하는 성질은 무엇이 있을까?
첫번째로 안정성이다. 어떠한 입력이 들어오더라도 시스템이 오동작하지 않고 원하는 목표값에 도달할 수 있어야 한다.
둘째로 속응성이 있다. 속응성은 빠르게 반응하는 속성을 말한다. 의도적으로 입력에 대해 늦게 응답하도록 하는 제어기도 있을 수 있겠지만, 일반적으로 제어기는 목표값에 빠르게 도달하도록 설계한다. 제어기에서 중요하게 보는 시간으로 상승시간 (목표값 90% 도달시간), 정착시간 (목표값 대비 정상상태 오차가 ±2~5% 이내 도달한 경우, 기준값은 정하기에 따름)이 있는데, 그중 정착시간은 제어기에 “1초 이내” 와 같이 요구사양으로 주어지는 경우가 많다. 상승시간은 빠르면 되는 것이 아니냐고 해서 비례계수 Kp를 극도로 높게 설정할 수도 있는데, 이 때 고려해야할 부분으로 오버슛이 존재한다. 오버슛이란 제어기가 목표값 대비 입력으로 오차를 계산해서 거기에 비례계수를 곱한 값을 더할 때 생기는 목표값 대비 초과분으로 오버슛이 과도하게 크게 설정되어 출력값이 너무 크게 나오면 문제가 될 수 있다. 예를 들면, 10v가 정격인 제품에 오버슛으로 인해 15v가 순간적으로 가해진 경우 과전압에 의해 제품이 고장날 수 있다.
정상상태오차
제어기가 기본적인 요구사양을 만족했더라도 추가적으로 검토해야 하는 부분들도 있다. 제어기는 제어를 거듭할 수록 오차가 줄어들도록 하는 성질을 가지고 있다. 하지만, 제어를 거듭해도 제어기에 제공되는 정보의 샘플링 타이밍이나 제어기의 실행주기 등에 의해서 절대로 줄어들지 않는 오차가 발생할 수 있다. 제어기의 제어리플이라고도 불리는 작은 리플성분이 계속해서 존재할 수 있는데, 목표값 대비 이 리플의 크기를 정상상태 오차율로 표현한다. 정상상태 오차율은 일반적으로 문제가 되지 않지만, 정밀 시스템에서는 정상상태 오차율 역시 일정 값 이하로 유지해달라는 요구사양을 주기도 한다.
