되먹임 제어 시스템

 개념

제어란(Control)?? 쉽게 설명하자면 어떠한 시스템(System) 에 대하여 원하는 출력이 나타나도록 조절하는 행위를 제어라고 한다. 간단한 예를 들어 보자. 에어콘을 예로 들어 보자면, 우리가 원하는 실내 온도를 맞춰 놓으면 그 온도가 되기 위해서 에어콘이 출력을 조절하는 행위를 에어콘이 온도를 제어한다 라는 것이다. 

용어 설명

• Control variable (제어 변수) : 측정되어서 제어되는 양을 말한다.
  
• Plant (플랜트) : 어떤 특별한 기능을 수행하는 장치를 말한다  ex) 모터의 속도 제어 라면 모터 자체가 플랜트가 된다.
• System (시스템) : 시스템 , 계, 계통 이라고도 말하며 여러개의 조합체라고 생각하면 된다.
• Sevomechanism (서보기구) : 위치, 속도, 가속도 등 기계적인 양에 관련된 기구.
• regulating system (조정시스템) : 입력이 변화지 않는 시스템 ex) 에어콘과 같이 정해진 온도를 제어하는 경우
• tracking system (추종시스템) : 입력이 변화는 시스템 ex) 로봇과 같이 실시간으로 입력이 변화는 시스템
• open loop control (개루프시스템) : 되먹임하지 않는 시스템 ex) 세탁기와 같이 시간에 따라 순차적으로 행해지는 시스템
• close loop control (폐루프시스템) : 되먹임을 하는 시스템 

 되먹임 제어란? 

 되먹임 제어란 피드벡 제어(feedback control)라고도 하는 것인데, 시스템의 출력과 기준 입력을 비교하고, 그 차이(오차)를 감소시키도록 하는 작동시키는 동작을 말한다. 이러한 설명은 블록선도를 보면서 이해하는게 편할 것이다. 

위의 그림이 되먹임 제어 시스템의 대표적인 블록선도인데 각각의 값을 설명하겠다.

 일단 각각의 블록들을 먼저 설명하자면 

• plant : 위에서도 설명 했지만 예를 들어 설명하자면 모터의 속도 제어에서는 모터 자체가 plant가 된다.

• sensor : 말 그대로 센서가 받아오는 값으로 모터 속도 제어에서는 인코더가 이 역할을 해 준다고 보면 된다.

• controller : 말 그대로 제어기 인데 요새는 아날로그 제어기가 아닌 디지털 제어기를 자주 사용한다고 한다. 

 그리고 신호에 대해서 설명하자면 

• r (reference input 기준입력) : 우리가 요구하는 값이다. 예를 들어 설명하자면 에어콘에서 21도로 리모콘으로 입력을 주면 21도 자체가 기준입력이 된다.

• c (controlled variable 출력, 제어변수, 제어량) : 말 그대로 출력값이다. 에어콘의 온도 제어로 보자면 현재의 온도가 출력이 된다.

• e (error signal 오차신호) : 출력과 입력의 차이값이다. 이 값이 0가 될 수록 제어가 잘되는 거라고 말할 수 있다. 

• u (manipulated variable 조작변수, 조작량) : 오차 신호가 제어기를 통과하고 나온 출력값이다.

• d (disturbance 외란 ) : 시스템 외부에서 오는 알 수없는 값으로 입력과 출력에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 값이다.

• n (noise 노이즈, 잡음) : 센서에서 받아올때 같이 받아지는 원치 않는 신호값이다. 

 하지만 이렇게 되먹임 제어 시스템을 설계하기는 쉽지 않다. 많은 요소가 걸림돌이긴 하지만 가장 큰 걸림동은 plant의 동역학적 해석이 어렵기 때문이다.