자동제어/제어공학 -1

자동제어 또는 제어공학과목은 기계공학부 학생에게 역학과는 또다른 개념을 배우는 것이라 받아들이기가 어렵습니다.

자동제어 예습 혹은 복습하시는 분들을 위해 글을 씁니다.

 

제어란?

가끔 교수님이 문제로 내실 수 있는 개념입니다.

어떤 장치나 시스템(에어컨)의 상태가 원하는 상태를 따라고도록 입력신호를 적절히 조절하는 방법.

 

공부할때 본인만의 시스템하나를 생각하고 공부하시면 편한데 저는 에어컨을 예시로 들었습니다.

그럼 자동제어란?

사람이 없어도 제어동작이 수행되는 무인제어.

 

추상적인 자동제어의 개념은 이렇고 보통 그림을 그려서 많이 설명합니다

 

제어목적(입력) - >                             제어시스템                                           -> 제어결과(출력)

에어컨온도 24도        현재온도 >24도 라면 냉방하고 현재온도 < 24도라면 난방 혹은 대기     방온도 24도

 

이런식으로 시스템을 잘 설계하면 입력에 대한 원하는 출력을 얻을 수 있습니다.

입력을 reference의 R로 쓰거나 U로 표현하는데 시간에 대한 r(t)또는 u(t)로 씁니다.

출력을 함수의 Y또는 C로 표현하는데 y(t) 또는 c(t)로 씁니다.

제어시스템

 

이렇게 생긴 그림을 블럭선도(네모난 블럭과 화살표선으로 도식화한 그림)이라 하는데 초반부터 후반까지 지겹게 나옵니다.

플랜트는 원래있는 시스템이라고 생각하시면되고 보통 제어기를 추가해 그 시스템을 제어해준다고 생각하면됩니다.

플랜트로만 원하는 출력을 얻을 수 없을때 제어기를 추가합니다.

그래서 기준입력을 제어기가 제어입력으로 바꿔주어 원래 시스템에 하나의 입력으로 원하는 출력값을 얻습니다.

예를들면 2번상황에서 플랜트에 그냥 24도 입력을 넣었을땐 원하는 온도가아닌 15도가 출력되었다면

1번상황처럼 24도입력이 잘 설계된 제어기를 통해 플랜트에 필요한 입력값 3으로 바뀌고 이 값이 플랜트를 통과했을때 24도를 만들어주는 시스템으로 바꿔주는거죠.

개로제어 VS 폐로제어

개로(Open loop) 제어(Control) : 제어기를 아무리 잘 설계했더라고 해도 외부에서 발생한 문제(외란)과 플랜트가 시간이 지나면서 변형이 발생했을때 출력을 계속해 분석하고 있지 않기 때문에 정확한 출력값과 안정성에 문제가 있습니다.

 

폐로(Close loop) 제어(Control)

개로 제어는 아까 에어컨의 블럭선도를 생각하시고 위 그림은 폐로제어입니다. 결과값은 출력되지만 그 값을 가져와 입력값과 비교해 그 차이값이 다시 제어기에 들어가는 형태입니다.

입력값과 출력값의 차이는 오차(에러)라고 하고 이 오차가 줄어들게 제어기를 잘 설계하면 입력과 출력이 같은 시스템이 설계됩니다. 이렇게 피드백형태의 시스템은 외부 문제가 발생해도 오차값을 계속 수정하기때문에 외란에 대한 저항성이 있고 플랜트의 변형에도 개루프 제어에 비해 낮은 민감도가 장점입니다.