제어시스템 - 3. 제어 시스템 소개 2

실제 물리적 시스템과 모델링 사이의 오차 제거

1. 가능한 에러 범위 설정

2. 이 범위를 넘지 않는 제어기 설계

   -> 설계된 제어기 시스템이 안정하다고 볼수 있음

=> 강인 제어 이론이라 함

 

 

강인 제어 이론 robust control theory

- 주파수 응답과 시간 영역에서의 방법을 둘다 사용

- 수학적으로 매우 복잡

 

 

 

 

 

 

 

용어들

1. 제어 변수, 제어 신호, 조정 신호

- 제어 변수 controlled variable : 관측하거나 제어하려는 상태나 값

- 제어 신호 control signal, 조정 신호 manipulated variable : 제어기를 사용하여 제어 변수의 값에 영향을 주는  값, 상태

- 제어 control : 시스템의 제어 변수 값을 관측하고, 목표 값으로 도달하도록 편차를 줄이는 제어 신호를 보내는 것

 

2. 플랜트

- 특정한 일을 수행하는 장비

- 플랜트로 우주선이나 화학 반응기 같은 물체를 제어할것임.

 

3. 프로세스

- 연속된 작업들 혹은 특정 결과를 얻도록 하는 일련의 변화 과정들

 

4. 시스템

- 특정한 목표를 이루기 위해 함께 동작하는 요소들의 모임

- 시스템은 물리적인 개념뿐만이 아니라 추상적인 개념으로도 사용될수 있음.

 * ex. 경제학에서 동적인 변화 현상

=> 물리학, 생물학, 경제학 같은 분야에서도 시스템이 사용될수 있음.

 

5. 요란 disturbance

- 시스템 결과에 악영향을 주는 신호

- 요란이 시스템 내부에서 발생 -> 내부 요란

- 시스템 외부에서 발생하여 입력으로 들어옴 -> 외부 요란

 

6. 피드백 제어 feedback control

- 요란이 존재할때 시스템의 출력과 기준 입력 사이 차이를 줄여주도록 하는 제어 작업

- 예측할수 있거나 알고 있는 요란은 시스템 내부에서 보상될수 있으므로 예측할수 없는 요란들이 입력으로 들어옴.

 

 

 

 

 

 

 

온도 제어 시스템의 예시

1. 전기 난로는 내부의 온도계로 (아날로그) 기온을  측정

2. 아날로그 기온은 AD 변환기로 디지털 온도로 변환

3. 디지털 온도는 인터페이스를 통해 제어기 입력으로 들어감

4. 입력된 디지털 온도는 기존에 입력으로 설정한 온도와 비교

5. 현재 온도와 기준 온도 사이의 차이가 발생 시, 제어기는 히터에 신호를 보냄

6. 증폭기 amplifier로 신호가 증폭되고, 릴레이를 통해 전기 난로가 목표 값에 도달하도록 제어됨.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

피드백 제어 시스템

- 출력과 기준 입력을 비교하고, 그 오차를 제어에 사용하는 시스템

  ex. 방 온도 제어

- 사람의 신체와 같이 공학 이외 분야에서도 피드백 제어가 많이 이용됨.

 

폐루프 시스템 closed loop control system

- 피드백 제어 시스템은 폐루프 제어 시스템이기도 함

- 폐루프 제어 시스템에서 오차 신호로 구동함.

- 오차를 줄이도록 제어기가 동작하여 시스템 출력이 원하는 값에 도달

=> 즉, 폐루프 제어는 시스템 오차를 줄이도록 피드백 제어 동작을 수행한다고 할 수 있음.

 

개루프 제어 시스템 open loop control system

- 시스템 출력이 제어 동작에 영향을 주지 않는 시스템

 => 개루프 시스템의 출력은 측정하지 않음 + 입력과 비교해서 피드백 되지 않음.

 * ex. 식기 세척기, 세탁기 등(출력을 측정하지 않고, 그냥 세척만 함)

 

폐루프 시스템과 개루프 시스템의 차이

- 폐루프 시스템의 장점은 피드백 제어를 사용하므로 시스템 응답이 외부 요란이나 내부 변화에 덜 민감

- 값싸고 정밀하지 않은 장치를써도 플랜트를 이용해 정확한 제어가 가능함, 개루프 시스템은 불가능함

- 개루프 시스템은 시스템 안정성이 주요 이슈가 아닌 경우 사용됨

- 시스템 안정성이 중요한 경우 폐루프가 사용. 오차를 줄여나가면서 진폭 변화와 상수 진동이 발생

 

 

 

개루프 시스탬의 장점

1. 만들거나 유지하기 쉽다

2. 폐루프보다 싸다

3. 안정성 문제를 고려안한다.

4. 출력 측정이 힘들때 편하다

 

개루프 시스템 단점

1. 요란이 생기거나 변화시 오차가 발생 -> 출력이 원해던 목표치와 달라진다

2. 일정한 퀄리티로 원하는 값을 유지하려면, 매번 재조정이 필요하다.