제어 시스템

기본원리

현대의 모든 제어 시스템은 중요하지 않은 몇 가지 예외를 제외하면 다음의 2가지 기본 특징을 공통으로 갖는다.

그 특징은 첫째, 제어되는 양의 값이 전동기에 의해서 변화되는데 이 전동기의 전력은 입력 신호로부터가 아니라 주변의 전력원에서 공급된다. 따라서 제어량의 변화에 필요한 충분한 양의 전력을 얻을 수 있으며 제어량을 변화시키는 작용은 제어의 정밀도가 좌우되는 제어 신호에 영향을 주지 않는다. 둘째, 제어하는 양의 값을 변화시키기 위해서 전동기에 에너지가 가해지는 비율은 제어하는 양의 실제값과 원하는 값 사이의 차이 함수에 의해서 결정된다.

따라서 온도조절식 가열시스템을 예로 들면 노(爐)에 가해지는 연료의 양은 실제의 온도가 원하는 온도에 비하여 고온인가 저온인가에 따라서 결정된다. 이와 같은 기본적인 특징을 가지고 있는 제어 시스템을 폐루프 제어 시스템, 즉 서보 기구(그림)라고 한다. 개루프 제어 시스템은 피드포워드 시스템이다.

제어 시스템의 안정성은 급격히 가해진 신호에 대한 반응, 즉 과도 전류에 의해서 대부분 결정된다.

이와 같은 신호가 가해지면 시스템은 과도하게 보정을 하게 되어 시스템이 처음에는 한쪽 방향으로만 과도하게 보정하고 이후에 다시 반대방향으로 과도하게 보정을 하는 난조(亂調)의 현상이 일어나게 된다. 난조현상은 바람직하지 않으므로 이를 교정하기 위한 여러 가지 수단을 사용하게 된다. 이중에서 가장 일반적인 방법은 시스템의 어딘가에 감쇠효과(damping)를 추가하는 것이다.

감쇠에 의해서 시스템의 반응속도가 감소하게 되며 과도한 오버슛(overshoot)이나 과보정을 피하게 된다. 감쇠를 하기 위해서 전자회로에서 전기저항을 이용하거나, 기계적인 회로에서처럼 브레이크를 이용하거나, 혹은 완충기에서와 같이 작은 구멍으로 기름을 통과시키는 방법 등을 이용한다.

제어 시스템에서 안정성을 확립하는 또 하나의 방법으로는 시스템의 주파수 응답, 즉 여러 가지 주파수에서 연속적으로 변하는 입력 신호에 대한 반응을 결정하는 것이 있다.

그리고 제어 시스템의 출력을 진폭과 위상에 대해 입력과 비교한다. 즉 입력과 출력이 서로 어긋나 있는 정도를 측정한다. 주파수 응답은 실험적인 방법(특히 전기 시스템)의 경우에 의하거나 시스템의 상수가 알려져 있는 경우에는 수학적인 계산으로 결정할 수 있다. 수학적인 계산은 시스템이 선형 상미분방정식으로 표현될 수 있는 경우에는 특히 유용하다.

시스템 반응의 연구에 그래프를 이용하는 것도 많은 도움이 된다. 고도의 제어 시스템을 설계할 때는 새로운 여러 가지의 기술을 이용한다. 적응성 제어(adaptive control)는 시스템이 최적의 가능한 작동방식을 구현하기 위해서 자체의 동작상태를 변경하는 능력을 뜻한다. 적응성 제어의 일반적인 정의에 따르면 적응성 제어 시스템은 반드시 다음과 같은 기능, 즉 현재의 시스템 상태에 대해서 계속적으로 정보를 제공하거나 공정을 확인하는 기능, 현재의 시스템 성능과 원하는 또는 최적의 성능을 비교하여 정의된 최적의 성능을 실현하기 위해서 시스템의 변경을 결정하는 기능, 제어 시스템을 최적화하기 위해서 적절한 수정을 개시하는 기능 등을 고려해야 한다.

이와 같은 3가지 원칙, 즉 확인·결정·수정은 모든 적응성 시스템에 내장되어 있다.

동적최적화제어(dynamic-optimizing control)에서는 특정한 성능 기준을 달성하도록 제어 시스템이 작동해야 한다. 이 기준은 대개 제어되는 시스템이 최초의 위치에서 최소의 시간이나 비용으로 새로운 위치로 이동하도록 정해져 있다.

학습형 제어(learning control)는 제어 시스템이 충분한 계산 능력을 가지고 있어서 제어가 되는 시스템의 수학적 모델을 개발할 수 있고 이와 같이 개발된 지식을 이용하고자 자신의 작동을 변경할 수 있음을 뜻한다. 따라서 학습형 제어 시스템은 적응성 제어 시스템이 더욱 고도로 발전된 것이다. 독립 다중변수 제어(multivariable-noninteracting control)에서는 대형의 시스템에서 내부 변수의 크기가 공정에 연관되어 있는 다른 변수의 값과 관련되어 있다.

따라서 고전이론인 단일회로 제어기술로는 충분하지 않다. 이와 같은 공정에 적합한 제어 시스템을 개발하기 위해서는 좀더 복잡한 기술의 이용이 필요하다.

현대 제어의 실제

산업제어의 실제적인 경우에는 이론적인 자동제어 방법이 아직 완전히 진보되지 않아서 자동제어 시스템을 제대로 설계하지 못하거나 결과를 완전히 예측하지 못하는 경우가 많이 있다.

이와 같은 상황은 산업공장에서 많이 발생하는 것과 같이 초대형이며 상호연관성이 높은 곳에서 자주 볼 수 있다. 이와 같은 경우에 운영분석(operations research), 즉 주어진 환경에서 가능한 절차를 평가하는 수학적 기술이 유효하게 된다.

산업공장에 설치할 실제의 물리적인 제어 시스템을 결정할 경우에 선택할 수 있는 기구와 수단에는 여러 가지가 있다.

전류·전압·기압과 같은 신호를 연속적으로 변화하는 물리적인 양으로 표현하는 아날로그 형식의 계기를 사용할 수도 있다. 이와 같은 신호를 처리할 수 있게 만들어진 기구는 일반적으로 재래식 기구라고 불리는데 입력신호를 하나만 받아들이고, 교정 출력신호를 하나만 출력할 수 있다. 따라서 이들은 대개 단일 루프 시스템으로 간주되며 전체 제어 시스템은 이와 같은 기구의 결합으로 이루어진다. 아날로그 형식의 컴퓨터는 좀더 복잡한 제어기능을 위해서 여러 개의 변수를 동시에 다룰 수 있다.

하지만 이것은 응용분야에 따라 매우 세분화되어 있어서 보편적으로 이용되지는 않는다. 산업공장에 부가되는 제어기구의 숫자는 공장에 따라서 서로 다른 값을 갖는다. 어떤 경우에는 공장의 작동상태를 나타내는 몇 개의 지시계만으로 구성될 수도 있다. 따라서 조작수는 비정상 상태를 감시하며 밸브나 속도 조절기와 같은 조작기구를 수동으로 조정하여 제어상태를 유지시킨다. 이와는 반대로 기구의 숫자와 성능이 충분할 경우에는 유발되는 거의 모든 예측가능한 잘못된 동작과 고장상황에 대해서 제어 시스템이 자동으로 제어할 수 있어 공정의 무인 제어가 가능해진다.

1960년대 후반에 매우 신뢰성 있는 모델이 개발됨으로써 디지털 컴퓨터는 급속하게 산업계의 공장제어 시스템의 한 부분으로 대중화되었다.

컴퓨터는 산업용 제어 시스템에 3가지의 형태로 적용되었다. 감독 또는 최적 제어, 직접 디지털 제어, 계층 제어 등이다. 감독 또는 최적 제어에서 컴퓨터는 외부 또는 보조기구로 사용이 되어 주공장제어 시스템 내에 설정되어 있는 설정점을 직접 또는 수동의 방법으로 변경한다. 예를 들어 온도가 자동온도조절기에 의해 제어되는 커다란 용기에서 화학공정이 진행되고 있는 경우에 여러 가지의 이유에 의해서 감독제어 시스템이 자동온도조절기의 설정치를 바꾸려고 개입할 수 있다.

따라서 감독제어기의 임무는 공장의 작동을 '손질'하여 비용을 절감하거나 생산량을 증가시키는 것이다. 감독제어에 의해서 얻어지는 가능한 이익은 제한되어 있지만 컴퓨터의 잘못된 동작에 의해서 공장이 영향을 받지는 않게 되어 있다.

직접 디지털 제어에서는 단 1대의 디지털 컴퓨터를 이용하여 다수의 단일 루프 아날로그 제어기를 대체하고 있다. 컴퓨터의 뛰어난 계산능력으로 이와 같은 대체가 이루어질 수 있고 좀더 복잡한 진보된 제어기술의 적용도 가능하다. 계층제어는 공장제어의 모든 분야에 동시에 컴퓨터를 적용하게 한다.

따라서 최고 경영 의사결정에서부터 밸브의 조작에 이르기까지의 전 계층에 대한 모든 공정을 통합하기 위해서는 고성능의 컴퓨터와 고도로 정교한 자동제어기구가 필요하다.

디지털 컴퓨터를 이용하는 것이 앞에서 말한 재래식 제어 시스템에 비해 갖는 이점은 동일한 비용조건하에서 다양한 개별작업들이 즉각 수행될 수 있도록 프로그램화될 수 있다는 것이다. 또한 공정의 본질이 변경되어야 하거나 기존에 제안된 공정이 수행하고자 하는 작업에 부적절하다고 판명될 경우에는 컴퓨터의 프로그램을 변경하여 신규 작업이나 수정 작업을 수행하도록 하는 것이 상당히 용이하다.

디지털 컴퓨터를 이용하면 제어 시스템의 물리적인 장비의 변경 없이 이와 같은 작업을 용이하게 수행할 수 있다. 재래식 제어 시스템의 경우에 새로운 기능을 추가하려면 제어 시스템을 이루는 물리적인 기계 설비의 일부는 대체해야 한다. 제어 시스템은 현대공장의 생산 라인 자동화에서 주요부분이 되었다. 자동화는 1940년대 후반에 부분생산된 자동차의 엔진 블록 같은 대형의 물체를 생산 라인상에서 이동 및 정지시키는 이송기계가 개발되면서 시작되었다.

앞서 언급했듯이 이러한 초기의 기계에서는 되먹임제어가 이루어지지 않았다. 그대신 물체의 정확한 위치를 최종 조정하거나 필요한 다른 교정작업을 수행하기 위해서 수동으로 개입하는 것이 요구되었다. 이송기계의 크기와 비용 때문에 이를 사용하기 위해서는 생산 라인이 장거리일 필요가 있었다.

생산된 상품에 포함되는 고가의 노동비용 절감에 대한 필요성과 소형화된 생산 라인 운영에 대한 요구와 생산의 정밀도를 높이려는 욕구 등이 제조과정에서 생산품을 세밀하게 검사하고자 하는 욕구와 합쳐져 전산화된 생산감시 시스템과 검사기구, 되먹임제어식 생산 로봇의 개발이 최근에 이루어지게 되었다.

광범위한 작업들을 다룰 수 있는 프로그램 능력과 새 프로그램으로의 신속한 변경도 가능한 장점 때문에 디지털 컴퓨터는 이런 용도에 매우 가치 있게 사용되었다. 이와 유사하게 공구의 마모나 자동기계작동의 변동에 의한 효과를 보상해주기 위해서 예전에 사용했던 직접적인 기계적 동작 대신 공구의 위치선정과 절삭률을 되먹임으로 제어하는 것이 요구되었다. 이 결과로 공구나 기계의 잘못된 동작에 의한 피해의 소지가 줄었으며, 훨씬 정교하게 마무리된 최종 생산품을 얻게 되었다.