머 리 말에서… 21세기 지식기반 정보화 사회에서 공학이 날로 발전하고 부가가치를 극대화할 수 있는 신기술이 요구되는 시대에 자동제어 기술은 ‘있으면 편리한 기술’에서 ‘없어서는 안 되는 기술’이 되었다. 확실히 말할 수 있는 것은 자동제어 기술이 현대의 과학, 기술, 사회 등 일상생활 속에 뿌리를 내리고 있어 지금은 이것을 빼놓고는 아무것도 생각할 수 없는 시대가 되었다는 것이다. 4차 산업혁명이라고 불리는 기계의 지능화를 요구하는 시대에 자동제어 기술은 우리들의 일상생활에서 인간의 시간과 정신을 점점 더 자유롭게 하고 나아가서는 새로운 과학기술 및 사회 발전의 프런티어를 개척하고 있다. 제어시스템공학은 제어 대상 시스템인 플랜트에 적절한 제어기를 첨가함으로써 시스템에 불확실성이 존재하더라도 시스템의 성능 및 강인성을 향상 시키는 데 그 목표를 두고 있다.

제어시스템공학 1장 제어시스템공학의 개요 2장 동적 시스템의 주파수역 모델링 3장 동적 시스템의 시간역 모델링 1장 제어시스템공학의 개요 2장 동적 시스템의 주파수역 모델링 3장 동적 시스템의 시간역 모델링 4장 제어시스템의 성능 및 안정도 5장 근궤적법 6장 주파수응답 해석 7장 제어시스템 설계 8장 상태공간 해석 및 설계 9장 디지털 제어시스템

-1장- 제어시스템공학의 개요

Contents 1.1 서론 1.2 제어시스템공학의 역사 1.3 제어시스템에 관한 기본 용어 1.4 피드백과 그 효과 1.1 서론 1.2 제어시스템공학의 역사 1.3 제어시스템에 관한 기본 용어 1.4 피드백과 그 효과 1.5 제어시스템의 분류 1.6 제어시스템의 응용 1.7 제어시스템의 미래 1.8 제어시스템의 설계절차

1.1 서론 ◆ 공학 - 1 - - 사회적 욕구(know-why; 공학문제 설정의 출발점) 충족/ 삶의 질 향상 - 과학적 지식(know-that) 과 기술(know-how) 개발 및 적용에 관심 갖는 창의적, 전문적 활동 - 성능, 경제, 환경(인간), 정치, 법(윤리), 문화, 예술 등 삶의 문제들을 종합적으로 고려 - 자연에 존재하는 물질, 에너지, 정보(know-what) 등을 활용하여 유용한 제품을 만드는 학문 창의적 중도 해결책(Creative Middle-Way Solution)을 통해 유용한 파워(P = effort * flow/ 창의력(능력) * 사랑(자세))를 극대화 ◆ 공학(工學)의 목적 인간을 편하게 하는 것이며 인간에게 필요가 없으면 공학적으로 가치가 없음 - 공중(公衆)의 편리와 공리를 추구하는 학문  공학(公學)이라고 할 수 있음 - 1 -

1.1 서론 ※ 제어시스템(control system) 없이, 신기술(new technology)은 없다. - 2 - ◆ 제어시스템 기계지능 하에서 어떤 주어진 목적을 달성하기 위하여 상호작용을 하는 여러 개의 요소 또는 부품들이 모여 하나의 복합체를 이루고 있는 실체 - 기계지능 : 불확실성이 존재하더라도 주어진 목표를 달성할 수 있는 시스템의 능력 ◆ 제어시스템공학의 목표 - 기계의 지능화 - 제품의 고부가 가치화 - 생산성 향상 ※ 제어시스템(control system) 없이, 신기술(new technology)은 없다. - 2 -

1.2 제어시스템공학의 역사 - 3 - 고전제어(1955년 이전) • 주파수역 제어기법 1.2 제어시스템공학의 역사 표 1.1 제어시스템 발전의 역사 고전제어(1955년 이전) • 주파수역 제어기법 • 단일입출력 선형 시불변 시스템에 적용 • 모델식 : 전달함수 현대제어(1955∼1975년) • 시간역 제어기법 • 일반적인 시스템에 적용 • 모델식 : 상태공간 모델식 탈현대제어(1975년 이후) • 시간 및 주파수역 제어기법(강인제어 기법)/ 인공지능 제어기법 • 모델식 : 상태공간 모델식 및 전달함수 행렬/ 인공지능(퍼지추론, 신경회로망, 유전 알고리즘) 모델 - 3 -

1.3 제어시스템에 관한 기본용어 G(s) : 제어 대상 시스템인 플랜트 또는 프로세스 1.3 제어시스템에 관한 기본용어 그림 1.1 표준 피드백 제어시스템 G(s) : 제어 대상 시스템인 플랜트 또는 프로세스 K(s) : 오차신호에 따라 적절한 제어입력을 생성하는 시스템인 제어기 또는 보상기 r(s) : 목표값 또는 요구값을 나타내는 기준입력, 명령입력 또는 목표입력 d(s) : 외부로부터 제어변수를 교란시키는 외란입력 n(s) : 센서를 통하여 가해지는 센서잡음입력 y(s) : 관심 있는 시스템의 변수인 출력 e(s) : 기준입력과 측정된 출력의 차이로 생기는 오차신호 u(s) : 플랜트를 조작하기 위한 신호인 제어기에서 생성된 제어입력 - 4 -

P(s) : 포워드 제어기 또는 프리필터 F(s ) : 피드포워드 제어기 K(s) : 피드백 제어기 그림 1.2 포워드, 피드포워드 및 피드백 제어시스템 (1) 시스템 - 시스템 : 어떤 주어진 목적을 달성하기 위하여 상호작용을 하는 여러 개의 요소 또는 부품 들이 모여 하나의 복합체를 이루고 있는 실체 - 환경 : 시스템 경계 밖, 주위 외곽 (2) 정적 및 동적 시스템 - 정적 시스템 : 에너지 저장요소를 포함하지 않으므로 출력이 가해진 입력에 따라 결정되며 시간에 따라 변하지 않는 시스템 - 동적 시스템 : 에너지 저장요소를 포함하고 있어 과거의 입력이 현재의 출력에 영향을 주게 되어 입력이 일정하거나 제거되어도 출력이 시간에 따라 변하는 시스템 - 5 -

(3) 개루프 및 폐루프 제어시스템 - 6 - - 개루프 제어시스템 : 플랜트의 출력이 제어입력을 생성하는 제어기에 아무런 영향을 주지 않는 제어시스템 - 폐루프 또는 피드백 제어시스템 : 플랜트의 출력을 피드백 하여 기준입력과 비교하여 그 차이가 없어질 때까지 계속 제어할 수 있는 제어시스템 그림 1.3 개루프 제어시스템 그림 1.4 폐루프 제어시스템 - 6 -

(4) 단일입출력 및 다변수 제어시스템 - 7 - - 단일입출력 제어시스템 : 입력 및 출력이 단일변수인 제어시스템 - 단일입출력 제어시스템 : 입력 및 출력이 단일변수인 제어시스템 - 다변수 제어시스템 : 입력 및 출력이 2개 이상의 다변수인 제어시스템 그림 1.5 다변수 제어시스템 - 7 -

1.4 피드백과 그 효과 ◆ 피드백 제어시스템의 예 : 자동 난방장치 - 8 - 1.4 피드백과 그 효과 ◆ 피드백 제어시스템의 예 : 자동 난방장치 그림 1.6 자동 난방장치 제어목적 : 제어대상인 방의 온도 20℃ 유지  20℃ 기준입력 실제온도가 20℃ 되지 않으면 그 오차에 의한 신호 발생  보일러 가동, 열 공급 방의 온도 점차 상승하여 20℃ 도달  오차신호 0  보일러 가동 중단 외부로 열 누출  방의 실제온도 하락, 오차 발생  보일러 재 가동 - 이러한 동작이 자동적, 지속적으로 이루어짐  요구온도 유지 실제온도(출력)와 요구온도(기준입력)를 비교하여 그 오차를 제어입력에 반영하는 과정 피드백 - 8 -

◆ 피드백의 장점 ◆ 피드백의 단점 • 센서 장착에 의한 추가 비용 • 안정도 문제 제어설계기법으로 보완 - 9 - - 시스템의 불확실성(모델링 오차 및 외란)에 대한 안정도 및 성능 강인성 • 시스템의 불확실성 존재하지 않는다면 피드백이 필요 없음 - 시스템의 성능 향상 - 불안정한 시스템  안정한 시스템 - 비선형 시스템에 대해 넓은 작동범위에서 선형성 증대 경제적 문제 • 센서 장착에 의한 추가 비용 • 시스템 복잡성에 의한 보수 유지비 - 안정한 시스템  불안정한 시스템 • 안정도 문제 제어설계기법으로 보완 ◆ 피드백의 단점 - 9 -

◆ 개루프 및 폐루프 제어시스템의 성능-강인성 - 개루프 제어시스템의 성능-강인성 (1.1) 여기서 : 모델링 오차 (1.2) (1.3) 개루프 제어시스템의 성능-강인성 식 (1.5) - 폐루프 제어시스템의 성능-강인성 (1.6) (1.7) 폐루프 제어시스템의 성능-강인성 식 (1.8) - 10 -

1.5 제어시스템의 분류 - 11 - - 시스템 특성에 따른 분류 : 선형 및 비선형 제어시스템, 시변 및 시불변 제어시스템 1.5 제어시스템의 분류 - 시스템 특성에 따른 분류 : 선형 및 비선형 제어시스템, 시변 및 시불변 제어시스템 - 신호 특성에 따른 분류 : 연속시간 및 이산시간 제어시스템 - 구성 부품에 따른 분류 : 기계, 유압, 열, 전기 및 생체 제어시스템 - 제어 목적에 따른 분류 : 위치 및 속도 제어시스템 그림 1.7 시스템 방정식과 입력의 형태에 따른 제어시스템의 분류 - 11 -

- 흡입되는 증기량에 따라 증기기관의 속도 변화  증기량 조절을 위한 밸브 설치 1.6 제어시스템의 응용 ◆ 속도 제어시스템 - J. Watt가 개발한 제어개념을 이용한 최초의 공학적 제어시스템 - 흡입되는 증기량에 따라 증기기관의 속도 변화  증기량 조절을 위한 밸브 설치 - 밸브와 출력축 사이에 속도제어봉 연결  출력축의 각속도에 의해 발생되는 원심력 이용  일정한 속도 유지 그림 1.8 증기기관의 속도 제어시스템 - 12 -

◆ 로봇 제어시스템 - 13 - - 로봇은 컴퓨터로 제어되는 기계이며 자동화와 관련된 다양한 기술이 포함되어 있다. • 산업용 로봇 : 인간의 노동을 대신하는 자동화된 기계(로봇) • 지능 로봇 : 인공지능에 의해 두뇌의 기능을 가진 로봇, 일반적으로 시각, 촉각, 청각 등으로 자기 판단과 그에 대응하는 작동을 할 수 있음 그림 1.18 수술용 로봇‘다빈치’ 그림 1.19 사람의 모습을 한 춤추는 로봇 - 13 -

◆ 경제 제어시스템 - 14 - 그림 1.20 경제 제어시스템 - 피드백 제어의 개념 그림 1.20 경제 제어시스템 - 피드백 제어의 개념 • 경제에 응용 : 수요와 공급의 균형을 기본으로 하는 자유주의 경제 사상의 기본이 됨 • 정치에 응용 : 투표로 피드백 하는 민주주의의 기본이 됨 - 피드백 제어기술이 발달한 18세기 영국에서 자유민주주의 사상이 꽃피게 됨 - 피드백 제어기술의 탄생과 전개의 배경에 이와 같은 자유민주주의의 영향을 엿볼 수 있음 - 14 -

1.7 제어시스템의 미래 - 15 - - 제어시스템의 목표 : 시스템의 유연성 및 자율성 증대 1.7 제어시스템의 미래 - 제어시스템의 목표 : 시스템의 유연성 및 자율성 증대 그림 1.21 제어시스템과 로봇의 미래 - 15 -

1.8 제어시스템의 설계 절차 (1) 수학적 모델링 - 16 - - 실제 물리 시스템을 수학적인 식으로 표현 1.8 제어시스템의 설계 절차 (1) 수학적 모델링 - 실제 물리 시스템을 수학적인 식으로 표현  경제적으로 제어시스템 설계를 수행  생산성 향상 - 전달함수 또는 상태공간 모델식으로 표현 모델링 과정에서 모델링 오차에 의한 시스템의 불확실성을 고려해야 함  실제 제어시스템의 성능 및 안정도-강인성 문제가 중요함 - 수학적 모델링 방법 • 블록선도(block diagram) • 신호흐름선도(signal flow graph) • 본드선도(bond graph) • 선형선도(linear graph) • 전달행렬방법(transfer matrix method) - 16 -

(2) 시스템 해석 • 공칭안정도 : 공칭 모델 • 안정도-강인성 : 모델링 오차 를 고려한 실제 모델 - 성능 평가 시스템의 안정도 및 성능을 예측하고 검토하는 과정 - 안정도 평가 • 공칭안정도 : 공칭 모델 • 안정도-강인성 : 모델링 오차 를 고려한 실제 모델 - 성능 평가 • 명령추종 성능 : 출력 기준입력 • 외란제거 성능 : • 센서잡음에 대한 저감도 : • 성능-강인성 : - 17 -

(3) 제어시스템의 설계 및 구현 - 제어시스템 설계방법   - 18 -

그림 1.22 제어시스템의 설계 흐름도 - 19 -