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제어의 역사와 가단한 예 평가A좋아요

제어의 역사와제어의 간단한 예95050042 정 동 주1.제어의 의미1) 제어(control)란 어떤 대상시스템의 상태나 출력이 원하는 특성을 따라가도록 입력신호를 적절히 조절하는 방법을 말하며, 제어하고자 하는 대상을 플랜트(plant), 제어동작을 수행하는 장치를 제어기(controller)라고 부른다.2) 제어시스템은 제어기와 플랜트의 연결방식에 따라 개로(Open-loop) 제어시스템과 폐로(closed-loop) 제어시스템으로 분류된다. 그런데 개로제어는 대상시스템의 특성을 잘 알고있는 경우에 정확한 제어가 가능하기 때문에, 산업현장에서는 폐로제어가 많이 쓰이고 있다.3) 폐로제어는 플랜트의 출력을 입력단에 되먹여서 제어에 활용하기 때문에 되먹임제어(feedback control)라고도 한다. 이 기법을 쓰면 플랜트의 특성을 정확히 모르는 경우에도 제어를 수행할 수 있다.4) 제어기를 써서 얻고자 하는 대상플랜트의 출력특성을 제어목표라고 한다. 제어목표에는 안정도(stability), 명령추종(command following), 외란제거(disturbance rejection), 잡음축소(noise reduction) 따위가 있으며, 이 가운데 가장 중요한 목표는 안정도이다.5) 제어기를 설계한다는 것은 제어시스템의 안정도를 이루면서 나머지 제어목표들을 달성하는 제어입력신호를 만들어내는 장치를 구성하는 것을 뜻한다. 그런데 이 제어목표들은 상충관계에 있기 때문에 제어기를 설계할 때에는 이 관계를 잘 절충시켜야 한다.2. 제어공학의 역사제어공학의 기원은 고대 그리이스와 이집트 문명에까지 거슬러 올라간다. 정확한 연대나 발명자는 알 수 없으나, 이 시대에 이미 물시계가 등장하여 유량제어기법을 사용하였으며, 술 만드는 공장에서 커다란 술통에 술을 채울 때에 수위를 일정하게 유지하는 수위제어기법이 사용되었다는 기록이 있다. 여기서 물시계의 유량제어에는 개로제어 방식이 쓰였으나, 술통의 수위제어에는 되먹임제어 방식이 쓰였으며 이 기법은 오늘날까지 이어져서 우리질 때에는 증기밸브를 더 좁혀서 증기유입량을 줄임으로써 속도를 낮춰주는 되먹임 방식에 의해 기관의 속도를 일정하게 유지한다. 이 조속기에 의해 증기기관의 큰 동력을 안정하게 쓰는 것이 가능해졌으며, 결국 이 제어장치에 의해 증기기관은 산업혁명의 원동력이 될 수 있었던 것이다. 따라서 증기기관에 사용한 조속기는 제어기법을 본격적으로 산업에 응용하여 커다란 성공을 거둔 장치로서 제어기법의 중요성을 크게 부각시킨 발명품이라고 할 수 있다.제임스 와트가 발명한 속도제어기 “거버너 (governor)1868년에 영국의 맥스웰(J.C. Maxwell)은 안정도에 관한 초기이론을 제시하고 조속기의 운동특성을 나타내는 미분방정식을 개발하고 이 방정식을 평형상태에서 선형화하여 분석하면서 조속기 시스템의 안정도를 규명하는 초기이론을 제시함으로써 제어공학의 이론적 출발점을 마련하였다.1877년에 영국의 루쓰(E.J. Routh) 일반적인 선형시불변 시스템의 안정도를 판별하는 방법을 제시하였다. (루쓰의 안정도 판별법.)1893년에 러시아의 리아푸노프(A.M. Lyapunov)는 선형시불변 시스템은 물론 비선형이나 시변시스템에까지 적용할 수 있는 가장 일반적인 안정도 해석법을 제시하였다.1927년에 미국의 블랙(H.S. Black)은 되먹임 증폭기를 발명하였다.1932년에 미국의 나이키스트(H. Nyquist)는 주파수영역에서의 안정도 판별법을 제시하였다.1936년에 영국의 캘린더(Callender) 등은 PID(proportional-integral-differential) 제어기법을 개발하고 이것을 시간지연이 있는 공정의 제어에 활용하는 방법을 제시하였다. 이후에 PID제어기는 각종 산업공정에 활발하게 응용되었으며, 오늘날에도 산업현장에서는 이 PID제어기가 주제어기로서 많이 쓰이고 있다.1938년에 미국의 보드(H.W. Bode)는 그림표에 의한 주파수응답 해석법을 제시하였다. (보드선도)1942년 미국의 위너(N. Wiener)는 통계적 추정이론을 제안하고 이를 근거로 주파 가지 제어문제를 풀기에 적합한 방법으로 제시된 것인데, 그 배경에는 상태방정식을 수치해법으로 쉽게 풀 수 있는 디지털 컴퓨터의 등장이 있다. 이 시기 전후의 제어기법을 각각 고전제어(classic control)와 현대제어(modern control)라 부른다.1970년대 이후에 제어공학분야에는 여러 가지 다양한 현대제어기법들이 수많은 연구자들에 의해 개발되었는데, 큰 흐름을 살펴보면 1960-70년대에는 최적제어(optimal control), 1970-80년대에는 적응제어(adaptive control), 그리고 1980-90년대에는 견실제어(robust control) 기법들이 주류를 이루면서 이어져 내려오고 있다. 현재에는 지금까지 제시된 다양한 제어이론과 기법들이 공존하고 있는데, 이 가운데 어떤 기법이 최고라고 단정할 수는 없으며, 대상 플랜트와 상황에 따라 적절한 기법들을 선정하여 사용하는 것이 최선이라고 할 수 있다.위에서 간략히 살펴본 것과 같이, 제어공학은 18세기말에 산업혁명의 원동력이 된 증기기관의 속력조절에 제어기법이 쓰이면서 주목받기 시작하였으며, 현대의 산업과 문명이 빠른 속도로 발전하면서 각종 공정과 시스템들이 대형화되고 고도화됨에 따라 제어공학의 필요성은 더욱 높아지고 있다. 특히, 고도의 정밀성과 안전이 요구되는 우주ㆍ통신ㆍ환경ㆍ생명 등의 미래산업분야에서 제어공학은 기반기술로서 더 큰 역할을 맡게 될 것이다.가장 최근의 예로 화성에 도착되어 스스로 자기의 진로를 결정하고 탐사하는 패스 파인더(pathfinder)를 자동제어의 좋은 예라 할 수 있다.3. 제어시스템의 예1) 물통의 수면 높이 제어먼저 가장 일반적 이고 기본적인 제어시스템의 구성을 물통의 수면 높이제어시스템을 예로 하여 알아보자.- 지렛대의 받침대의 위치에 따라 제어기 출력값을 변하게 할 수 있는 지렛대는 제어기 (controller)- 부표는 센서 (sensor)- 왼쪽밸브는 구동기 (actuator)- 물통을 제어 프로세스 (또는 제어대상: control ob을 증가시켜, 수면의 높이를 밸브 z’의 상태에 관계없이 목표값으로 유지 할 수 있다.이 제어기의 경우, 제어기의 출력(output)인 동작신호 u와 제어기의 입력(input)과의 관계 수식은 다음과 같다.이때 C값은 제어기의 이득(gain) 으로 입력값에 비례해서출력값이 나오게 되는 비례 제어기(proportional controller:P-Controller)가 된다2) 산업용 로봇 제어시스템산업용 로봇은 어떤 제품의 생산과정에 들어가는 각종 부품들을 조립하는 공정이나, 용접, 도장(painting) 작업 등에 쓰이는 장치로서 공장자동화에 필수적이다. 이 장치는 사람의 손을 대신하여 단순작업을 신속, 정확하고 장시간 쉬지 않고 수행할 수 있으며, 또한 사람이 견딜 수 없는 극한환경에서의 위험한 작업을 해낼 수 있는 다목적용 시스템으로서, 정확하면서 빠르고 유연한 조작을 필요로 하는 생산조립공정에 많이 쓰이고 있다. 이 산업용 로봇은 여러 개의 관절로 이루어지며 각 관절에는 전동기가 들어있어서 로봇을 움직여주는데, 이 전동기의 위치와 속도제어 기술이 로봇의 성능을 결정하는 핵심이 된다.FARAman SM5 로봇과 FARA SRC 제어기로봇의 제어시스템 구성여기서 제어기는 크게 주제어부와 서보제어부로 나누어진다. 주제어부는 각종 사용자 접합기능과 운동계획(motion planning) 기능을 가지고 있다. 운동계획이란 로봇이 움직여야 할 궤적정보를 만들어 주는 기능을 말한다. 서보제어부는 주제어부에서 만들어진 위치명령을 이용하여 로봇관절에 쓰이는 전동기를 원하는 위치로 회전시키는 기능을 하는데 디지털 운동제어 보드와 증폭기로 구성된다.3) 비행체 유도제어시스템항공기와 미사일을 포함하는 비행체는 제어공학의 대표적인 제어대상으로서 제어 공학의 초창기부터 많은 연구가 집중되어 왔으며, 최근에는 우주항공 시대가 열리 면서 위성 및 발사체, 위성수거용 로봇, 화성 탐색기 등 제어대상이 더욱 다양하고 고성능이 요구되는 문제에까지 확대되고 있는 추세이다. 대기권 내에서 운원활하게 하는 핵심적인 공정 제어시스템 이다. 이 시스템은 제어대상 접점의 수가 매우 많고 다양한 제어기능을 필요로 하면서 전체 시스템의 안전운용을 위해 감시 및 통신기능을 필요로 하는 대규모 시스템에서 필요로 하는 복합적인 제어시스템 이다. 국내에서는 발전소를 포함하는 전력계통의 제어에 이러한 분산제어시스템이 도입되어 성공적으로 운용되고 있으며 핵심기술이 대부분 우리기술로서 국산화되고 있다. 이러한 기술축적을 바탕으로 분산제어시스템은 최근 공정의 대규모화에 따른 운전제어의 복잡화에 대응하고, 최적화 제어 등 고효율 운전법 적용 및 감시진단기능에 의한 안전운용을 목표로 하여 공장자동화를 선도하는 시스템으로 발전하고 있다. 이에 따라 분산제어시스템의 구성 자체가 공정단위의 분산제어 개념에서 더 나아가 플랜트 통합의 공정관리 및 정보 제어시스템으로서 일원화된 시스템 구성을 제공하고 있다. 이와 같은 분산제어시스템의 효율적인 적용을 통하여 생산성 향상은 물론 에너지 절감, 생산원가 절감 등의 여러 가지 효과를 함께 얻을 수 있어서 국내 여러 산업계에 적용이 확산되고 있는 추세이다. 분산제어시스템이 적용되는 플랜트들로는 발전소는 물론이고 제강 및 제철소(Iron and Steel Plant), 석유화학공정, 시멘트ㆍ유리ㆍ펄프 및 제지 공정, 수처리 시스템 등이 있다.분산제어시스템의 일반적인 구조는 그림과 같이 운전부(operator interface station), 공정제어부(process control station), 통신네트워크(communication network) 등으로 구성된다. 운전부는 크게 세 가지 기능을 주로 담당하는데, 플랜트 운전감시에 필요한 전체계통 구성요소의 공정정보를 총괄적으로 관리하는 부분, 현재 공정의 상황을 다양한 그래픽 화면으로 나타내주는 MMI(man machine interface) 부분, 공정정보를 다양한 형태로 관리하는 데이터베이스 부분으로 구성된다. 공정제어부는 대상공정에 연결되어 제어하는 부분으로서 운전부의 지시나 계획에.

공학/기술| 2001.10.17| 15페이지| 1,000원| 조회(1,227)

역사, 제어, 제어 예

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