개념 한 쪽
공정제어의 기본 개념은 제어 목적과 계의 구조를 구분하는 데 있다. 설정치를 고정하여 외란을 보상하는지, 설정치 변화를 따라가는지에 따라 조정(Regulatory)과 서보(Servo)를 구분한다. 입력과 출력의 수에 따라 SISO/MIMO 구조를 판별하고, 되먹임(피드백)과 전방(피드포워드)의 차이로 제어 방식의 핵심을 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「공정제어 개념」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 조정 vs 서보 구분 | 1 | 설정치 고정 여부와 외란 보상 목적에 따른 제어 유형 판단 |
| MIMO/SISO 판별 | 1 | 조작변수와 제어변수의 수를 세어 계 분류하기 |
| 제어기 설계 상충 이해 | 1 | 튜닝의 최적화 한계와 공정 유형별 제어 특성 판단 |
제어 문제는 목적에 따라 크게 두 갈래로 나뉜다. 설정치(세트포인트)를 고정하여 외부 교란이 생겼을 때 원래 상태로 복원하려는 목적은 조정 제어(Regulatory Control) 또는 레귤레이터 문제로 불린다. 반대로 설정치 자체가 시간에 따라 변하고 이를 정확히 추종해야 하는 목적은 서보 제어(Servo Control)로 분류한다. 따라서 '설정치 고정+외란 보상'이면 조정, '설정치 변화 추종'이면 서보로 구분한다.
제어계의 분류는 조작변수(MV, Manipulated Variable)와 제어변수(CV, Controlled Variable)의 수에 따라 결정한다. 조작변수와 제어변수가 각각 1개이면 단일 입력-단일 출력(SISO) 시스템이고, 둘 이상이면 다중 입력-다중 출력(MIMO) 시스템으로 분류한다. 문제 상황에서 조작해야 할 변수와 제어 대상 변수를 각각 세어 SISO/MIMO 여부를 판단하는 것이 핵심이다.
되먹임(피드백) 제어는 제어변수의 측정값을 이용해 조작변수를 결정하는 폐회로(Closed-Loop) 방식이다. 되먹임은 출력의 변화를 감지하여 오차를 보정하므로 외란 발생 후 이를 수정하는 후행 방식이다. 이에 비해 전방(피드포워드) 제어는 외란 정보를 미리 이용하여 조작변수를 결정하는 선행 방식으로, 외란을 직접 예측하거나 보상하려는 경우에 사용한다.
제어기 설계와 튜닝에서는 성능과 강인성 사이의 상충관계가 존재한다는 점을 인식해야 한다. 특정 조건에 최적화된 튜닝값은 다른 조건에서 성능을 저해할 수 있으므로 하나의 튜닝값이 모든 상황에 최적일 수는 없다. 또한 공정 유형에 따라 적절한 제어기 선택이 달라지며, 예를 들어 적분공정(integrating process)은 고유 편차가 없어 비례(P) 제어기만으로도 설정점 변화에 대해 잔류오차(오프셋) 없이 추종할 수 있는 특징이 있다.
안정성, 응답 속도, 외란 억제능력, 측정 노이즈에 대한 강건성 등은 바람직한 제어시스템의 성능 지표이다. 진동은 불안정의 징후이므로 제어 설계에서는 진동을 최소화하여 안정적인 출력을 확보하는 것이 목표가 된다.
예 1: 설정치가 고정되어 있고 공정에 부하가 가해져 출력이 변하였을 때 제어 목적은 원래 설정치를 유지하는 것이다. 이 경우 문제 유형은 레귤레이터(Regulator) 문제로 판정한다. 반대로 설정치가 시간에 따라 변경되어 이를 그대로 따라가야 하면 서보 문제로 판정한다.
예 2: 탱크 시스템에서 조작변수로 유입 유량과 가열기 전력을 조절하고 제어변수로 탱크 출구 온도와 유량을 유지하려는 경우를 생각한다. 조작변수 2개와 제어변수 2개가 존재하므로 이 시스템은 다중 입력-다중 출력(MIMO) 시스템으로 분류한다.
예 3: 온도 제어기에서 센서가 측정한 출력 온도를 기준으로 히터 출력을 조절하여 오차를 줄이는 동작은 되먹임 제어의 전형적인 예이다. 외란 정보가 사전에 주어져 이를 보상하는 방식은 전방 제어이며 되먹임과 구별하여 적용해야 한다.
설정치(Set point)는 일정하게 유지되고, 외부교란변수(disturbance)가 시간에 따라 변화할 때 피제어변수가 설정치를 따르도록 조절변수를 제어하는 것은?
정답 ① · 문제는 설정치가 일정하고 외부 교란을 보상하면서 제어변수를 유지하는 제어 방식이 무엇인지 묻고 있다. 설정치가 고정된 상태에서 외란을 보상하는 제어는 피드백을 통해 오차를 줄이는 조정(Regulatory) 제어의 개념에 해당한다.
설정치는 고정된 채 외부 교란을 보상하는 제어는 조정 제어(Regulatory Control)이다.
연속 입출력 흐름과 내부 전기 가열기가 있는 저장조의 온도를 설정 값으로 유지하기 위해 들어오는 입력흐름의 유량과 내부 가열기에 공급 전력을 조작하여 출력흐름의 온도와 유량을 제어하고자 하는 시스템을 분류한다면 어떠한 것에 해당하는가?
정답 ① · 온도를 일정하게 유지하기 위해 입력 유량과 내부 가열기 전력 두 가지를 조작(MV)하고, 출력 유량과 온도 두 가지를 제어(CV)하려고 합니다. 조작 변수와 제어 변수가 각각 2개씩 존재하므로 이 시스템은 다중 입력-다중 출력(MIMO) 시스템에 해당합니다.
조작 변수와 제어 변수가 각각 2개 이상일 때 다중 입력-다중 출력(MIMO) 시스템으로 분류한다.
제어계를 조작하는 방법으로 몇 가지 방법이 있다. 부하(load)에 변화가 들어오고 설정치(set point)를 일정하게 유지하며 화학공장에서 흔히 나타나는 문제는?
정답 ② · 화학공정과 같은 제어계에서 외부의 부하(load) 변화가 발생하더라도 설정치(set point)를 일정하게 유지하고자 하는 제어 문제를 레귤레이터 문제(Regulator problem)라고 합니다. 반면, 설정치가 시간에 따라 변하는 경우를 추종하는 제어 문제는 서보 문제(Servo problem)라고 합니다.
부하 변화에 대해 설정치를 일정하게 유지하려는 제어 문제는 레귤레이터 문제이다.
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