제어 시스템

3. 논리 제어

논리 제어는 미리 정해진 논리 순서에 따라 기계 또는 프로세스를 제어하는 방식이다. 설계가 용이하고 매우 복잡한 동작도 처리할 수 있으며, 설계의 일부에 부울 논리를 이용한다. 논리 제어기는 스위치와 센서에 반응하고 액추에이터를 사용하여 기계의 다양한 작동을 시작하고 중지할 수 있다.

자동 순차 제어 시스템은 액추에이터를 올바른 순서로 작동시켜 작업을 수행한다. 예를 들어, 다양한 전기 및 공압 트랜스듀서는 골판지 상자를 접고 접착하고 제품으로 채운 다음 자동 포장 기계에서 밀봉할 수 있다.^[1]

3. 1. 프로그래머블 로직 컨트롤러 (PLC)

4. 온-오프 제어

온-오프 제어는 두 가지 상태 사이를 전환하는 피드백 제어기이다. 간단한 이중 금속 가정용 온도조절기를 예로 들 수 있는데, 실내 온도가 사용자 설정값보다 낮으면 히터가 켜진다. 공기 압축기의 압력 스위치도 비슷한 예시로, 압력이 설정점보다 낮으면 압축기 전원이 켜진다. 냉장고와 진공 펌프에도 유사한 메커니즘이 포함되어 있다. 이러한 온-오프 제어 시스템은 저렴하고 효과적이다.

온도조절기(サーモスタット)는 단순한 피드백 제어의 한 종류로, 온도(측정 변수)가 설정값을 밑돌면 히터의 스위치를 켠다. 압력 스위치와 압축기(エアコンプレッサー)는 압력(측정 변수)이 임계값을 밑돌면 작동한다. 냉장고와 진공 펌프에도 비슷한 기구가 있지만, 반대 방향의 설정값에 대해 작동한다는 차이가 있다. 이들은 모두 음의 피드백으로, 잘못된 상태를 바로잡는다.

온-오프 피드백 제어 시스템은 저렴하고 효과적이며, 때로는 최선의 선택이 될 수 있다. 그러나 온-오프 작동에 따른 마모, 켜질 때의 일시적인 전력 소비 증가(돌입 전류) 등 다른 비용도 고려해야 한다. 따라서 실제 온-오프 제어 시스템은 히스테리시스를 고려하여 설계되며, 불감대(설정값의 상하 범위 내에서 아무것도 제어하지 않는 범위)가 설정된다. 불감대의 폭은 변경 가능(프로그램 가능)하게 할 수도 있다.

5. 선형 제어

선형 제어 시스템은 선형적인 음의 피드백을 사용하여 수학적으로 다른 변수를 기반으로 한 제어 신호를 생성한다. 그에 따라 제어 대상이 허용 범위 내에서 작동하도록 유지한다. 산업용 용광로의 온도를 제어할 경우, 연료 밸브의 개방 정도를 현재 용광로의 상황에 비례하도록 제어하는 것이 좋은 경우가 많다. 이를 통해 온도의 급격한 변화를 방지하고, 가열을 더욱 효율적으로 할 수 있다.

비례 제어 방식의 음의 피드백 시스템은 제어 변수의 설정값(SP)과 측정값(MV)의 차이에 기반하여 작동한다. 이 차이를 "오차"라고 한다. 오차를 줄이는 방향으로, 오차의 크기에 비례하여 힘이 가해진다. 오차에 따라 어느 정도 수정할지는 제어 시스템의 이득 또는 감도로 설정된다.

이득이 낮으면, 오차를 감지했을 때 수행되는 수정 동작이 작아진다. 이러한 시스템은 안전하고 안정적이지만, 상황 변화에 대한 대응이 느리다. 수정되지 않은 오차가 비교적 장기간 지속된다. 즉, 감쇠가 강하다. 비례 이득이 커지면 시스템의 반응이 빨라지고, 오차에도 빠르게 대처하게 된다. 이득 설정에는 최적의 값이 존재하며, 그 값으로 설정하면 시스템의 감쇠가 적절해진다. 최적값을 넘어 이득을 증가시키면 MV가 진동하게 된다. 그러한 시스템은 감쇠가 약하다고 할 수 있다.

전기로의 예로, 온도 설정값이 최대 정격 전력의 50%로 안정 상태를 유지할 수 있는 온도이고, 현재 온도가 그 온도를 향해 상승하고 있다고 가정하자. 온도가 그보다 낮은 상태에서는 최대 정격 전력의 100%의 전력이 적용된다. 조작변수(MV)가 설정값(SP)과 10도 차이가 나면 비례 제어가 작동하기 시작하여 전력이 감소한다. 즉, SP를 중심으로 한 20도의 범위가 비례대(proportional band)가 되어 100%에서 0%까지 선형적으로 변화한다. 설정값에 도달하면 50%의 전력이 적용되지만, 가열 시스템에 축적된 잔열이 있기 때문에 로 내부 온도는 더 상승한다. SP보다 10도 높은 온도가 되면 비례대의 상한에 도달하고, 가열용 전력 공급이 중단된다. 그래도 로 내부 온도는 어느 정도 더 상승할 것이다. 조작변수(MV)가 비례대로 돌아오면 가열이 재개되지만, 이번에는 가열 시스템이 과냉각되어 다시 상승할 때까지 온도가 계속 하강할 것이다. 이와 같이 온도 변화가 진동하는 곡선을 그리며 계속 변화하게 된다.

제어 시스템의 제동이 약하면 온도 변동이 발생하는데, 이는 일반적으로 바람직하지 않다. 전력이나 연료의 낭비이며 시간 낭비이기도 하다. 또한, 반응로 내부 온도가 일시적으로 설정 온도보다 높아져 원료가 손상될 수도 있다.

제동이 강하면 어떻게 될까? 설정점(SP)보다 30도 낮은 온도까지 상승했을 때, 비례 제어가 시작되고(즉, 비례대가 60도가 된다), 설정점에 도달했을 때의 전력이 50%라고 가정하자. 이 경우, 목표 온도에 도달하는 데 시간이 걸리지만, 설정점을 크게 초과하지 않으므로 반응로 내부가 과도하게 고온이 되지는 않는다. 이득을 주의 깊게 증가시키면(비례대의 폭을 줄이면), 진동 없이 빠르게 설정점에 도달하는 지점을 찾을 수 있다. 이러한 작업을 제어 시스템 튜닝이라고 한다. 잘 조정된 비례 제어는 일반적으로 온/오프 제어보다 효율적이지만, 숙련된 수동 제어에 비하면 부족할 것이다.

6. 퍼지 논리

퍼지 이론(퍼지 논리)은 복잡하고 연속적으로 변하는 시스템을 제어하기 위해 논리 제어기를 간편하게 설계하려는 시도이다. 퍼지 논리 시스템에서 측정값은 부분적으로 참일 수 있다.

시스템의 규칙은 자연어로 작성되어 퍼지 논리로 변환된다. 예를 들어, 용광로 설계는 "온도가 너무 높으면 용광로의 연료를 줄이고, 온도가 너무 낮으면 용광로의 연료를 늘린다."와 같이 시작될 수 있다.

실제 세계(예: 용광로의 온도)의 측정값은 퍼지화(fuzzified)되고, 논리는 부울 논리와는 달리 산술적으로 계산되며, 출력은 디퍼지화(de-fuzzified)되어 장비를 제어한다.

강력한 퍼지 설계가 단일하고 빠른 계산으로 축소되면 기존의 피드백 루프 솔루션과 유사해지며, 퍼지 설계가 불필요했던 것처럼 보일 수 있다. 그러나 퍼지 논리 패러다임은 기존 방법이 다루기 어렵거나 비용이 많이 드는 대규모 제어 시스템에 확장성을 제공할 수 있다.

퍼지 전자공학은 디지털 전자공학에서 일반적으로 사용되는 이진 논리 대신 퍼지 논리를 사용하는 전자 기술이다. 퍼지 논리는 연속적으로 변화하는 시스템의 제어를 시도하면서도 논리 제어의 설계 용이성을 갖추고 있다. 퍼지 논리 시스템에서의 측정 결과는 부분적인 정확성을 갖는다. 예를 들어, YES가 1이고, NO가 0일 때, 퍼지에서의 측정값은 0과 1 사이의 어떤 값이 된다.

자연어로 쓰여진 시스템의 규칙은 퍼지 논리로 변환된다. 예를 들어, 용광로 제어에 관한 설계에서, "온도가 너무 높으면 공급하는 연료를 줄이고, 온도가 너무 낮으면 연료를 늘린다"라고 되어 있다고 하자. 실제 세계의 측정값(용광로의 온도 등)은 0과 1 사이의 값으로 변환된다. 일반적으로 가장 큰 값이 "1"로 변환된다. 퍼지 논리는 부울 논리를 산술적으로 수정한 것이다. 부정 연산은 "출력 = 1 - 입력"이 되고, 논리곱 연산은 "출력 = 입력1 × 입력2", 논리합 연산은 "출력 = 1 - ((1 - 입력1) × (1 - 입력2))"가 된다. 최종적인 출력은 "역퍼지화; defuzzify"된다. 기본적으로 퍼지에서의 계산값은 0과 1 사이에 있다. 그 값이 실제 세계의 어떤 값에 대응하므로, 역퍼지화에 의해 실제 기계를 제어할 수 있는 값이 된다. 이러한 값의 대응이 정확하게 정의되고, 규칙이 정확하다면, 제어 시스템으로서 잘 기능하게 된다.

견고한 퍼지 설계는 하나의 빠른 계산으로 귀결되면, 일반적인 피드백 루프 방식과 유사해진다. 기존 방식에서는 다루기 어려운 경우나 비용이 높아지는 경우에도, 퍼지 논리 방식에서는 상당한 확장성을 가질 수도 있다.

7. 제어 시스템의 구현

제어 시스템 구현의 범위는 특정 기계 또는 장치에 대한 전용 소프트웨어가 있는 소형 컨트롤러부터 대규모 물리적 설비의 산업 공정 제어를 위한 분산 제어 시스템(DCS)까지 다양하다.^[3]

참조

_[1] 웹사이트 Chapter 6 LADDER LOGIC http://www.ibiblio.o[...] 2010-09-22
_[2] 웹사이트 Programmable logic controllers - benefits and applications http://www.optimacs.[...] 2011-12-05
_[3] 논문 Modular Open-Source Design of Pyrolysis Reactor Monitoring and Control Electronics 2023-12-05