1 피드백 제어의 개요 및 간략한 역사
동적 시스템의 피드백 제어는 매우 오래된 개념으로, 시간이 지남에 따라 많은 특징이 발전해 왔습니다.
핵심 아이디어는 시스템 출력을 측정하여 어떤 종류의 컨트롤러로 피드백하고 이를 사용하여 제어에 영향을 미칠 수 있다는 것입니다.
신호 피드백을 사용하여 다양한 동적 시스템을 제어할 수 있음이 입증되었습니다.
예를 들어 비행기와 하드 디스크 데이터 저장 장치를 포함합니다.
좋은 제어를 달성하기 위해서는 네 가지 기본 요구 사항이 있습니다.
• 시스템은 항상 안정적이어야 합니다.
• 시스템 출력은 명령 입력 신호를 따라야 합니다.
• 시스템 출력이 외란 입력에 과도하게 반응하지 않도록 해야 합니다.
• 설계에 사용된 모델이 완전히 정확하지 않거나 물리적 시스템의 동역학이 시간 또는 환경 변화에 따라 변하더라도 이러한 목표는 충족되어야 합니다.
안정성 요구 사항은 기본적이며 두 가지 원인이 있을 수 있습니다.
첫째, 시스템이 불안정할 수 있습니다. 이는 세그웨이 차량이 그 예인데, 제어가 꺼지면 그냥 넘어집니다. 다른 한편, 피드백을 추가하는 것 자체가 시스템을 불안정하게 만들 수 있습니다. 일반적인 경험에서 이러한 불안정성을 "악순환"이라고 합니다.
악순환으로 되돌아가는 피드백 신호가 상황을 개선하기보다는 악화시킵니다.
시스템 출력이 명령 신호를 추적해야 하는 요구 사항에 대한 많은 예가 있습니다. 예를 들어,
차량이 차선을 유지하도록 운전하는 것이 명령 추적입니다. 마찬가지로, 활주로에 접근하는 비행기를 조종하려면
활공 경로가 정확하게 추적되어야 합니다.
외란 제거는 피드백 제어의 가장 오래된 응용 분야 중 하나입니다. 이 경우 "명령"은
환경 변화에 따라 출력이 유지되어야 하는 상수 설정점입니다. 이에 대한 매우 흔한 예로
실내 온도 조절기가 있습니다. 이 장치의 역할은 실외 온도와 바람의 변화, 그리고 문과 창문의 개폐에 따라 실내 온도를 설정 온도에 가깝게 유지하는 것입니다.
마지막으로, 동적 시스템용 제어기를 설계하려면 가장 단순한 경우를 제외한 모든 경우에서 시스템의 동적 응답에 대한 수학적 모델이 필요합니다.
안타깝게도 거의 모든 물리적 시스템은 매우 복잡하고
종종 비선형적입니다. 따라서 설계는 일반적으로 단순화된 모델을 기반으로 하며, 실제 장치에 적용했을 때 시스템이 성능 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 견고해야 합니다.
더 나아가, 거의 모든 경우에서 시간과 환경의 변화에 따라 시스템 역학이 변하기 때문에 아무리 좋은 모델이라도 오류가 발생할 수 있습니다.
다시 말하지만, 설계는 이러한 불가피한 변화에 지나치게 민감해서는 안 되며, 어떤 경우에도 충분히 잘 작동해야 합니다.
제어 엔지니어가 이러한 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 도구 또한 시간이 지남에 따라 발전해 왔습니다. 특히 중요한 것은 계산 보조 도구이자 내장형 제어 장치인 디지털 컴퓨터의 개발입니다. 컴퓨터는 계산 장치로서 점점 더 복잡해지는 모델을 식별하고 매우 정교한 제어 설계 방법을 적용할 수 있게 해 주었습니다. 또한 내장형 장치인 디지털 장치는 매우 복잡한 제어 법칙을 구현할 수 있게 해 주었습니다. 제어 엔지니어는 이러한 설계 도구를 조작하는 데 능숙해야 할 뿐만 아니라, 도구를 최대한 활용하기 위해 도구의 기본 개념을 이해해야 합니다. 또한 제어 엔지니어는 사용 가능한 제어 장치의 성능과 한계를 모두 이해하는 것이 중요합니다.