1.1 간단한 피드백 시스템(1)

개요

이 장에서는 간단하고 친숙한 예시, 즉 온도 조절 장치로 제어되는 가정용 난방기를 사용하여 피드백 제어에 대한 탐구를 시작합니다. 제어 시스템의 일반적인 구성 요소는 이 예시의 맥락에서 파악됩니다. 또 다른 예시인 자동차 크루즈 컨트롤에서는 기본적인 정적 방정식을 개발하고 시스템 모델의 요소에 수치 값을 할당하여 동역학을 무시했을 때 개루프 제어의 성능을 피드백 제어의 성능과 비교합니다. 연구의 맥락을 제공하고 이 분야가 어떻게 발전해 왔는지 살펴볼 수 있도록 1.3절에서는 제어 이론 및 설계의 간략한 역사를 소개합니다. 또한, 이후 장에서는 해당 주제에 대한 추가적인 역사적 배경을 간략하게 설명합니다. 마지막으로 1.4절에서는 전체 책의 내용과 구성에 대한 간략한 개요를 제공합니다.

1.1 간단한 피드백 시스템

피드백 시스템에서는 온도나 속도와 같은 제어되는 변수가 센서에 의해 측정되고, 측정된 정보는 제어기에 피드백되어 제어 변수에 영향을 미칩니다. 이 원리는 온도 조절기로 제어되는 가정용 난방기와 같은 매우 일반적인 시스템에서 쉽게 설명할 수 있습니다. 이 시스템의 구성 요소와 그 상호 연결은 그림 1.1에 나와 있습니다. 이 그림은 시스템의 주요 부분을 나타내고 한 구성 요소에서 다른 구성 요소로 정보가 흐르는 방향을 보여줍니다. 그래프를 통해 이 시스템의 작동을 정성적으로 쉽게 분석할 수 있습니다. 전원이 공급될 때 온도 조절기가 있는 실내 온도와 실외 온도가 모두 기준 온도(설정점이라고도 함)보다 상당히 낮다고 가정해 보겠습니다. 온도 조절기가 켜지고 제어 로직은 난방기 가스 밸브를 열고 화실에 불을 붙입니다. 이렇게 하면 열 Qin이 열 손실 Qout보다 훨씬 큰 속도로 주택에 공급됩니다. 결과적으로 실내 온도는 온도 조절기 기준 설정값을 약간 초과할 때까지 상승합니다. 이때 난방기가 꺼지고 실내 온도가 실외 온도로 떨어지기 시작합니다. 온도가 설정값보다 약간 낮아지면 온도 조절기가 다시 켜지고 사이클이 반복됩니다. 난방기의 켜짐/꺼짐 사이클과 함께 실내 온도의 일반적인 그래프는 그림 1.1에 나와 있습니다. 실외 온도는 50°F(섭씨 10도)로 유지되고 온도 조절기는 처음에 55°F(섭씨 16도)로 설정되어 있습니다. 오전 6시에 온도 조절기가 65°F(섭씨 18도)로 올라가고 난방기는 온도를 해당 온도까지 올린 후 그 온도로 순환합니다.

1 집은 단열이 잘 되어 있어 난방기를 껐을 때의 온도 감소가 난방기를 켰을 때의 온도 상승보다 상당히 느립니다. 이 예를 통해 그림 1.2와 같이 기본 피드백 제어 시스템의 일반적인 구성 요소를 파악할 수 있습니다.

 

Figure 1.1 

(a) Component block diagram of a room temperature control system

(b) plot of room temperature and furnace action