스마트계측기[blog]

제어 시스템 종류 및 설명 및 Controller의 제어방식

위의 목표치와 같은 형태로 제어를 하고자 하는 경우 어떤 시스템이 가장 적합한 제어방법일까?

목표치에 대한 접근은 물론 A가 가장 이상적이지만, 현실에서는 이게 불가능하기 때문에 Proportional

Integral Differential 제어를 이용해 C와 같은 형태로 제어를 하게 된다.

기본적인 제어방법은 먼저 제어대상의 출력 값을 측정하고, 목표치와 비교한 후 차이를 측정하고 이를

통해 제어를 하는 방식이다.
 

(1) 단순 On/Off 제어 

단순한 On/Off 제어의 경우에는 제어 조작 량은 0%와 100% 사이를 왕래하므로 조작 량의 변화가

너무 크고, 실제 목표 값에 대해 지나치게 반복하기 때문에, 목표 값의 부근에서 凸凹를 반복하는

제어로 되고 만다.
 

(2) 비례 제어

 

조작 량을 목표 값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 하며, 서서히 조절하는 제어 방법이

비례 제어라고 하는 방식이다. 이렇게 하면 목표 값에 접근하여 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에

미세하게 목표 값에 가까이 접근 할 수 있다.

하지만 목표치 근처에서 잔류편차가 발생하여 오차가 계속 발생한다. 시간이 갈수록 조작 량도 작아

지고, 그 이상 미세하게 조작하기란 힘들어진다. 따라서 시간이 아무리 지나도 목표 값과 제어 량이

완전히 일치하지 않는 상태로 남는다. 또한 단순 이득조정만으로 시스템의 성능을 개선시키기란 힘들다.

잔류편차라는 P제어(비례제어)의 문제점을 개선시킨 것이 바로 PI제어(비례적분제어)이다.

(3) PI 제어

비례 제어로 잘 제어할 수 있을 것으로 생각하겠지만, 실제로는 제어 량이 목표 값에 접근하면 문제가

발생한다. 그것은 조작 량이 너무 작아지고, 그 이상 미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생한다.

결과는 목표 값에 아주 가까운 제어 량의 상태에서 안정한 상태로 되고 만다.

이렇게 되면 목표 값에 가까워지지만, 아무리 시간이 지나도 제어 량과 완전히 일치하지 않는 상태로

되고 만다. 이 미소한 오차를 "잔류편차"라고 한다. 이 잔류편차를 없애기 위해 사용되는 것이 적분

제어이다. 즉, 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적하여, 어떤 크기로 된 곳에서 조작 량을 증가하여

편차를 없애는 식으로 동작시킨다. 이와 같이, 비례 동작에 적분 동작을 추가한 제어를 "PI 제어"라

부른다. 정상상태에서의 오차를 없애면서 응답속도를 빠르게 하기 위해 사용하는 제어기법이다.

단 이득계수를 잘못 설정하면 Overshoot가 남발하고 시스템이 불안정해지며 응답속도도 느려진다.

이런 문제는 PID제어를 통해 해결할 수 있다.

(4) PID 제어란? 

PI 제어로 실제 목표 값에 가깝게 하는 제어는 완벽하게 할 수 있다. 그러나 또 하나 개선의 여지가

있다. 그것은 제어 응답의 속도이다. PI 제어에서는 확실히 목표 값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간

(시정수)이 필요하다. 이때 정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠진다.

즉, 외란에 대하여 신속하게 반응할 수 없고, 즉시 원래의 목표 값으로는 돌아갈 수 없다는 것이다.

그래서 필요하게 된 것이 미분 동작이다. 이것은 급격히 일어나는 외란에 대해 편차를 보고, 전회 편차

와의 차가 큰 경우에는 조작 량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 한다.

이 전회와의 편차에 대한 변화차를 보는 것이 "미분"에 상당한다.  

P : Proportional (비례)

- 비례 이득이 너무 크면 시스템에 큰 오버 슈트 발생

- 비례 이득이 너무 작으면 시스템은 제어 명령치에 도달하지 못한다.

- 비례 제어기만 있는 경우 정상 상태에서 OFFSET 발생 가능

I : Integral (적분)

- 정상 상태 오차가 0 이 될 때까지 오차를 적분하여 출력

- 오차가 0 이 되면 적분 제어기는 이전 출력을 유지 (정상상태의 오차 제거능력 )

- 적분 이득 K 를 잘못 선정하면 오버 슈트 증가 , 불안정 가능

D : Differential (미분)