제어 시스템 (Control System)

1. 제어 시스템의 구성

(1) 개루프 제어 시스템 (Open-loop Control System)

개루프 제어시스템 블럭도

• 제어 시스템은 입력(Input)과 출력(Output)으로 구성되며, 입출력 사이의 관계도를 "블록선도"라 한다.
• 개루프 제어시스템은 실제 출력값을 점검하여 목표값과 일치하는지 비교하는 과정 (피드백)이 없는 제어 시스템이다.
• 개루프 제어시스템은 "자동제어" 라 할 수 없다. (굳이 분류하자면 순서제어, 시퀀스제어에 가깝다.)
• 개루프 제어시스템은 "신호등", "ON/OFF 기능만 있는 전열기구" 등을 예로 들수 있다.
• 결과 (목표치)에 대한 피드백이 없지만, 가격이 저렴하고 구조가 단순하여 고장이 적은 이점이 있다.

(2) 폐루프 제어 시스템 (Closed-loop Control System)

결과 (목표치)에 대한 피드백이 있는 폐루프 제어 시스템

• 피드백(에러, 출력조정등의 귀환요소)이 있는 제어시스템을 폐루프 제어시스템이라 한다.
• 일반적으로 "자동제어 시스템"으로 분류한다.
• 폐루프 제어시스템은 각종 "온도제어 시스템" 을 예로 들 수 있겠다.
• 폐루프 제어시스템은 내부적인 파라미터 변화에 대한 감도를 줄일 수 있고 과도응답을 조절할 수 있지만, 제어시스템 구조가 복잡하고 비싸진다는 단점이 있다.

2. 제어 요소 모델링 [ PID : 비례(P), 적분(I), 미분(D) ]

(1) 비례 : P

• PID 요소 중 Proportional을 의미한다.
• 현재 오차 (목표값과 실제값의 차이)에 비례한 제어 신호를 생성한다.
• 비례 제어가 강할 수 록 시스템은 빠르게 목표값을 따라가지만, 오차가 너무 크면 시스템이 불안정해 질 수 있다. 반대로 낮으면 반응이 느려진다.
• 비례요소의 예로는 변압기, 전위차계, 연산증폭기 등이 있다.

(2) 적분 : I

• PID 요소 중 Integral을 의미한다.
• 오차가 시간에 따라 누적된 양을 기반으로 제어 신호를 생성한다.
• 적분 상수 (Kᵢ)가 적분 제어의 강도를 조절한다. 이 값이 너무 크면 시스템이 느리게 반응하고, 적분의 누적이 과도하게 쌓여 오버슈트를 유발한다.

(3) 미분 : D

• PID 요소 중 Derivative를 의미한다.
• 오차의 변화율(미분값)을 기반으로 제어 신호를 생성한다.
• 시스템의 변화 속도를 고려하여 제어하는 방식으로, 급격한 오차 변화에 빠르게 반응하여 시스템이 과도하게 오버슈트하거나 흔들리지 않도록 도와준다.
• 미분 상수 (Kd)는 제어의 강도를 조절하며, 너무 크면 노이즈 잡음에 민감해 질수 있다.

(4) PID 제어의 전체 출력

• PID 제어의 최종 출력은 P, I, D 세가지 출력을 모두 더한 값으로 결정된다.
• P, I, D 요소들의 조합으로 제어시스템을 안정적으로 목표값에 빠르게 도달할 수 있도록 한다.
• 각 제어 요소들의 값을 적절히 설정하는 것이 어렵고, 잘못 설정할 경우 시스템이 불안정하거나 제어 성능이 저하 될 수 있다.

3. 제어 출력 신호 종류 (제어 출력 인터페이스)

(1) 전압 출력 (Voltage Output)

전압출력은 보통 연산증폭기 회로로 구성된다.

• 제어 시스템에서 가장 기본적인 아날로그 출력 신호이다. 대개 0~10V의 범위를 사용한다.

(2) 전류 출력 (Current Output)

• 산업현장에서 가장 많이 사용되는 신호이다.
• 4~20mA 범위의 출력을 갖는다. ( 본 블로그에서는 4~20mA 센서에 대해서 설명한 바 있다. )
• 노이즈에 강하여 제어 시스템에 널리 사용되며 특히 센서 및 엑추에이터 제어에서 흔히 사용된다.

(3) PWM (펄스 폭 변조)

• 펄스 폭 변조 신호는 신호 펄스의 폭을 변화시켜, 출력 전력을 조정하는 방식으로 LED 조명 밝기, 모터 속도 조절등에 이용한다.
• PWM은 전압 시스템에 따라 저전압 시스템 (3.3V, 5V, 12V) / 중간 전압 시스템 (24V, 48V) / 고전압 시스템 (100V 이상) 으로 분류 된다.
• 3.3V 및 5V : 임베디드 시스템 마이크로 컨트롤러
• 12V : 소형 모터 제어, LED 밝기 조절, 작은 기계 부품을 제어
• 24V : 산업용 제어 시스템에서 흔히 사용되는 표준 전압, 24V PWM 신호는 PLC 제어 시스템, 중형 모터 제어, 밸브 제어 및 기타 산업 자동화 장비에서 사용된다.
• 48V : 더 큰 모터나 산업기기에서 사용되는 경우가 있으며, 전기차의 서브 시스템이나 태양광 발전 시스템 등에서도 볼 수 있다.
• 100V 이상 : 고전력 산업 시스템에서 사용되며 대형 모터 제어, 전기 히터 제어 및 고출력 LED 시스템에서 PWM 신호로 사용된다. 이러한 전압은 대형 장비나 전력 전자 장치의 출력 제어에 적합하다.

(4) 릴레이 출력 (Relay Output)

• 산업에서 디지털 신호 (ON/OFF) 출력은 십중팔구 릴레이 출력으로 한다.
• 전기적인 연결을 통해 장치를 켜거나 끄는 데 사용된다. (그냥 ON/OFF 스위치로 봐도 무방하다)
• SSR이라고 해서 기계식이 아닌 다이오드를 활용한 전자식 릴레이도 있다.
• 전기적인 출력(전원이 실리지 않음)을 포함하고 있지 않기 때문에 무전원 출력(DRY) 이라고 한다.

(5) 트랜지스터 출력 (TR 출력)

출력 방식에 따라 SINK(NPN형), SORCE(PNP형)으로 분류된다.

• 전기적 신호 (전압)을 직접적으로 출력하는 방식으로, 릴레이와는 다르게 ON/OFF 디지털 신호를 출력한다.
• 릴레이와는 다르게 전원이 실린채로 전기적인 신호를 출력하므로 유전원 출력(WET)이라고도 한다.
• 고속 스위칭이 가능하고 PLC 또는 마이크로 컨트롤러의 출력으로 많이 활용된다. (PWM과 마찬가지로 출력 전압이 상이하나, 산업에서는 24V출력 MCU에서는 3.3V 또는 5V를 기본적으로 사용한다.)
• 당연하게 접근하는 제어 매커니즘이 조금 다를 뿐, PWM 출력과 다를바가 없다. (TR 출력을 고속 스위칭하면 PWM 신호...)
• 다만 실무 경험상 직접적으로 전력을 출력하는 특징을 가진 TR 출력 회로를 구성하기 위해서는 고전력 제어에 대비한 견고하고 사양이 높은 트랜지스터(BJT)나 MOSFET을 사용해야한다. (제어 장치의 전력공급도 그만큼 커야한다.)

(6) 통신 출력 (RS485/232)

• 데이터 통신 프로토콜 (보통 RS485/232) 을 사용하여 기계나 시스템간 통신으로 최적의 출력 신호를 설정한다.