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도도한 쭌냥이
1. 글을 시작하며
안녕하세요. 글 쓰는 아빠 도도한 쭌냥이입니다.
오늘 풀어볼 문제는 자동제어 관련 문제입니다. 저는 대학교를 다닐 때부터 지금까지 오직 기계공학만 했습니다. 그렇다 보니 자동제어는 조금 어렵다는 생각이 드네요. 하지만 시험 보는 사람이 어렵다고 안 풀 수는 없잖아요. 힘내서 풀어 보도록 하겠습니다.
2. 자동제어의 분류
자동제어는 제어 동작에 따라 분류합니다. ON-OFF 제어, 비례(P) 제어, 적분(I) 제어, 비례적분(PI) 제어, 미분(D) 제어, 비례적분미분(PID) 제어로 크게 6가지로 분류할 수 있습니다. 각각의 특징을 알아보겠습니다.
2.1 ON-OFF 제어
[특징]
- 간단하고 직관적인 제어가 가능합니다.
- 구현이 간단하기 때문에 비용이 저렴합니다.
- 시스템의 활성화 또는 비활성화 이렇게 단순하게 구성되기 때문에 반응 속도가 빠릅니다.
[장점]
- 시스템 구성이 간단합니다.
- 오류 발생 가능성이 낮아 신뢰성이 높습니다.
[단점]
- 연속적인 제어가 아니기 때문에 최대 부하 또는 최소 부하에만 대응할 수 있어 온-오프 방식 제어 시스템이 적용되면 에너지 소비가 과도해집니다.
- 정확한 제어가 어렵습니다.
- 진동이나 오버슈트*가 발생합니다.
- 민감성이 떨어지기 때문에 시스템의 미세한 변화에 대응이 어렵습니다.
2.2 비례제어
[특징]
- 제어 입력값의 오차에 비례하며, 오차가 크면 더 큰 제어 입력이 발생합니다.
- 구현이 간단하며, 제어 입력과 오차 간의 선형 관계로 이해가 쉽습니다.
- 오차에 신속하게 반응하기 때문에 심스템의 응답 속도를 높일 수 있습니다.
[장점]
- 간단한 시스템에서 안정적인 시스템 운용이 가능합니다.
- 오차가 발생 했을 때 민감하게 반응할 수 있습니다.
- 구현이 간단합니다.
[단점]
- 비례 제어만으로는 목표값에 도달하는 것이 어렵습니다.
- 외부 간섭이나 시스템의 변동이 클 경우 제어가 어렵습니다.
- 동적이거나 복잡한 시스템에 적용은 어렵습니다.
2.3 적분제어
[특징]
- 오차의 누적값을 활용하여 최종 제어 목표치까지 시스템을 계속 조절합니다.
- 원하는 목표값에 안정적으로 수렴하는 특징이 있습니다.
- 상수 오차를 보정하는데 유용합니다.
[장점]
- 시스템 불확실성을 보상합니다.
- 시간에 따른 누적 오차를 사용하기 때문에 정적 오차를 감소시키는데 효과적입니다.
[단점]
- 누적 오차 사용으로 시스템 응답속도가 상대적으로 느려질 수 있습니다.
- 초기에 큰 오차가 발생하면 목표값에 수렴하는데 시간이 오래 걸릴 수 있습니다.
2.4 비례적분제어
[특징]
- 비례제어와 적분제어를 결합한 제어 알고리즘입니다.
- 초기 오차 감소와 정적 오차 보정이 가능합니다.
- 비례제어는 빠른 응답속도와 안정성을 제공하며, 적분제어는 정적 오차를 감소시켜 정확한 제어를 가능하게 합니다.
[장점]
- 정적 오차가 감소합니다.
- 불확실한 환경에서도 안정적인 시스템 운용이 가능합니다.
- 초기 오차가 감소합니다.
[단점]
- 적분제어가 과도할 경우 오버슈팅이나 시스템 불안정성 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
- 적분 항이 오차를 누적하기 때문에 응답 속도가 느려질 수 있습니다.
- 파라미터 설정이 어렵습니다.
2.5 미분제어
[특징]
- 단독으로 사용하는 경우가 없습니다.
- 오차의 기울기에 따라 제어 입력을 조절합니다.
- 오차의 변화율을 고려하므로 시스템이 빠른 응답 속도를 가질 수 있습니다.
- 오차에 빠르게 반응하므로 시스템의 안정성을 향상할 수 있습니다.
[장점]
- 빠르게 오차를 감소할 수 있습니다.
- 불확실성에 빠르게 대응할 수 있습니다.
- 오버슈트를 감소시킬 수 있습니다.
[단점]
- 미분 제어는 현재 오차의 변화율에 의존하기 때문에 미래의 시스템 상태를 정확하게 예측하기 어렵습니다.
2.6 비례적분미분제어
[특징]
- 비례, 적분, 미분 세 가지 항을 조합함으로써 시스템의 동적 특성, 안정성, 정확성을 조절할 수 있는 종합적인 제어 방법을 제공합니다.
- 안정적이고 빠른 응답속도를 제공합니다.
- 모든 제어 방식 중 가장 우수한 제어 방법입니다.
[장점]
- 안정성과 빠른 오차 감소를 제공합니다.
- 외부 간섭에 대하여 안정적입니다.
[단점]
- 구현이 복잡하기 때문에 비용이 많이 듭니다.
3. 글을 마치며
대학교 자동제어 시간에 배운 내용들이 새록새록 기억이 납니다. 다행히도 그때 안 자고 들어 뒀던 내용들이라 쉽게 정리할 수 있었습니다. 131회 문제 풀이가 거의 막바지에 다다르고 있습니다. 2문제 정도 남은 것 같네요. 남은 문제들도 최선을 다해서 풀어 보도록 하겠습니다.
끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.
도도한 쭌냥이
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