제어기[controller]

1. 폐루프 제어(Closed-Loop Control) : 피드백 제어

폐루프 제어

제어 대상값 Y(s)를 입력으로 피드백(Feedback)해서 그 목표 값 R(s)와 비교하여 그 오차가 작아지도록 제어 입력 값 U(s)를 변경하는 제어 방법이다.

이 경우 피드백을 위한 제어 대상 값의 검출용으로 센서가 필요하다.

폐루프 제어에서는 오차를 감소시켜주는 피드백 제어기 Gc(s)의 역할이 매우 중요하다.

 

(1) 비례(Proportional, P) 제어기

비례제어기

비례 제어기는 현재 오차 e(t)(=r(t) - y(t))에 비례한 제어 입력값 u(t)를 출력한다.

따라서 오차가 크면 제어 입력 값이 커지고, 작으면 제어 입력 값이 작게 된다.

그 정도는 비례 이득(Gain) Kp에 의해 다음처럼 결정된다.

제어 입력값 u(t)

비례 제어기는 오차의 크기와 부호에 바로 반응하여 제어 입력 값을 결정하므로 오차가 발생한 경우에 이에 대응하는 속도가 빠르다는 장점을 가진다.

 

장점 : Kp를 크게 할수록 응답 특성이 빨라져 속응성이 좋다 할 수 있지만 제어입력 값의 한계로 인해 제한이 있다.

단점 : 오차가 있는 경우에만 제어 입력 값이 출력되기 때문에 언제나 정상상태 오차가 존재한다. 

=> 오차가 영인 경우에는 제어 입력 값이 영이 되므로 다시 오차가 발생하게 되는 구조가 된다.

 

(2) 적분(Integral, I) 제어기

적분제어기

오차 e(t)를 적분하여 제어 입력 값 u(t)를 결정한다.

현재의 제어 입력 값을 결정하는 데에 현재 오차뿐 만아니라 과거의 오차들까지도 반영된다는 것을 의미한다.

 

제어 입력값 u(t)

그림에서 Ki는 적분 이득이며, Te(= Kp/Ki)는 적분 시정수이다.

 

장점 : 비례 제어기의 단점인 정상상태 오차를 제거할 수 있다.

현재 오차가 영이더라도 적분 제어기에서는 누적된 과거 오차의 정보로부터 일정한 제어입력 값이 계속 유지되기 때문이다.

(Ki가 클수록 오차가 영으로 수렴하는 속도는 빨라지지만 제어 입력 값의 크기에는 한계가 있어 적분 이득을 크게 하는데 한계 존재)

단점 : 적분 제어기만을 단독으로 사용하는 경우에 누적된 오차 값 때문에 오차의 방향이 달라질 때 이에 대응하는 속도가 빠르지 않다.

 

(3) 비례 적분(Proportional-Integral, PI) 제어기

비례적분 제어기

비례 적분 제어기는 빠른 응답 특성을 보이면서 정상상태 오차를 제거할 수 있다.

 

입력값 u(t)

비례적분 제어기의 경우 오차 발생 시 비례 제어 동작에 의해 즉시 제어 입력 값이 변동되며 오차가 영이 되면 적분 제어 동작에 의해 그 제어 입력 값이 계속 유지된다.

 

2. 전향 제어(Feedfoward Control)

전향 제어 기법은 외란 특성을 개선시키는데 사용하는 방법이다.

feedback controller & feedforward controller

전향 제어의 예로 전동기의 전류 제어 시에 외란 역할을 하는 역기전력 전향 보상을 들 수 있다.

전류 제어 시 속도에 따라 변동하는 역기전력을 전향 제어를 통해 미리 반영해 줌으로써 피드백 제어만을 사용하는 경우보다 전류 제어 성능을 크게 향상 시킬 수 있다.