1 장 시스템 모델링 및 제어의 개요 2 장 동적 시스템의 주파수역 모델링 3 장 동적 시스템의 시간역 모델링 4 장 제어시스템의 성능 및 안정도 5 장 근궤적법

2. 시스템 모델링 및 제어 1장 시스템 모델링 및 제어의 개요 2장 동적 시스템의 주파수역 모델링 3장 동적 시스템의 시간역 모델링 4장 제어시스템의 성능 및 안정도 5장 근궤적법 6장 주파수응답 해석 7장 제어시스템 설계 8장 상태공간 해석 및 설계 9장 디지털 제어시스템

3. -1장- 시스템 모델링 및 제어의 개요

4. Contents 1.1 서론 1.2 제어공학의 역사 1.3 시스템 및 제어에 관한 기본용어 1.4 피드백과 그 효과 1.5 제어시스템의 분류 1.6 제어시스템의 응용 1.7 제어시스템의 미래 1.8 제어시스템의 설계절차 - 1 -

5. 1.1 서론 ◆공학 • - 창조적, 전문적 활동 • - 과학적 지식(know-that) 과 기술(know-how) 개발 및 적용 • - 사회적 욕구(know-why; 공학 문제 설정의 출발점) 충족 • 성능, 경제, 환경(인간), 정치, 법(윤리), 문화, 예술적 제한조건 등 삶의 문제를 종합적으로 고려 •  창조(능력) * 사랑(자세) =파워( ) ◆제어공학의 목표 - 기계의 지능화 - 제품의 고부가가치화 - 생산성 향상 ※ 제어시스템(control system) 없이, 신기술(new technology)은 없다. - 2 -

6. 1.2제어공학의 역사 ◆제어공학의 역사 • 고전제어(1955년 이전) • •주파수역 제어기법 • •단일입출력 시불변 시스템에 적용 • •모델식: 전달함수 • 현대제어(1955-1975년) • •시간역 제어기법 • •일반적인 시스템에 적용 • •모델식: 상태공간모델식 • 후기 현대제어(1975년 이후) • •시간 및 주파수역 제어기법 (강인 • 제어기법)/ 인공지능 제어기법 • •일반적인 시스템에 적용 • •모델식: 상태공간모델식 및 전달함수 • 행렬/ 퍼지추론, 신경회로망, 유전 • 알고리즘 표 1.1제어시스템 발전의 역사 - 3 -

7. 1.3시스템 및 제어에 관한 기본용어 그림 1.1표준 피드백 제어시스템 G(s) : 제어 대상 시스템인 플랜트 또는 프로세스 K(s) : 오차신호에 따라 적절한 제어입력을 생성하는 시스템인 제어기 또는 보상기 r(s) : 목표값 또는 요구값을 나타내는 기준입력, 명령입력, 또는 목표입력 d(s) : 외부로부터 제어변수를 교란시키는 외란입력 n(s) : 센서를 통하여 가해지는 센서잡음입력 y(s) : 관심 있는 시스템의 변수인 출력 e(s) : 기준입력과 측정된 출력의 차이로 생기는 오차신호 u(s) : 플랜트를 조작하기 위한 신호인 제어기에서 생성된 제어입력 - 4 -

8. P (s): 포워드 제어기 또는 프리필터 F (s): 피드포워드 제어기 그림 1.2포워드, 피드포워드 및 피드백 제어시스템 (1)시스템 - 시스템: 어떤 주어진 목적을 달성하기 위하여 상호작용을 하는 여러 개의 요소 또는 부품 들이 모여 하나의 복합체를 이루고 있는 실체 -환경: 시스템 경계 밖, 주위 외곽 (2) 정적 및 동적 시스템 - 정적시스템: 에너지 저장요소를 포함하지 않으므로 출력이 가해진 입력에 따라 결정 되며 시간에 따라 변하지 않는 시스템 -동적시스템:에너지저장요소를 포함하고 있어 과거의 입력이 현재의출력에 영향을 주게 되어 입력이일정하거나 제거되어도 출력이 시간에 따라 변하는 시스템 - 5 -

9. (3) 개루프 및 폐루프 제어시스템 - 개루프제어시스템: 플랜트의 출력이 제어입력을 생성하는 제어기에 아무런 영향을 주지 않는 제어시스템 - 폐루프 또는 피드백제어시스템: 플랜트의 출력을 피드백 하여 기준입력과 비교하여 그 차이가 없어질 때까지 계속 제어 할 수 있는 제어시스템 그림 1.3 개루프 제어시스템 그림 1.4폐루프 제어시스템 - 6 -

10. (4) 단일입출력 및 다변수 제어시스템 - 단일입출력 제어시스템:입력 및 출력이 단일변수인 제어시스템 - 다변수 제어시스템: 입력 및 출력이 2개 이상의 다변수인 제어시스템 그림 1.5다변수 제어시스템 - 7 -

11. 1.4피드백과 그 효과 ◆ 피드백 제어시스템의 예: 자동 난방장치 그림 1.6자동 난방장치 제어목적 : 제어대상인 방의 온도 20℃ 유지  20℃ 기준입력 실제온도가 20℃되지 않으면 그 오차에 의한 신호 발생  보일러 가동, 열 공급 방의 온도 점차 상승하여 20℃ 도달  오차신호 0  보일러 가동 중단 외부로 열 누출  방의 실제온도 하락, 오차 발생 보일러 재 가동 - 이러한 동작이 자동적, 지속적으로 이루어짐  요구온도 유지 • 실제온도(출력)와 요구온도(기준입력)를 비교하여 그 오차를 제어입력에 반영하는 과정 •  피드백 - 8 -

12. ◆ 피드백의 장점 - 시스템의 불확실성(모델링 오차 및 외란)에 대한 안정도 및 성능 강인성 • •시스템의 불확실성 존재하지 않는다면 피드백이 필요 없음 • - 시스템의 성능 향상 - 불안정한 시스템  안정한 시스템 - 비선형 시스템에 대해 넓은 작동범위에서 선형성 증대 • 경제적 문제 • •센서 장착에 의한 추가 비용 •시스템 복잡성에 의한 보수 유지비 - 안정한 시스템  불안정한 시스템 •안정도 문제 제어설계기법으로 보완 ◆ 피드백의 단점 - 9 -

13. ◆ 개루프 및 폐루프 제어시스템의 성능-강인성 -개루프 제어시스템의 성능-강인성 (1.1) (1.2) 여기서 : 모델링 오차 (1.3) 개루프 제어시스템의 성능-강인성 식 (1.5) -폐루프 제어시스템의 성능-강인성 (1.6) (1.7) 폐루프 제어시스템의 성능-강인성 식 (1.8) - 10 -

14. 1.5제어시스템의 분류 -시스템 특성에 따른 분류: 선형 및 비선형 제어시스템, 시변 및 시불변 제어시스템 - 신호 특성에 따른 분류: 연속시간 및 이산시간 제어시스템 - 구성 부품에 따른 분류: 기계, 유압, 열, 전기, 및 생체 제어시스템 - 제어 목적에 따른 분류: 위치 및 속도 제어시스템 그림 1.7시스템 방정식과 입력의 형태에 따른 제어시스템의 분류 - 11 -

15. 1.6제어시스템의 응용 ◆속도 제어시스템 - J. Watt가개발한 제어개념을 이용한 최초의 공학적인 제어시스템 - 흡입되는 증기량에 따라 증기기관의 속도 변화 증기량 조절을 위한 밸브 설치 - 밸브와 출력축 사이에 속도제어봉 연결  출력축의 각속도에 의해 발생되는 원심력 이용 일정한 속도 유지 그림 1.8증기기관의 속도 제어시스템 - 12 -

16. ◆로봇 제어시스템 - 로봇은 컴퓨터로 제어되는 기계이며 자동화와 관련된 다양한 기술이 포함되어 있다. •산업용 로봇: 인간의 노동을 대신하는 자동화된 기계(로봇) •지능 로봇: 인공지능에 의해 두뇌의 기능을 가진 로봇, 일반적으로 시각, 촉각, 청각 등으로 자기 판단과 그에 대응하는 작동을 할 수 있음 그림 1.19 사람의 형태를 한 춤추는 로봇 그림 1.18 수술용 로봇 ‘다빈치’ - 13 -

17. ◆제어시스템 연구실(control.pnu.edu)의 연구분야 - 차량 시스템 •자동차: 엔진/트랜스미션 제어 •기차: 제동장치 제어 •자기부상열차: 현가장치 제어 •비행체(미사일): 운동제어 •수중운동체(잠수함): 운동제어 - 생산 시스템 •압연공정: 장력제어, 형상제어 •밀링머신: 위치제어 - 유공압 시스템 •전기-유압 일체형 구동기(EHA) •공압 댐퍼 시스템 - 로봇 시스템 •로봇 매니퓰레이터 •청소 로봇 - 14 -

18. 1.7제어시스템의 미래 - 제어시스템의 목표: 시스템의 유연성 및 자율성 증대 그림 1.21 제어시스템과 로봇의 미래 - 15 -

19. 1.8제어시스템의 설계절차 (1) 수학적 모델링 - 실제 물리시스템을 수학적인 식으로 표현  경제적으로 제어시스템 설계를 수행  생산성 향상 - 전달함수 또는 상태공간모델식으로 표현 • 모델링 과정에서 모델링 오차에 의한 시스템의 불확실성을 고려해야 함 •  실제 제어시스템의 성능 및 안정도-강인성 문제가 중요함 - 수학적 모델링 방법 •블록선도(block diagram) •신호흐름선도(signal flow graph) •본드선도(bond graph) •선형선도(linear graph) •전달행렬방법(transfer matrix method) - 16 -

20. (2) 시스템 해석 • 시스템의 안정도 및 성능을 예측하고 검토하는 과정 • - 안정도 평가 •공칭안정도: 공칭 모델 •안정도-강인성: 모델링 오차 를 고려한 실제 모델 - 성능 평가 •명령추종성능: 출력  기준입력 •외란제거성능: •센서잡음에 대한 저감도: •성능-강인성: - 17 -

21. (3) 제어시스템의 설계 및 구현 - 제어시스템 설계방법 •비례-적분-미분(PID)제어기 설계방법 •앞섬/뒤짐(lead/lag)제어기 설계방법 •고유구조(eigenstructure)를 이용한 제어기 설계방법 •LQ 제어(linear-quadratic control)설계방법 •LQG 제어(linear-quadratic Gaussian control) 설계방법 •LQG/LTR 제어(linear-quadratic Gaussiancontrol with loop transfer recovery) 설계방법 •제어기 설계방법 •기술함수(describing function)를 이용한 제어기 설계방법 •입출력 선형화를 이용한 제어기 설계방법 •슬라이딩모드제어(sliding mode control) 설계방법 •적응제어(adaptive control) 설계방법 •지능제어(fuzzy, neural network, genetic algorithm) 설계방법 - 18 -

22. 그림 1.22제어시스템의 설계흐름도 - 19 -