제어공학

1. 개요[편집]

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制御工學
영어: Control Engineering
독일어: Regelungstechnik

제어 이론에 기반하여 동적 시스템의 동작이 원하는 대로 이루어지도록 하는 방법을 연구하는 공학의 한 분야.

미분방정식에서 나아가, 라플라스 변환이나 푸리에 변환 Z 변환과 같은 수학적 방법들이 동원되며, 이를 이용하여 제어를 해야 하는 대상(이하 플랜트)을 모델링하거나 근사화(approximation)한 모델링을 수행하고, 특정한 입력에 대하여 플랜트가 원하는 동작을 수행하도록 컨트롤러를 설계한다.
따로 제어(계측)공학과가 개설되기도 하는데, 이 경우 대학마다 기계공학쪽에 특화되어 있기도 하고 전기전자공학쪽에 특화된 커리큘럼이 짜여있기도 하다. 메카트로닉스, 공정제어의 바탕이 되는 학문 중 하나이다.

제어공학의 특징으로는 제어 엔지니어가 수학 및 엔지니어링 원리에 대한 기초와 광범위한 기술지식을 보유해야 한다는 특징이 있으며, 제어공학은 항공기, 우주선, 로봇, 제조시스템 등 현대 기술의 많은 영역에서 시스템 및 프로세스의 동작을 제어하는 데 사용되기 때문에 중요하다.

오래전부터 움직이는 모터, 로봇, 드론, 자율이동체 등 이 원하는 성능을 갖도록 고전적인 제어공학이 발전되어 왔다. 점차 시스템이 복잡해지고, 원하는 성능도 높아지면서, 고전적인 제어공학으로 해결하기 힘든 현실적인 제어 문제가 많이 등장하였다. 최근 기존 제어와 비슷한 피드백 형식으로 시스템을 학습하고 원하는 성능을 얻어내는 강화학습은 이런 도전적인 제어 문제 해결에 큰 역할을 하고 있다.

2. 상세[편집]

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표준 피드백(Feedback) 제어 시스템은 아래 블록 다이어그램과 같다.



예를 들어, 내가 원하는 각도를 입력하면, 그 각도만큼 모터가 작동하는 모터 위치 제어 시스템이라고 가정하자. 이때 플랜트(plant)는 모터가 되며, 컨트롤러(controller)는 디지털 마이크로 컨트롤러나 아날로그 컨트롤러가 된다. 구동기(actuator)는 컨트롤러에서 출력되는 신호를 플랜트의 입력 형식에 맞게 변환해 주는 장치이며, 컨트롤러가 디지털 컨트롤러라면 PWM이나 DAC와 같은 부품이 된다. 마지막으로 센서(sensor)는 이 경우 위치 제어이므로 모터의 각도를 감지하는 센서로, 증가형 엔코더나 절대형 엔코더, 혹은 경우에 따라 카메라를 이용한 영상처리장치나 자이로센서 등이 된다. 컨트롤러는 센서에서 계측된 내용을 신호로 받아, 내가 원하는 결과값(r)과의 차이를 입력으로 받는다.

컨트롤러의 대표적인 예로는 비례 제어기(Proportional controller), 비례적분 제어기(Proportional Integral controller), 비례적분미분 제어기(PID controller, Proportional Integral Differential controller) 등이 있고 이러한 제어기 관련내용은 제어 항목 참고.

위와 같은 블록 다이어그램은 보통 라플라스 변환으로 모델링된 함수들로 각 블록이 채워지며, 이를 하나의 블럭으로 통합하는 과정을 거쳤을 때 그 블록의 내용을 전달함수(transfer function)라 한다. 시스템의 출력은 아래 그림과 같이 전달함수의 특성에 따라 달라지며, 자세하게는 전달함수의 극점(pole)과 영점(zero)을 복소 평면에 배치했을 때의 그 위치에 따라 달라지며, 그에 따라 결과값의 안정도(stability)[1]나 반응속도, 정상 편차(steady state error)가 달라진다.



제어공학자는 전체 시스템의 출력이 원하는 대로 나오게 만들기 위해 컨트롤러의 특성을 수정하여 플랜트만 존재할 때와는 다르게 전체 시스템의 극점과 영점의 위치를 재배치한다.

3. 난이도[편집]

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기본적으로 미분방정식이나 라플라스 변환과 같은 공학수학 지식이 필요하며, 좀더 고급의 디지털 제어를 수행하려면 Z 변환에 대한 지식과 선형대수학에 대한 기초적인 지식이 추가적으로 필요하다. 그렇기 때문에 제어공학은 보통 3학년 즈음에 개설된다. 보통 학부생 수준에서는 디지털 제어를 공부하지 않고 졸업하는 경우가 더 많다. 그러나 디지털 제어를 공부한다고 하여도 그 내용이 직관적으로 빠르게 이해되지 않기 때문에 많은 학생들이 고생하는 과목이기도 하다. 덕분에 재수강도 엄청 많다. 게다가 제어를 수행할 때에 워낙 여러 경우의 수가 있다 보니 다 외울 수 없어 오픈북 시험을 치르는 경우도 있다. 하지만 오픈북은 그만큼 어렵게 낸다 덕분에 제어공학을 전공하려고 한다고 하면 다른 학생들이 그것만으로 우러러 보는 경우도 있을 정도이다. 사실 수학이 문제가 아니다. 모델링을 하려면 회로이론 전자회로(아날로그 opamp와 rlc) 정역학 동역학에 대한 깊은 이해와 진동학까지 알아야 한다.[2]

4. 진출 분야[편집]

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당연하게도 기계, 전기, 전자 분야로 가장 많이 진출한다. 그리고 이 세 가지 분야의 TO가 많기 때문에 확실히 취업률 자체는 좋은 편이다. 하지만 제어공학과 학부 졸업생의 경우 취업률 대비 대기업 취업률은 좋지 않다는 이야기도 있다. 이 때문에 대학원 진학을 생각하는 사람도 많은 편이다.

좋은 랩실에서 박사학위를 마친 경우에는 정출연, 대기업 등에 취직할 수 있다. 산업계에서든 학계에서든 현대 제어공학에 대한 수요는 늘 있기 때문이다. 학계는 말할 것도 없고, 산업계에서도 반도체 양산 시스템에 사용되는 제어공학이나[3] 항공우주나 자동차 분야의 자동제어 등이 있다.

5. 각종 시험에서의 출제[편집]

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국가기술자격시험의 경우, 전기기사, 전기공사기사, 철도신호기사 수험과목 중 하나가 제어공학이다. 다만, 단독과목이 아니고, 회로이론과 한 과목으로 묶여 있어서, 과목명이 회로이론 및 제어공학[4]이다. 그리고, 소방설비기사, 소방설비산업기사 전기분야의 경우, 단독 과목으로 출제되는 것이 아니고, 소방전기일반이라는 과목의 자동제어 부분에서 출제된다.

변리사 시험 2차 선택 과목 중 제어공학이 있다. 선택 과목을 제어공학을 한다고 제어공학 분야의 변리사가 되는 것은 아니다. 2018년부터 변리사 2차 선택과목은 총점에 합산되지 않고 50점만 넘으면 되는 Pass/Fail제도가 되었다. 따라서 제어공학 역시 50점만 넘으면 되기 때문에 방어과목이 되어 중요도가 떨어졌다. 다만 50점 미만도 50% 가까이 되기 때문에 마냥 쉬운 건 아니고 50점을 목표로 하기는 매우 불안하므로 7~80점을 목표로 열심히는 해야한다.[5]

각급 공무원 기술직 중 5급 및 7급 공무원에서 자동제어를 평가한다. 5급 기계직 및 전기직 공무원의 2차시험 선택과목으로서, 7급 기계직 공무원 직렬의 전공 4가지 과목(기계공작법, 기계설계, 물리학개론, 자동제어) 중 하나로 존재한다.

5급과 변리사는 비슷하면서도 약간 차이가 있다. 변리사의 난이도가 좀 더 높고, 설명 문제, 살짝 지엽적인 부분, 디지털 제어가 자주 출제되는 정도다. 5급의 경우 계산 위주로 진행되며, 2022~2002년도 시험 중 디지털 제어는 1~2문제밖에 없는 것으로 파악된다. 기시생 및 변시생 모두 둘 다 풀어보는 것이 좋을 것인데, 솔루션을 구글링으로 쉽게 찾을 수 있는 점이 해당 선택과목 선택의 매력이다.

6. 교재[편집]

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• 쿠오(Kuo), Kuo의 자동제어: 최신판 10판. 대학 교재로도, 고시 교재로도 많이 활용된다. 문제가 다른 교과서에 비해 아주 많이 실려있으며, 난이도는 중하~중상이다. 다른 교과서들은 이해를 위한 교과서라면 쿠오는 문제집처럼 활용하는 경우도 있다. 9판의 경우 솔루션이 돌아다니나, 10판의 경우 솔루션이 없고, 9판 솔루션에 있는 문제도 있으나 없는 문제도 꽤 있기 때문에 구매 시 주의를 요한다. 나이스, 오가타에 비교하면 steady-state error의 정의가 이 책 혼자만 달라서 혼동이 오기 쉽다. 디지털 제어는 수록되어 있지 않다.
• 나이스(Nise), 제어시스템공학: 최신판 8판. 난이도가 쉽고 설명이 친절하다. 디지털 제어(Digital Control)가 수록되어있다. 독학에 유용하다고 알려져 있다.
• 오가타(Ogata), 현대제어공학: 최신판 5판 수정판. 현대제어 부분(state-space)에서 쿠오와 나이스에 비해 강점이 있다. 최소차수관측기, 제어기-관측기 상태방정식, 관측기 전달함수(Y/U), LQR 제어, 축소행렬 리카티 방정식, 견실제어 찍먹 등이 그것이다. 전반적으로 쿠오 및 나이스보다 수학적 증명이 많고 자세하고 깊게 서술해 놓았으며, 내용 및 문제의 난이도 또한 두 교재보다 높은 편이다. 변리사 시험에 나온 불의타들이 대개 여기서 나왔으나, 막상 디지털 제어는 수록되어 있지 않다.
• 프랭클린(Franklin), 동적시스템 자동제어: 최신판 8판. 책 내용이 상당히 어렵다고 알려져 있다. 디지털 제어 및 비선형시스템의 안정도 판별법(랴푸노프)가 수록되어 있다.
• 도르프(Dorf), 최신제어시스템: 최신판 14판.이 책 또한 쿠오, 나이스보다 상급이다.
• Charles L. Phillips, H. Troy Nagle, Aranya Chakrabortty, 디지털 제어시스템: 최신판 4판. 이산시스템(Z변환)을 다루는데, 목차는 나이스나 오가타처럼 구성되어 있다고 생각하면 된다. 즉 시스템 모델링부터 상태공간모델까지 Z변환으로 구성돼있다. 사실 위에 있는 교재들만으로는 디지털 제어론을 깨우치기 어려운데, 이 책을 보면 기초가 탄탄히 쌓일 것이다.
• 김성중, 핵심이 보이는 제어공학: 최신판 개정판. 첫 장에는 제어공학의 기본 수학이 들어가 있어 해당 수학 지식을 배우지 않고 수강하거나 잊어버린 사람들도 여기서 따로 학습할 수 있도록 하였고 후반부에서는 근궤적 기법, 보드선도, 상태방정식을 이용하여 제어기를 설계하는 방법이 수록되어 있다. 연습문제는 기사 시험 응시자를 위해 객관식 위주로 수록되어 있다보니 대학생 시험에는 별 도움이 되지 않는다.

7. 기타[편집]

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CIA에서는 소련의 파이프라인을 폭파시키기 위해 자동제어 소프트웨어를 이용한 적도 있다. CIA 문서 참고.