전 세계 모든 사람은 자신도 모르게 제어 시스템을 사용해 본 적이 있을 것입니다.
크게 Open Loop 시스템과 Closed Loop 시스템으로 구분하는데 그 차이점에 대해 알아보겠습니다.
우리 모두는 어떤 형태로든 제어 시스템을 사용합니다.
집을 따뜻하게 하는 전기 히터의 스위치일 수도 있고, 아침 출근을 위해 차에 시동을 걸 때일 수도 있습니다.
일반적인 제어 시스템은 입력 및 출력 단계로 구성되며, 입력 신호가 주어지면 프로세서의 설정에 따라 동작이 실행됩니다.
전기 히터를 다시 살펴보면, 이는 간단한 Open Loop 시스템의 좋은 예입니다.
여기서 입력은 스위치를 켜거나 끄는 것입니다.
스위치가 켜지면 프로세스의 설정에 의해 전기가 전달되어 히터를 가열하는데 이것은 출력입니다.
이 간단한 예를 통해 입력과 프로세서, 출력을 이해했습니다.
이는 제어 시스템의 기본입니다.
전기 히터는 매우 간단한 Open Loop 시스템입니다.
'Open Loop'라는 용어는 히터의 온도를 제어하는 피드백이 없다는 것을 의미합니다.
스위치를 켜면 히터가 낼 수 있는 최대 수준까지 계속 뜨거워져 온도가 유지됩니다.
우리가 원하는 최적의 온도를 맞출 수 없습니다.
이 제어 시스템이 온도를 더 잘 조절할 수 있도록 하려면 어떻게 해야 할까요?
Closed Loop 시스템을 도입하면 됩니다.
실내가 우리가 원하는 최적의 온도까지 오르면 이를 인식하고 히터를 끄고, 다시 온도가 나려 가면 히터를 켜는 것을 반복하면서 원하는 온도를 유지할 수 있습니다.
이를 구성하기 위해서는 몇 가지가 필요한데 그중 가장 중요한 것은 프로세스에 현재 상태를 보고하는 feedback 센서입니다.
히터의 경우 온도계가 될 가능성이 높습니다.
이렇게 하면 실내 온도를 읽어 적절한 수준에 도달했는지 알 수 있습니다.
시스템에 피드백 루프를 추가하면 입력 사항의 변경이 필요합니다.
이제 시스템을 켜거나 끄도록 작동하는 스위치 대신 원하는 설정값을 입력해야 합니다.
이렇게 하면 프로세스는 현재 온도와 설정값의 차이를 계산하여 출력을 제어합니다.
자동차 산업을 비롯한 모든 산업 공정, 일상생활에서 Closed Loop 시스템은 보다 정밀하고 정확한 제어를 가능하게 합니다.
이를 달성하는 방법은 PLC와 같은 컨트롤러를 사용하는 것입니다.
컨트롤러는 비례, 적분 및 미분(PID) 연산을 통해 빠르고 정확한 제어를 수행합니다.
이에 관해 자동차 운전을 예로 보겠습니다.
비례 제어는 원하는 속도에 도달할 수 있게 도와줍니다.
이는 현재 속도가 설정한 속도가 아니라는 것을 알고 가속 페달을 밟거나 속도가 너무 높으면 꺼집니다.
미분 제어는 속도를 변경해야 한다는 것을 알고 있을 때 사용하는데, 앞에 가파른 언덕이 있고 언덕을 오르는 속도를 유지하기 위해 가속 페달을 밟을 대 가장 잘 설명됩니다.
속도가 크게 변하면 비례 제어가 이러한 수정을 수행하고, 속도를 갑자기 변경해야 할 때는 미분 제어가 이를 대신 수행합니다.
반면 적분 제어는 현재 속도에서 오차를 지속적으로 더하고 원하는 속도에 비례하는 피드백을 제공합니다.
서로 결합하여 사용하면 크루즈 컨트롤을 달성할 수 있습니다.
이것은 비례 제어를 사용하여 자동차를 올바른 속도로 유지하고, 비분 제어를 사용하여 자동차가 반등하는지 확인하고, 적분 제어를 사용하여 차이를 지속적으로 모니터링합니다.
PID 루프는 테슬라에서 생산하는 새로운 전기 자동차로부터 온도가 일정하게 유지되어야 하는 슈퍼마켓의 냉장고 시스템에 이르기까지 모든 유형의 제어 시스템에 사용됩니다.
이처럼 우리가 사용하는 알지 못하는 다양한 곳에 Closed Loop 시스템이 적용되어 있습니다.
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