자동제어 : 소개

전기전자공학의 중요한 분야 중 하나로, 시스템이 원하는 동작을 수행하도록 설계하고 관리하는 기술이다.

이 과목은 기본적으로 시스템의 동작을 자동으로 조절하거나 제어하기 위한 이론과 방법에 대해 배우게 된다.

 

자동제어의 이론과 실험

이론

- 시스템의 개념과 분류

- 시스템의 상태와 출력

- 제어의 개념과 원리

- 제어기의 종류와 설계 방법

- 제어시스템의 안정성

 

실험

- 오차 추종 실험

- 리셋 실험

- 루프 열림 실험

- 루프 닫힘 실험

- 시스템의 안정성 검증 실험

 

자동제어 과목을 배우는 내용

전기전자, 기계, 화학, 산업 등 다양한 공학분야에서 활용된다.

특히, 전자공학과에서는 로봇, 반도체 제조 공정, 항공기, 자동차, 전력 시스템 등 다양한 분야에서 자동제어 기술이 활용되고 있다.

 

수학, 물리, 전기회로 등 기초적인 공학지식을 바탕으로 배우게 된다.

특히, 미적분, 선형대수, 미분방정식등의 수학적 지식은 자동제어 과목을 이해하는 데 필수적이다.

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1. 시스템 모델링 : 실제 시스템의 동작을 수학적으로 표현하는 것입니다.

예를 들어, 전기회로, 기계적 구조, 경제모델 등 다양한 시스템들이 있다.

 

2. 전달함수와 상태공간표현 : 이는 선형시간불변시스템의 가장 일반적인 표현방법이다.

전달함수는 입력과 출력 사이의 관계를 주파수 영역에서 나타나며, 상태공간표현은 시간 영역에서 더 적합적인 방법으로 시스템 동작을 설명한다.

 

3. 안정성 분석 : 안정성은 제어시스템에서 매우 중요한 개념이다.

안정된 시스템은 작은 변화에 대해 유한한 반응만을 보여주며, 불안정한 시스템은 작은 변화에도 무한대로 증가할 수 있다.

 

4. PID제어와 최적제어 : PID제어는 가장 널리 사용되는 제어 알고리즘 중 하나로서 비례(P), 적분(I), 미분(D) 성분들로 구성된다.

최적 제어는 성능 지수를 최소화 하거나 최대화하기 위해 필요한 입력을 찾아내는 것이다.

 

5. 상태 추정 및 관찰자 디자인 : 때때로 우리가 원하는 모든 상태 정보를 직접 측정할 수 없다.

이럴 때 관찰자를 사용하여 필요한 정보를 추정할 수 있다.

 

6. 비선형 및 로버스트 제어 : 실세계의 많은 시스템들은 비선형성을 가지고 있다.

비선형 제어이론은 이러한 시스템들을 다루기 위해 개발 되었다. 

로버스트 제어는 모델링 오차나 외부 잡음에 대해 강인한 성능을 보장하는 제어 시스템 설계를 목표로 한다.

 

등등..

난이도

미분 방정식, 라플라스 변환과 같은 공학수학지식이 필요하다.

고급 디지털 제어 수행을 위해서는 Z변환에 대한 지식과 선형대수학에 대한 기초적인 지식이 추가적으로 필요하다.

 

내용이 직관적으로 빠르게 이해되지 않기 때문에 많은 학생들이 고생하는 과목이다.

수학뿐만 아니라 모델링을 하려면 회로이론, 전자회로 등에 대한 깊은 이해가 필요한 과목이다.

 

전공자들의 선호도

전공자들도 개인의 취향, 학습 스타일  그리고 전공에 대한 관심도에 따라 다르다.

수학적 모델링과 분석적 사고를 필요로 하는 복잡한 주제로 이런 유형의 문제 해결에 흥미가 있는 학생들은 이 과목을 매우 흥미롭게 느낄 수 있다. 또한, 이 과목은 로봇, 드론, 자율주행차량 등과 같은 첨단 기술을 이해하고 개발하는 데 필수적이므로 해당 분야에 관심이 있는 학생들에게도 매력적일 것이다.

그러나 반대로 수학이나 추상적인 개념에 어려움을 겪는 학생들은 자동제어 과목을 어렵거나 지루하게 느낄 수 있다.

 

자동제어 기술 발전

1. 인공지능(AI)과의 통합 : AI와 머신러닝 기술이 제어시스템에 점점 더 통합되면서, 시스템은 복잡한 환경에서도 더욱 강인하고 효율적으로 작동할 수 있게 된다. 예를 들어, Ai는 완전자율주행 차량이 복잡한 도로 상황을 이해하고 적절하게 반응하는 데 사용된다.

2. 사물인터넷(IoT)과 스마트 디바이스 : 센서와 액추에이터가 인터넷을 통해 서로 연결되면, 데이터를 실시간으로 수집하고 분석하여 시스템의 동작을 최적화하는 것이 가능해진다.

3. 생체 모방 학습(Biomimicry) : 자연 세계는 복잡한 문제를 해결하는 많은 해법을 제공한다. 과학자들은 생명체의 움직임과 행동을 모방하여 로봇이나 제어시스템을 개선하는 방법을 연구하고 있다.

4. 수량화 및 최소화 : 각 종 센서의 발전으로 인해 우리는 환경에서 얻는 정보량을 점차 증가시키고 있으며, 이 정보를 바탕으로 제어 알고리즘의 정확성과 안정성을 개선할 수 있다.

5. 에너지 최적화 : 에너지 소비를 줄이는 것은 지속 가능한 미래를 위해 중요하다. 제어이론은 에너지 사용량을 최소화하는 동시에 성능 요구사항도 만족시키는 방법들에 대해 탐색한다.

 

자동제어 과목을 공부하면 미래에 어떤 일을 할 수 있을까?

1. 제어 시스템 엔지니어: 여러 산업  분야에서 제어 시스템의 설계, 개발, 테스트를 담당한다. 이는 항공우주, 자동차, 에너지 생산 및 배급, 기계 설계등의 분야를 포함 할 수 있다.

2. 로봇공학자 : 로봇의 움직임과 작동을 제어하는 데 필요한 알고리즘과 시스템을 개발한다.

3. 시스템 아키텍트 : 복잡한 시스템이나 프로세스에 대해 전체적인 관점에서 설계와 최적화를 담당한다.

4. 소프트웨어 엔지니어 : 소프트웨어 관련 직책에서도 제어 이론이 중요할 수 있다. 예를 들면 자율 주행 차량의 소프트웨어 개발하는 역할이 있다.

5. 데이터 사이언티스트 : 데이터 사이언스는 모델링 및 최적화 문제와 깊은 연관성이 있는데 이들 문제는 종종 제어 이론의 원칙에 기반한다.

6. 리서치 엔지니어/과학자 : 학계나 연구기관에서 신규 알고리즘과 방법론에 대해 연구하며 더 나은 제어전략을 탐색한다.

7. 생산/제조 엔지니어 : 생산라인의 효율성과 안정성을 높이기 위해 공정 제어시스템을 설계하고 유지 보수한다.