화공기사 제어계(Control system) — 구성요소와 용어

제어계에서 제어오차(Error)는 설정점(설정치, Set Point)과 실제 출력값(피드백 신호 또는 측정값)의 차이로 정의된다. 이 오차를 계산하고 다음 제어 동작을 결정하는 주체는 제어기(Controller)이며, 비교기 기능이 제어기 내부에 포함되어 오차를 생성한다는 관점으로 이해한다.

피제어 변수의 목표값은 설정치(Set Point)라고 부른다. 설정치와 실제 측정값의 편차가 오차이며, 외란이나 부하(load)는 시스템 동작에 영향을 주는 외부 요인으로 구분한다. 설정치를 시간에 따라 추종하는 문제는 서보 문제이고, 설정치를 일정하게 유지하면서 부하 변동에 대응하는 문제는 레귤레이터 문제라는 분류를 사용한다.

되먹임 제어(Feedback Control, 폐회로)는 출력 신호를 입력측으로 되돌려보내 설정값과 비교함으로써 오차를 검출하고 보정하는 방식이다. 되먹임을 통해 폐루프의 극 위치를 이동시켜 개루프보다 응답 속도를 빠르게 할 수 있다는 점을 주요 효과로 설명한다. 다만 되먹임이 항상 안정성을 보장하지는 않는다는 점을 구분해야 한다.

제어계의 구성 흐름은 검출-비교-조절-조작으로 나타난다. 검출부는 센서로서 실제 값을 측정하고, 비교부는 설정치와 측정값을 비교하여 오차를 산출하며, 조절부는 오차를 바탕으로 제어 신호를 생성하고, 조작부(최종 제어 요소)는 그 신호를 받아 공정 변수에 직접적인 물리적 변화를 일으킨다. 기획부와 같은 운영·관리 차원의 개념은 제어 루프의 구성 요소에 속하지 않는다.

편차(offset)는 정상상태에서 설정값과 실제 출력값 사이에 남아 있는 차이를 의미한다. 비례 제어기만 사용하는 경우 정상상태 오차가 남을 수 있으므로 편차의 개념을 구분하여 이해해야 한다.