제어계측공학 ()
정의
제어기를 구현하기 위하여 필요한 기술들을 연구하는 학문.
내용
기계가 인간을 대신하기 위해서는 기계 스스로 작동을 조작해야 한다. 이를 위해서는 작동결과를 감지(sensing)하여 오류를 인식하고 새로이 제어(control) 명령을 내릴 수 있는 두뇌역할을 하는 장치가 필요하다.
이러한 장치를 제어기(controller)라고 부르는데, 기본적으로 제어기는 되먹임 제어(feedback control) 방식에 기초하고 있다. 이를 위해서는 작동결과를 감지하는 것이 필수적이며, 이 기술이 계측기술이다. 계측된 정보를 이용하여 올바른 작동을 하기 위해 새로운 제어 명령을 만들어 내는 기술이 제어기술이다. 제어계측공학은 이 두 가지 기술을 결합하여 자동제어기기를 구성하는데 필요한 학문적인 이론을 제공한다.
계측기술은 전류·전압측정, 온도측정, 압력측정, 위치측정, 속도측정 등 수많은 계측분야를 포함하며, 이는 모든 공학분야의 지식과 전자 측정기술이 결합되어 이루어진다.
제어공학은 측정되어 되먹임된 정보를 기반으로 바람직한 제어명령을 생성해 내는 알고리즘 및 이 알고리즘을 수행하는 제어기기 부분으로 나눌 수 있다.
제어공학의 핵심은 알고리즘 부분이며, 이를 체계적인 학문으로 연구한 것이 제어이론(control theory)이다. 제어이론은 실제 시스템을 수학적으로 표현하고 해석하며, 이에 적합한 제어 알고리즘을 설계하는 기법들을 제공한다.
현재까지 시스템 이론, 되먹임제어, 최적제어, 예측제어, 강인제어, 비선형제어 등 기본적인 제어이론에서부터 적응제어, 학습제어, 뉴로제어, 퍼지제어 기법의 지능제어 이론에 이르기까지 다양하고 수준 높은 이론들이 연구되어 왔다.
제어기기는 공기식·유압식·전기식·전자식 기기를 개발하는 연구를 내용으로 한다. 공기식은 공기원을 얻기가 쉽기 때문에 이용범위가 넓고, 배관 및 설치도 비교적 간단하지만, 검출이나 조작이 늦어서 기대하는 특성을 얻을 수 없다.
유압식은 서보계에서 많이 사용하고, 공정제어에는 많이 사용하지 않는다. 이 방식은 유압원을 특별히 준비하고 유압배관의 변화가 많아서 다루기가 힘들지만, 조작속도가 빠르고 조작힘이 크다는 장점이 있다.
전기식과 전자식은 전자공학 기술 등의 발전에 의해 기기의 신뢰성과 수명이 향상되었을 뿐만 아니라, 신호전송의 지연이 없고 취급이 용이하며 융통성도 많다.
따라서, 여러 분야에서 이 방식을 채택하고 있으며, 기존의 아날로그 방식의 기기는 디지털 방식의 기기로 대체되고 있다. 또한, 최근에는 컴퓨터의 신뢰성이 향상되어 컴퓨터를 제어장치로서 직접 제어에 이용할 수 있게 되었다.
제어계측공학은 로봇산업, 의료산업, 복지산업, 국방산업, 전기에너지산업, 반도체산업, 통신산업, 금융산업, 제조산업, 운송산업, 오락·게임산업, 레저산업, 유통산업, 농수산업 등 다양한 산업분야에서 자동화, 생산합리화와 고품질의 제품 생산에 공헌하고 있다.
구체적 응용시스템을 살펴보면 각종 홈 오토메이션 제품, 엘리베이터, 자동차, 항공기, 물류 시스템, 제조 공정, 로봇, 각종 공작 기계, 반도체 공정 장비, 송·변전 시스템, 전기·가스 공급 시스템, 지능 고장 진단 시스템, 공정 감시 시스템, 지능 계측 시스템, 무인공장, 무인운송 차량, 자동방위시스템, 산업로봇, 의료로봇, 복지로봇, 오락로봇, 지능로봇 등을 들 수 있다.
제어응용에서는 컴퓨터제어 및 수치제어가 실용화되어 철강·전력·기계·화학·자동차 등 다양한 산업분야에서 생산합리화와 고품질의 제품 생산에 공헌하고 있다.
우리 나라를 포함한 중국 문화권에서는 농경문화가 발달하였기 때문에, 왕이 수행할 중요한 임무 중의 하나는 시간을 관측하여 백성들에게 농사지을 시기를 알려 주는 일이었다. 따라서, 고대 제어계측의 역사는 시간측정의 역사라고 할 수 있다.
≪삼국사기≫와 같은 문헌들로부터 미루어 보면, 삼국시대에 서력 기원을 전후하여 해시계를 사용한 것으로 추측된다. 신라 선덕여왕 때에 축조된 첨성대는 가장 오래된 천문관측대로서, 고대 관측의 역사를 보여주는 대표적인 유적이다.
고려시대에는 원나라로부터 선진 과학기술을 받아들였으며, 수시력(授時曆)을 채용한 것으로 보아 정밀한 시간 계측이 이루어졌음을 알 수 있다.
조선시대에는 1434년(세종 16)에 우리 나라의 대표적인 물시계라고 할 수 있는 자격루(自擊漏)가 제작되어, 조선조의 공식 표준시계로 사용되었다.
자격루는 시간을 측정하는 물시계와 지정된 시각을 자동적으로 알려주는 시보장치(時報裝置)로 구성되어 있다. 시보장치는 시청각 신호모델을 사용한 장치로, 매 시간마다 종을 울리는 기계인형과 종을 울리면 그것이 무슨 시(時)인가를 알려주는 종표(鍾表) 기구로 되어 있다.
이 기구는 우리 나라의 전통적인 기술과 중국 기술의 영향을 받은 것 외에도 육로와 해상 비단길을 통해 전래된 것으로 보이는 비잔틴 및 이슬람 세계의 기술이 사용된 조선시대의 대표적인 자동제어시스템이다.
최초의 되먹임제어 시스템은 기원전 300년부터 1년까지 그리스에서 사용한 부표조정기(float regulator)를 들 수 있다. 크테시비오스(Ktesibios)가 개발한 이 부표조정기는 그 당시의 물시계와 기름등잔에 사용되었다.
기원 후 1세기에는 알렉산드리아의 헤론(Heron)이 ≪뉴매티카 Pneumatica≫라는 책을 발간하여 부표조정기를 사용한 여러 가지 수위기구들을 설명하였다. 기원 후 17세기에 유럽에서는 온도조정기와 증기보일러를 위한 압력조정기가 개발되었다.
산업공정에 처음으로 사용된 되먹임제어 시스템은 1769년에 와트(Watt, J.)가 증기기관의 속도를 제어하기 위하여 개발한 속도조정기(flyball governor)이다.
1868년 이전까지의 제어시스템 연구는 직관적인 방법에 의존하였다. 그러나, 제어시스템의 정확도를 높이려고 할 때, 시스템이 불안정해지는 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위해 제어이론의 개발이 필요하게 되었고, 맥스웰(Maxwell)은 속도조정기의 미분방정식 모델을 이용하여 제어이론에 관련된 수학이론을 정립하였다.
라우스(Routh)는 맥스웰의 이론을 확장하였고, 러시아의 리아프노프(Lyapunov)는 라우스 이론을 비선형 시스템에 적용하여 현대제어시스템의 안정도 이론 및 적용 방법에 대한 기초를 확립하였다.
그 후 제어이론의 초기 발전과정에 공헌한 사람들로는 미노스키(Minorsky)·나이키스트(Nyquist)·헤이즌(Hazen) 등이 있다. 1922년에 미노스키는 선박의 조향장치를 위한 자동제어기를 연구하였고, 시스템의 미분방정식으로부터 안정도를 결정하는 방법을 보여주었다. 1932년에 나이키스트는 사인파입력에 대한 개루프응답으로부터 폐루프시스템의 안정도를 결정할 수 있는 방법을 개발하였다.
또한, 1934년에 헤이즌은 위치제어 시스템에 대하여 처음으로 서보기구(servomechanism)라는 용어를 사용하였고, 변하는 입력을 추종할 수 있는 릴레이 서보기구를 설계하였다. 이후 연구가 계속되어 1940년대에 주파수응답법이 개발되고, 1950년대 초에 에반스(Evans)에 의해 근궤적법이 개발됨으로써 고전제어이론이 정립되었다.
그러나, 많은 입력과 많은 출력을 가지는 현대의 제어시스템을 기존의 고전제어이론으로 해석하는 데는 한계가 있기 때문에, 1950년대부터 시스템의 상태변수를 시간영역에서 해석하는 현대제어이론이 시작되었다.
이 연구의 주요 문제는 미사일과 같은 탄도체를 제어하는 것이었다. 1950년대 초에 벨만(Bellman)은 미사일의 위치를 계획하기 위하여 다이내믹 프로그래밍을 공식화하였다.
1950년 후반에는 라그량쥬(Lagrange)·해밀턴(Hamilton) 등이 시간·연료소모와 같은 어떤 성능지수를 최적화하는 방법을 연구하였다. 또한 칼만(Kalman)과 부시(Bucy)는 다변수 제어문제와 다변수 필터링문제를 연관시킴으로써 필터 이론에서 되먹임이 수행하는 기본적인 역할을 설명하고, 칼만-부시 필터를 설계하였다.
이와 같은 현대제어이론은 군사·우주·산업분야에서 요구하는 정확도·무게·비용 등의 엄격한 요구조건들을 해결하고자 하였고, 디지털 컴퓨터의 등장으로 더욱 발전할 수 있었다.
우리 나라에서 제어계측공학이 대학의 학과로 설립되어 학문적으로 연구가 되기 시작한 것은 1978년이다. 그 당시 서울대학교에 있던 공업교육과는 1979년에 없어질 예정이었고, 그 대신에 새로운 기술이 절실히 요구되는 제어계측공학 분야에서 종사할 고급전문인력을 양성할 수 있는 새로운 학과의 신설에 대한 논의가 활발히 진행되고 있었다.
그 결과로 1978년에 정원 40명의 규모로 계측제어공학과가 신설되었고, 1982년에는 제어계측공학과로 개칭되었다. 1988년에는 고려대학교와 창원대학교에 제어계측공학과가 설립되는 등 여러 학교에서도 제어계측공학과를 신설하여 많은 전문인력을 배출하였다.
최근 들어 학제적인 연구의 필요성으로 인한 학부제의 도입으로 1994년 서울대학교의 전기공학과·전자공학과·제어계측공학과가 전기전자제어 공학부로 통합이 되면서 많은 대학들도 학부제를 도입하였다. 제어계측공학도 독립적인 학과보다는 학부 내에서 제어계측공학을 발전시켜 나가고 있다.
현재는 고도사회에서 중추역할을 담당하게 될 자동제어와 계측공학의 미래지향적 연구에 중점을 두고, 제어이론 연구 및 각종 시스템의 자동화·로보틱스·항법유도제어 등과 관련된 응용 연구를 주로 하고 있다.
최근에는 전자공학 및 컴퓨터공학 분야의 발달로 인해 영상신호처리·음성신호처리·마이크로프로세서·멀티미디어·의용생체기기 등으로 연구범위가 확장되었고, 인공지능과 같은 지능시스템의 연구도 이루어지고 있다.
1986년에는 서울대학교 제어계측공학과를 중심으로 연구소 설립이 추진되어, 1987년에 ‘로보틱스 및 자동제어연구소 설립안’이 작성되어 당시의 금성계전에 제출되었다. 그러나, 자금조달작업이 제대로 진행되지 못하였다.
그러던중 1988년 3월에 당시 상공부가 생산성 향상을 위한 자동화기술 개발에 관심을 가지고 있다는 소식을 접하고, ‘자동화시스템공동연구소 설립기본안’을 작성하여 1988년 4월에 상공부 산업정책국장실을 방문하여 적극 지원 약속을 받았다.
1988년 12월에 상공부로부터 8억원의 연구설비 구매지원금을 받아 FMS 모델플랜트 등 각종 연구장비를 구축하였으며, 연구소의 연구동은 1989년 12월에 기공하여 1991년 4월에 준공되었다. 이후 상공부, 한국IBM 및 한국FANUC로부터 지원을 받아 자동화 모델공장(FMS/CIM 센터)을 구축하였다.
또한 과학기술원에 로보틱스 및 자동화 연구소가 설립되어 있으며, 서울대학교에 제어계측신기술연구센터·자동제어특화연구센터·자동화기술연구정보센터가, 한국과학기술원에 인간친화복지로봇시스템 연구센터, 한국과학기술연구원에 휴먼로봇 연구센터가 설립되어 활발한 연구를 진행하고 있다.
과거에 전기공학·전자공학·화학공학·기계공학의 한 부분으로만 취급되었던 제어계측공학은 현재 그 중요성이 날로 높아져 이제는 독자적인 학문의 영역을 이루었다.
자동판매에서부터 교통통제, 방위산업, 전력공급, 자동공정, 컴퓨터 운영, 산업용 로봇, 우주항공, 의료기기 등에 이르기까지 제어계측공학의 필요성은 날로 증대해가고 있다.
또한, 컴퓨터 및 그 관련기술의 발달로 인해 현대의 제품생산 방식이 기술집약적인 다품종 소량 생산체제로 변화하고 있기 때문에 시스템의 자동화·초정밀화·인공지능화·무인화 등을 통한 생산성 향상·신속성·유연성·정확성이 제품생산에 가장 중요한 분야로 인식되게 되었다. 따라서, 제어계측공학은 현대 산업사회를 이끄는 주역으로 그 중요성이 매우 커지고 있다.
참고문헌
『한국의 물시계 -자격루와 제어계측공학의 역사-』(남문현, 건국대학교 출판부, 1995)
Control Systems Engineering 2nd ed.(N. S. Nise, Benjamin Cumming, 1995)
Modern Control Engineering 3rd ed.(Katsuhiko Ogata, Prentice Hall, 1997)
Modern Control System 8th ed.,(R. C. Dorf and R. H. Bishop, Addison Wesley Longman, 1998)
집필자