인공지능 글 밖에 없는 블로그에 제어 글 쓰기 : 제어 엔지니어 기초

 

제어 엔지니어의 기초 : 물리현상을 선형 모델로

 

부끄럽지만 나는 아직 제어의 기초도 모르고 있다. 그럼에도 불구하고 논문을 작성해야할 시기가 다가와서 제어 엔지니어는 과연 어떤 workflow를 통해 문제를 정의하고 해결해나가는지 정리해보려 한다. 글의 전반적은 내용은 Brain Douglas 선생님 유튜브의 "Modeling Physical Systems ,An Overview" 에서 발취하였다. 이 글을 통해 조금이나마 제어 엔지니어의 기초를 쌓을 수 있으면 좋겠다.

문제 정의

제어 엔지니어로서 어떤 시스템을 제어할 것인지를 정의하는 것이 시작이다. 시스템이라는 단어는 여러 의미로 해석될 수 있다. 작은 시스템들이 복잡하게 구성되서 큰 시스템을 만들기도 하며, 작은 시스템 또한 하나의 복잡한 시스템일 수도 있다.

 

더글라스 선생님 책에서는 차량 브레이크 시스템을 예로 들었다.

차량 브레이크 시스템을 작은 시스템들로 보면 총 3개의 시스템을 이야기할 수 있다.

 

 

1. 디스크 브레이크 시스템

2. 브레이크 유압 시스템

3. 파킹 브레이크 & 브레이크등 시스템

 

이 총3개의 작은 시스템이 서로 연결되어 전체 브레이크 시스템을 이루게 된다. 큰 시스템을 작은 시스템으로 나눠서 어떤 시스템이 필요하고

어떤식의 위계가 있는지 확인하는 것도 필요한 능력이다.

 

시스템 모델링

다만, 학생때와는 다르게 실제 연구나 개발을 할 경우에 시스템이 수학적으로 잘 정의되어 있지 않다. 결국 엔지니어가 문제를 정의하고 시스템을 파악해야한다. 수학적인 모델을 정의하는 것은 system identification을 통해 이루어진다.

더글라스 선생님 책에서는 3가지 질문을 통해 system identification을 할 수 있다고 한다.

 

1. 내가 제어하려는 시스템을 어떻게 모델링할 수 있을까?

2. 내 시스템과 관련 된 역학 관계는 무엇일까?

3. 내 Input 값에 대해 측정한 Output으로 바꿔주는 수학적 모델은 무엇일까?

 

이에 대한 답변은 2가지가 될 수 있다. 시스템 모델을 Black box라 두는 것과 White box로 두고 뉴턴 역학을 기반으로 모델링을 하는 방법이다.

Black box 방식은 Model predictive control이라는 이름으로 매트랩에도 존재한다. Input과 Output을 입력해주면 Black box의 전달함수를 찾아준다. White box의 경우 spring-mass-damper 시스템을 기반으로 진행하는 경우가 많다.

 

둘 중 어느 하나가 더 낫고 쉬운 방법이라고 할 수 없는게, White box 형태로 시스템을 모델링 한다고 하여도 몇몇 파라미터들은 알지 못한다. 그 경우에 파라미터를 파악하기 위해서 Input과 Output을 확인하면서 실험을 해봐야한다. 예를 들어 산업용 로봇팔의 경우 회사 측에서 보안의 이유로 내부 파라미터들을 공개하지 않는 경우가 있다. 이럴 경우 파라미터 파악을 위해 Modal analysis 같은 실험을 통해 알아야 한다.

시뮬레이션

수학적 시스템 모델링이 끝났다면, 시뮬레이션을 해봐야한다. 시뮬레이션을 통해 Input 값에 따라 시스템이 어떻게 행동하는지 확인하는 작업이 중요하다. 더글라스 선생님은 만약 내가 3가지 의문점이 있다면, 시뮬레이션을 돌려봐야 한다고 하신다.

 

1. 시스템 모델이 실험값과 일치하는가?

2. 모든 환경에서 내 시스템이 작동할까?

3. 만약 과도한(destructive) 입력값을 줬을 때 시스템이 어떻게 반응할까?

컨트롤

컨트롤 문제는 어쩌면 가장 쉬운 부분이 아닐까 싶다. (개인적으로) 우리가 정의한 문제에 대한 수학적 시스템 모델이 있고 여기에 어떤 Input을 넣어야지 원하는 Output이 나올지를 고민하는 부분이 컨트롤 부분이다. 우리가 배우는 다양한 제어 이론들은 단순히 이 질문에 대한 해답을 위한 툴이 될 뿐이다.

동일하게 3가지 질문을 통해 컨트롤 시스템을 디자인할 필요성을 찾을 수 있다고 한다.

 

1. 시스템이 원하는 성능을 내게 하려면 어떻게 해야할까?

2. 사람 작업이 들어가는 프로세스를 어떻게 하면 자동화 할 수 있을까?

3. 시스템이 다이나믹하고 노이즈가 많은 환경에서 어떻게 작동할 수 있을까?

 

 

참고자료

https://www.youtube.com/watch?v=580A8gNFOdk

https://engineeringmedia.com/