PID 제어란 무엇일까요? 간단하게 알아보겠습니다.

PID 제어란 무엇입니까?

 

온도제어를 비롯한 각종 제어에 이용되는 일반적인 제어방식으로 PID제어가 있습니다.

이번에는, 이 PID 제어의 각 요소, P(비례 제어), I(적분 제어), D(미분 제어)에 대해서, 각각 어떤 작용을 하는 것인지를, 비교적 친숙한 「자동차의 운전」을 예로 설명해 보겠습니다.

고속도로 톨게이트에서 일단 정지한 곳에서, 시속 80Km/h로 순항 운전할 때까지의 조작을 생각해 보십시오.

 

 

 

우선 속도 0Km/h에서 목표로 하는 시속 80Km/h까지의 차이(제어에서는 편차라고 표현한다)가 크기 때문에 액셀을 크게 밟습니다.(큰 출력을 가합니다)

이와 같이, 목표와의 차이(편차)의 크기에 비례한 조작을 실시하는 것이 비례 제어(P)에 상당합니다.

차량이 가속해 시속 80Km/h에 가까워지면 '이대로 가속하면 시속 80Km/h를 오버해 버린다'고 느끼고 액셀을 늦추는 조작을 합니다.

이와 같이, 속도의 변화에 대해서, 그것을 억제하는 조작을 실시하는 것이 미분 제어(D)에 상당합니다.

마지막으로 시속 80Km/h 딱 맞게 주행하기 때문에 미묘한 속도차를 없애도록 액셀을 조정합니다.

이와 같이, 목표로 하는 속도와의 차이(편차)를 없애는 조작을 실시하는 것이 적분 제어(I)에 상당합니다.

다음으로 시속 80Km/h로 주행하고 있을 때, 가파른 오르막길에 접어든 경우를 생각해 보세오.

오르막길에 접어들면, 지금까지와 같은 액셀의 밟는 양 그대로는 서서히 속도가 떨어집니다.

운전자는 속도의 변화를 감지하고 속도를 떨어뜨리지 않도록 액셀을 밟습니다.

이 때의 조작도 속도의 변화를 억제하는 움직임이 되어 미분 제어(D)에 상당합니다.

당연히, 목표로 하고 있는 속도와의 차이(편차)가 발생하고 있기 때문에, 이 차이를 없애도록 조작하고 있다고도 생각할 수 있으므로, 적분 제어(I)도 동시에 실시하고 있습니다만, 보다 빨리 원래의 속도로 되돌아가려고 하기 위해서 미분 제어(D)가 크게 공헌하고 있는 것입니다.

 

 

마지막으로, 비례 제어의 또 다른 역할인 제어 전체의 능력(제어 게인)을 결정하는 것에 대해 설명합니다.

우리는 최고 시속 150Km/h 승용차를 타고도, 시속 300Km/h 낼 수 있는 스포츠카를 타고도 예에서 제시한 것과 같은 운전을 할 수 있습니다.

이것은, 어느 정도 액셀을 움직이면 어느 정도 속도가 변화하는지 무의식 중에 판단하여, 적절한 조작을 할 수 있기 때문입니다.

 

승용차와 스포츠카에서 가속페달을 움직일 수 있는 양이 같다면, 그만큼 가속페달을 밟았을 때에 도달하는 차의 속도는 승용차에 비해, 스포츠카 쪽이 빨라집니다.(이 예에서는 승용차에 비해 스포츠카 쪽이 2배의 속도가 됩니다.)

자동차를 제어하는 대상이라고 생각하면, 속도(스피드)를 내는 능력(제어에서는 프로세스 게인이라고 표현한다)은 승용차보다 스포츠카가 더 높다고 할 수 있습니다.

프로세스 게인이 높은 스포츠카에서 속도를 변화시키려 할 때, 승용차 때와 같은 만큼의 속도를 변경하려면 액셀 변경량(출력량)은 승용차보다 적게 해야 합니다.

제어 대상 응답(자동차의 예에서는 스피드)을 일정량 변화시키기 위해 필요한 제어 출력(자동차의 예에서는 액셀의 디딤량)의 비율을 제어 게인이라고 표현합니다.

스포츠카에서 승용차만큼 속도를 변화시킬 때, 액셀의 변경량은 승용차보다 적게 해야 하기 때문에, 스포츠카를 운전할 때의 제어 게인은 승용차보다 낮다고 할 수 있습니다.

PID 제어에서는, 제어 게인의 결정은 비례대의 설정에 의해 실시합니다.

비례대를 좁히면 제어 게인은 높아지고, 넓게 하면 제어 게인은 낮아집니다.

이와 같이 비례 제어에는 제어 대상에 있던 제어 전체의 게인을 결정하는 역할도 있습니다.

차량 운전에 대해서 두 가지 예를 설명했는데, 첫(1) 번째의 일정 속도로 주행할 때까지의 움직임은 「목표치 변경에 대한 제어」에 해당하고, 두(2) 번째의 언덕길 주행은 「외란에 대한 제어」에 해당합니다.

일반적으로 이루어지고 있는 제어의 대부분이 이 두(2) 가지의 제어이며, 거기서 PID 제어가 이용되고 있는 것입니다.

우리는 PID 제어를 몰라도 자동차 운전은 할 수 있습니다.

그러나, 운전할 때 하고 있는 조작에는 PID 제어와 같은 메커니즘이 있어, 우리는 무의식중에 PID 제어를 하고 있다 할 수 있습니다.

PID 제어는, 의외로 우리의 주변에서 친숙하게 자리하고 있다 할 수 있습니다.