디지털 제어기

작성자

익명

작성일

2025.12.21

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디지털 제어기

디지털 제어기(Digital Controller)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 처리하고, 제어 알고리즘을 소프트웨어 또는 디지털 하드웨어를 통해 구현함으로써 시스템의 동작을 제어하는 장치이다. 현대 제어 공학에서 디지털 제어기는 아날로그 제어기를 대체하거나 보완하는 역할을 하며, 컴퓨터 기술과 마이크로프로세서의 발전 덕분에 산업 자동화, 로봇 공학, 항공우주, 자동차 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

개요

디지털 제어기는 연속 시간 시스템(Continuous-Time System)을 제어하기 위해 샘플링(Sampling)과 양자화(Quantization)를 거친 이산 시간 신호(Discrete-Time Signal)를 기반으로 작동한다. 아날로그 제어기와 달리, 디지털 제어기는 프로그래밍이 가능하고 유연한 알고리즘 구현이 가능하며, 유지보수와 업그레이드가 용이하다는 장점이 있다. 또한 노이즈에 강하고 정밀한 계산이 가능하여 고성능 제어 시스템 구현에 적합하다.

주요 구성 요소로는 A/D 변환기(아날로그-디지털 변환기), 마이크로컨트롤러 또는 DSP(디지털 신호 프로세서), 제어 알고리즘 소프트웨어, 그리고 D/A 변환기(디지털-아날로그 변환기)가 있다.

작동 원리

1. 샘플링과 홀드

디지털 제어기는 시스템의 출력 신호를 일정한 시간 간격으로 샘플링하여 이산 신호로 변환한다. 이 과정은 샘플링 주기(Sampling Period, ( T ))에 따라 결정되며, 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 따라 원 신호를 정확히 복원하려면 샘플링 주파수는 시스템의 최대 주파수 성분의 두 배 이상이어야 한다.

샘플링 후, 제어기에서 계산된 출력 신호는 제로-오더 홀드(Zero-Order Hold, ZOH)를 통해 연속 신호로 변환되어 아날로그 제어 대상에 입력된다.

2. 이산 시간 제어 알고리즘

디지털 제어기는 이산 시간 도메인에서 동작하므로, 제어 알고리즘은 Z-변환(Z-transform)을 기반으로 설계된다. 대표적인 제어기 구조로는 다음과 같은 것들이 있다:

디지털 PID 제어기: 아날로그 PID 제어기를 이산화하여 구현. 차분 방정식 형태로 표현되며, 비례(P), 적분(I), 미분(D) 항을 각각 이산적으로 계산.
상태 피드백 제어기: 시스템의 상태 변수를 샘플링하여 제어 입력을 계산. 디지털 상태 공간 모델을 기반으로 설계.
적응 제어기 및 최적 제어기: 시스템의 특성이 변화할 때 자동으로 파라미터를 조정하거나, 성능 지수를 최소화하는 방식으로 제어 입력을 결정.

3. 제어 루프의 구조

디지털 제어기의 제어 루프는 일반적으로 다음과 같은 순서로 동작한다:

센서로부터 아날로그 출력 신호를 측정
A/D 변환기를 통해 신호를 디지털 값으로 변환
마이크로프로세서에서 제어 알고리즘 실행 (예: PID 계산)
계산된 제어 입력을 D/A 변환기를 통해 아날로그 신호로 변환
액추에이터를 통해 제어 대상에 입력 적용

이 루프는 샘플링 주기마다 반복된다.