피드 포워드 제어
자동제어란 무엇인가 : 쓰지로 시메무라 저서, 김상진 역, 성안당, 1994, Page 43~52
8. 블랙 박스와 특성의 동정 (Identification)
지금까지 피드백 제어에 관하여 여러 가지 구체적인 예를 조사해 왔다. 그리고 그 본질적인 부분은 컨트롤러가 보낸 제어 신호에 대한 조절량의 반응을 측정하면서 다음의 제어 신호를 만들어내는데 있다는 것을 알았다.
그런데, 제어에는 이런 제어량을 피드백하지 않고 컨트롤러에서 일방적으로 미리 정해둔 제어 신호를 보내는 방법, 즉 피드 포워드 제어라고 하는 방법도 있다. 먼저 가까운 예를 생각해 보자. 도로의 교통 신호는 자동차와 사람들의 흐름을 제어하고 있다. 그러나 교통 신호는 가장 단순한 방법으로 차와 사람의 흐름을 측정하면서 바뀌는 것이 아닌, 미리 정해둔 주기로 녹→황→적→녹→황→적 …의 점등을 반복하면서 제어를 하는 것이다.
이것을 블록 선도로 나타내면 그림 1 과 같이 되며, 지금까지의 피드백 제어 시스템의 블록 선도와 비교하면 컨트롤러에서 제어 대상까지 신호가 일방적으로 전달될 뿐이라고 하는 점이 크게 다르다.
그림 1 교통 정리는 피드 포워드 제어
이런 제어 방식은 피드 포워드 제어, 또 제어 시스템의 블록 선도가 피드백 제어의 경우와 달리 루프를 변화시키지 않으면 안되기 때문에 닫힌 루프 제어라고 하는 것은 이미 기술하였다. 말하자면 피드 포워드 제어는 방치해 두는 것, 즉 반성없는 제어이다.
"배에서 쪼르륵
쪼르륵 소리가 나더라도
아이가 배고파 보챌 때에도
솥뚜껑은 열지 말라"
라는 것은 무슨 의미일까? 이 말은 예전부터 전해 내려오는 밥을 맛있게 짓는 비결이지만 전기밥솥이 보급된 오늘날에서는 거의 잊혀져 버렸는데…
밥을 짓는 것도 제어이다. 쌀과 물을 넣는 남비나 솥이 제어 대상이고 조작량은 여기에 가해지는 열량이다. 그리고 제어량은 밥이 되어가는 상태이다.
그렇지만 밥을 짓는다고 하는 제어는 피드백 제어라고는 할 수 없다. 왜냐하면 우선 밥이 되는 상태를 측정하는 센서가 없다. 그러면 솥뚜껑을 열고 들여다 보거나 직접 먹어 보거나 하면 되지 않을까 라고 말할지도 모르지만 전해 내려오는 가르침에 의하면 절대로 도중에 뚜껑을 열어서는 안된다고 한다. 그러므로 피드 포워드 제어로 할 수밖에 없는 것이다.
피드 포워드 제어로 밥을 짓는다고 하는 것은 미리 쌀의 질과 양, 질게 지을 것인가? 되게 지을 것인가? 라는 밥을 짓는 정도에 대한 요구 등을 참작하여 꼭 알맞는 물의 양을 정하여 불에 올려놓은 다음 가장 좋은 방법으로 화력, 즉 가하는 열량을 조절하는 것이다. 그 가장 좋은 불의 세기를 아는 것이 위에서 기술한 비법이 되는 것이다. 즉, 이와 같이 조작량을 가하면 제어량은 목표한 대로 변화할 수 있다.
비법으로 전해 내려오는 대로 불의 세기를 조절하면 언제든지 맛있는 밥을 지을 수 있는 것은 아니다. 때로는 설익은 밥이 되거나, 혹은 질척질척한 밥이 되어서 당황하는 일이 있다. 쌀의 종류가 바뀐다거나, 물의 양을 알맞게 조절하는 것을 다르게 한다거나, 솥이나 남비를 바꾼다거나 했을 때 이런 난처한 일이 생기는 경우가 있다. 앞에서 지적했던 불의 세기의 비법은 어디까지나 이러한 조건들이 사전에 가장 좋은 상태로 설정되어 있는 것을 전제로 했던 것으로써, 그런 것들이 적절하지 못한 경우는 비법대로 해도 결과는 빗나가고 만다. 결국 여러 가지 조건이 어긋나면 비법대로 밥을 짓는 사람에게는 예측할 수 없는 외란이 되는 것이다.
이처럼 피드 포워드 제어에서는 컨트롤러가 사전에 예기치 못했던 외란이 가해지면 그 영향을 제거할 수 없다. 이것은 피드 포워드 제어 시스템의 일반적인 구성을 나타내는 그림 2 의 블록 선도에서 쉽게 이해할 수 잇을 것이다.
그림 2 피드 포워드 제어 시스템의 구성
여기에서 알 수 있듯이, 컨트롤러에는 외란에 관한 정보가 전혀 전해지지 않기 때문이다. 이것이 피드백 제어와 근본적으로 다른 점이다. 가장 중요한 부분이기 때문에 다시 한번 피드백 제어 시스템의 블록 선도와 비교해 보자.
피드백 제어에서의 컨트롤러는 어떠한 외란이 제어 대상에 가해지는가를 외란이 제어량에 미치는 영향을 통해 알 수가 있다. 여기에서 그 영향을 작게 하고 가능하면 완전히 제거하도록 필요한 제어 신호를 발생할 수 있다.
이에 대해 피드 포워드 제어 시스템에서 컨트롤러는 예측할 수 없는 외란을 고려해서 제어 신호를 결정해 둘 수 없기 때문에 외란이 없도록 하여 제어 신호를 계산하고 그것을 기억해 두어 액셀러레이터에 보낼 수밖에 없다. 따라서 제어의 과정에서 외란이 가해지면 그 영향에 의해 제어량은 최초에 기대했던 대로 변화하지 않는 것은 당연한 일일 것이다.
피드 포워드 제어가 외란에 대해 무력하다고 하는 것은 바꾸어 말하면 외란이 없는 경우에는 피드 포워드로 제어할 수 있다는 것이 된다. 결국 제어대상의 특성, 즉 이렇게 조작하면 이렇게 제어량이 변화한다고 하는 관계가 완전히 알려져 있고 외란이라는 예기치 못했던 원인으로 제어량이 혼란되는 경우가 아니라면 사전에 계산된 대로 제어 신호를 가하면 기대한 대로 제어량이 변화하는 것은 당연한 일이다. 일부러 센서를 붙여 제어량을 측정할 필요는 없다.
이와 같이 제어 대상에 대해 그 특성을 완전히 파악하고 있을 때 그것을 화이트 박스라 한다. 이것은 블랙 박스에 대응하는 말로 제어 대상이 블랙 박스라고 하는 것은 그 특성을 전혀 알지 못할 때를 의미한다.
100 % 화이트, 즉 제어 대상을 100 % 파악할 수 있다거나 반대로 전혀 외란이 없는 경우는 있을 수 없는 일일지도 모른다. 따라서
화이트 박스 + 외란 Zero = 피드 포워드 제어
라고 하는 것은 이상 (Idial) 에 지나지 않는다고 말할 수도 있지만, 여기에 상당히 근접한 상황도 많이 있다.
예를 들면 와트가 힌트를 얻은 맷돌의 리프트 텐터는 실은 피드 포워드 제어이다. 리프트 텐터의 본래 목적은 맷돌의 회전 속도가 변해도 나오는 가루의 입자 크기가 일정하도록 하는 것이다. 가루의 입자 크기를 측정하여 맷돌의 간격을 변화시키면 피드백 제어이지만 리프트 텐터는 그렇지 않다.
간격을 일정하게 하면 가루의 크기도 일정하게 되기 때문에 간격을 측정하여 회전속도가 변해도 간격을 일정하게 하면 이것도 일종의 피드백 제어일까? 그렇지도 않다. 리프트 텐터에서 하고 있는 것은 회전 속도를 거버너에 의해 측정하여 간격을 조절하는 것이다. 이것을 블록 선도로 표시하면 그림 3 과 같이 되고 피드 포워드 제어인 것을 알 수 있다. 맷돌의 경우 간격의 정도에 따라 가루의 입자 크기를 경험적으로 알 수 있기 때문에 이런 방법으로 충분히 목적을 달성할 수 있었던 것이다.
그림 3 리프트 텐터의 블록 선도
피드 포워드 제어를 할 경우 하나의 필요 조건은 제어 대상이 화이트 박스라고 하는 것이다. 그런데 이와 달리 피드백 제어가 안되기 때문에 피드 포워드 제어를 하는 경우가 있다. 그것은 피드백 제어를 위한 센서가 있는지 없는지 알 수 없다.
피드백 제어의 기본은 제어량을 측정해서 컨트롤러에 피드백하는 것이다. 따라서 피드백 제어를 실시하기 위해서는 제어량을 측정하는 센서가 없으면 안된다.
앞에서 밥을 짓는다고 하는 제어 동작은 피드 포워드 제어라고 했다. 그러면, 이제는 어느 가정에서나 사용하고 있는 전기밥솥은 어떤 제어를 하고 있는 것일까? 최근에는 마이컴을 붙인다거나 여러 가지 세공을 하고 있지만 제어의 입장에서 보면 원하는 밥을 가장 맛있게 짓도록 열을 가하는 방법을 조작하는 것으로는 피드 포워드 제어인 피드백 제어를 하고자 해도 밥이 되어가는 상태를 측정하는 센서가 없기 때문에 피드백 제어로 할 수 없다.
센서가 없기 때문에 피드백 제어를 할 수 없다면 피드 포워드 제어 밖에는 방법이 없는가 하면 그렇지도 않다.
예를 들면 튀김을 튀길 경우를 생각해 보자. 이 경우의 제어량은 튀김이 튀겨지는 상태이지만 이것은 측정할 수가 없다. 아마 겨우 하나 먹어 보는 정도일 것이다. 그래서 튀김 상태를 알기 위해, 우선 튀기는 재료에 따라 기름의 온도를 결정한다. 다음 재료를 기름에 넣고 나서는 표면의 색을 보면서 적당한 때가 되면 튀김을 꺼낸다. 이 사이에 튀기는 재료에 따라서 기름의 온도를 일정하게 해두던가 또는 변화시키던가 불의 세기 조절에도 주의해야 한다. 이 일련의 조작을 생각해 보면 튀김되는 상태 그 자체에 대해서는 피드백 제어로는 되어 있지 않지만 튀겨지는 상태를 결정하는 기름의 온도와 튀김의 색에 대해서는 피드백 제어로 되어 있다는 것을 알 수 있다.
이처럼 본래의 제어량 자체를 피드백 할 수는 없어도 그 상태를 좌우하는 양을 피드백 제어로 관리함으로써 간접적으로 피드백 제어와 유사한 효과를 얻는 경우가 있다.
그림 4 에 그러한 간접적인 피드백 제어 시스템의 블록 선도를 나타내었다. 이와 같은 제어 방식은 화학반응에서 물질을 제조하는 경우에 잘 사용된다. 화학반응에서 만들어진 물질의 품질을 직접 측정하는 것은 어렵다. 그러나 화학반응은 원료의 농도나 반응장치의 온도, 또는 압력 등 반응의 조건에 따라 그 진행이 좌우되기 때문에 그런 조건들을 제어해 두면 생성되는 물질의 품질이나 양을 관리할 수 있다.
그림 4 간접적인 피드백 제어 시스템
이런 간접적인 피드백에 그림 5 에 점선으로 표시한 것처럼 가끔 제어량 자체의 직접적인 피드백을 가미해서 더욱 좋은 제어 결과를 얻고자 하는 경우도 있다. 화학반응에서는 조건을 제어하면 성분을 직접 피드백하지 않아도 된다고 말했지만, 거기에는 순간적으로 결과가 나오는 성분 분석기가 없기 때문에 직접 피드백이 불가능하다는 사정도 있다. 그러나 분석에 시간이 걸리는 분석계라도 사용할 수 있다면 일정 시간마다 분석 결과를 컨트롤러에 피드백해서 보다 나은 제어를 하는 것도 가능하다.
튀김을 가끔 집어 먹어보는 것도 이와 같은 종류의 간헐적인 직접 피드백 제어이다. 간접적인 피드백 제어에서는 피드백하는 것과 본래 제어량의 관계를 확실히 알고 있다는 것을 대전제로 한다. 이 관계에 불확실한 점이 있다거나 피드백 루프 이외에 외란이 더해지면 아무리 조건을 제어한다 하더라도 정확한 결과를 예기할 수 없다. 그러나 제어량의 간헐적인 직접 피드백은 그런 우려를 덜어주는데 도움을 줄 것이다.
그림 5 간헐적인 직접 피드백을 병용하는 시스템
화이트 박스의 반대는 블랙 박스로서 그것은 그 특성을 완전히 알 수 없는 것을 의미한다. 이와 같은 제어 대상에 대해서는 피드백 제어 이외에는 제어 방법이 없다. 그러나 피드백 제어를 하려 해도 상대의 특성을 완전히 알 수 없는 것은 컨트롤러도 관여할 수 없다. 결국 어떤 기능을 가진 컨트롤러를 준비하면 좋을까? 전혀 예측할 수 없다. 그래서 이런 때에는 우선 아주 간단한 제어 동작을 하고 그 사이에 한편으로 제어 대상의 특성을 조사하는 것이다.
제어 대상의 특성을 조사하는 것을 특성을 동정한다고 한다. 동정의 결과, 특성을 전보다 다소라도 더 알게 되면 제어 동작도 달리할 수 있다. 제어 대상의 특성을 동정하기 위해서는 제어 대상의 동작 상태를 너무 크게 혼란시키지 않을 정도의 작은 측정용 신호를 조작량에 가해 그에 대한 제어량의 반응을 조사하고 얻어진 데이터를 처리해서 결과를 알아내는 것이다.
일상 생활에서 처음 만나는 상대는 블랙 박스이다. 처음에는 무난한 대화를 주고 받을 수 있지만, 화제가 진행되는 동안에 한쪽의 이야기에 대한 반응으로부터 상대방에 대해 조금씩 알게 된다. 그에 따라 대화도 쉽고 폭넓게 진행되고 결국 긴 사귐 끝에 서로 마음을 연 교제가 되면 완전히 화이트 박스가 되었다고 할 수 있다.
영국 산업혁명의 기술 분야에 피드백 제어가 정착하기까지는 놀랍게도 실용적인 제어 장치가 아닌 숨겨진 장치 구조로 사용되었다. 피드 포워드 제어도 기술 분야에서 명확히 인식되어서 사용되기까지는 같은 전개를 해 왔다.
피드 포워드 제어가 내장된 가장 대표적인 장치는 기계 시계나 음악상자 혹은 각종의 자동 기계이다. 자동 기계는 동물의 움직임을 모방한 것 혹은 많은 사람과 동물이 집단으로 움직이는 것 등 교묘하게 만들어진 그들의 모형 (Miniature) 이 미리 정해진 일련의 동작을 하는 자동 장치이다. 예를 들면 시각을 알림과 동시에 춤을 추는 시계의 인형은 오늘날 우리 주변에서 볼 수 있는 자동 기계의 하나이다.
기계 시계나 자동 기계가 가장 화려하게 발전했던 곳은 16 세기 중엽부터 17 세기 중엽의 중부유럽이었다. 이것은 오늘날의 독일, 오스트리아, 스위스의 서부에 걸친 독일어권과 거의 일치한다.
기계 시계든 자동 기계이든 실용을 목적으로 한 것이라기 보다 오히려 장인으로서 그 솜씨를 겨루는 작품이며 그 장인을 비호하여 제작시킨 영주의 부와 권세를 과시하는 기념물이었다. 그리고 무엇보다도 그들의 우주관을 표시한 것이기도 했다.
기계 시계 자동 기계 모두 정밀하게 꾸며진 톱니바퀴와 캠의 움직임으로 사전에 정해진 대로 한치의 어긋남도 없이 계속해서 움직인다. 그리고 그 움직임은 많은 톱니바퀴와 캠의 구성의 근원인 한곳에 미리 프로그램되어 있어 이 프로그램대로 움직이는 것이다. 그것은 정말로 피드 포워드 제어이고 우주 경영 그 자체이다.
현재 기계식 시계는 단순히 바늘을 움직여서 시각을 지시하는 것에서 태양을 비롯한 천체의 운행을 나타내는 천체의로 발전되었다. 중앙의 장치, 즉 컨트롤러의 프로그램대로 일사분란하게 움직이는 톱니바퀴 (gear) 를 만들어낸 기계의 모양은 전제군주를 정점으로 하는 그들이 이루어야 할 사회 모습을 상징하는 것이었다.
오늘날 유럽 각지의 박물관에서 볼 수 있는 이러한 기계 시계와 자동 기계 중에는 감탄할 만큼 훌륭한 작품들이 많이 있다. 이 작품들을 만들어낸 탁월한 기술도 7 세기 후반에는 쇠퇴하고, 거기서 축적된 기계의 기술은 프랑스와 영국으로 옮겨갔다. 하지만 영국에서는 피드 포워드식 제어 기계는 발전되지 않았고 곧 피드백 제어 기술이 꽃을 피우게 되었다.
사회의 질서는 이미 결정되어 있어 이 질서가 혼란해진다는 것은 있을 수 없는, 말하자면 정적인 균형 사상이 기계 시계나 자동 기계로서 그들의 우주관을 실현하는 가운데 피드 포워드 제어 기술을 발전시켰던 것이 독일의 정치풍토였다고 하면, 피드백 제어 기술을 발전시킨 영국에도 그것을 일으켰던 사상적 배경이 있었던 것은 아닐까 생각한다. 시스템에는 외란이 항상 따르게 마련이어서 이로 인해 균형이 깨지면 그 상태에 대응해서 수정책을 강구하고, 원래의 균형을 되찾는다고 하는 사상에 의해 피드백 제어 기술이 영국에서 발전하였다. 이것은 단지 그 당시 발전된 영국의 산업 기술이 그 출현을 촉구하였음에 지나지 않는다.
피드백 제어의 사상은 정치로 말하자면 민주주의 정치 사상이다. 정부는 국민의 소리를 바르게 들어서 정치를 하지 않으면 안된다. 또 경제로 말하자면 수요와 공급의 균형을 기본으로 한 자유주의 경제 사상이다. 피드백 제어의 기술이 발달한 18 세기 피드백 제어의 탄생과 전개의 배경에 이와 같은 자유주의의 영향을 엿볼 수 있다는 것은 또한 해명할 수 있는 과제이다.