피드백(Feedback) - 실험 도서관

피드백의 정의

제어 시스템에서 피드백(Feedback)이란 시스템의 출력 신호를 다시 입력 신호로 전달하여 출력의 변화에 따라 입력을 조정하는 메커니즘을 의미한다. 피드백을 통해 시스템은 외부 환경의 변화나 내부 상태의 변화를 감지하고 이를 반영하여 제어를 최적화할 수 있다. 이 과정에서 피드백 신호는 시스템의 상태를 모니터링하고, 제어기(controller)가 이를 바탕으로 입력 값을 수정하여 원하는 목표를 달성하는 데 도움을 준다.

피드백의 기본 구조

피드백 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구조를 따른다:

입력: 시스템에 제공되는 외부 신호
출력: 시스템이 처리한 후의 결과 신호
피드백 경로: 출력 신호를 다시 입력으로 전달하는 경로
제어기: 피드백 신호를 바탕으로 시스템의 입력을 조정하는 장치

다음과 같은 형태의 블록 다이어그램을 통해 피드백 시스템을 쉽게 시각화할 수 있다.

graph TD Input[입력] --> Controller[제어기] Controller --> Process[프로세스] Process --> Output[출력] Output -- 피드백 --> Controller

피드백의 수학적 표현

피드백 시스템을 수학적으로 표현하면, 시스템의 출력 $y(t)$ 가 피드백 경로를 통해 다시 입력으로 사용되고, 입력 신호 $u(t)$ 와 함께 시스템의 새로운 입력으로 결합된다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다:

$u(t) = r(t) - y(t)$

여기서 $r(t)$ 는 참조 신호(목표값)이고, $y(t)$ 는 시스템의 출력이다. 피드백을 통해 출력 $y(t)$ 를 입력에서 빼서 참조 신호 $r(t)$ 와의 차이를 제어기로 전달한다. 이 차이를 오차 신호라 하며, 시스템의 성능을 조정하는 데 중요한 역할을 한다.

피드백의 종류

피드백은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다:

음성 피드백 (Negative Feedback): 출력 신호가 입력 신호에서 빼지는 방식으로, 시스템의 안정성을 높이고 과도한 응답을 억제하는 데 사용된다. 주로 제어 시스템에서 선호되는 피드백 방식이다.

$u(t) = r(t) - y(t)$

양성 피드백 (Positive Feedback): 출력 신호가 입력 신호에 더해지는 방식으로, 시스템의 출력을 증폭시키는 역할을 한다. 양성 피드백은 종종 시스템의 불안정성을 초래할 수 있지만, 특정한 상황에서는 필요할 수 있다.

$u(t) = r(t) + y(t)$

피드백의 전달 함수

피드백 시스템의 동작을 수학적으로 분석할 때는 전달 함수(Transfer Function)를 활용한다. 시스템의 입력과 출력 사이의 관계를 주파수 영역에서 표현하는 방법으로, 피드백이 있는 시스템의 전달 함수는 일반적인 폐루프(closed-loop) 시스템의 구조로 나타낼 수 있다.

음성 피드백 시스템의 폐루프 전달 함수는 다음과 같이 표현된다:

$T(s) = \frac{G(s)}{1 + G(s) H(s)}$

여기서:

$G(s)$ 는 시스템의 개루프(open-loop) 전달 함수
$H(s)$ 는 피드백 경로의 전달 함수

이 식은 시스템의 개루프 전달 함수 $G(s)$ 에 피드백 경로 전달 함수 $H(s)$ 가 결합된 형태를 나타내며, 폐루프 시스템의 안정성과 성능을 분석하는 데 중요한 역할을 한다.

개루프와 폐루프

개루프 시스템은 피드백 없이 입력 신호가 출력에 직접 영향을 미치는 시스템을 의미한다. 개루프 시스템에서 전달 함수는 단순히 $G(s)$ 로 나타난다.

$Y(s) = G(s) U(s)$

폐루프 시스템은 피드백을 포함하여 출력이 다시 입력으로 피드백되는 시스템이다. 폐루프 시스템에서의 출력은 다음과 같은 형태로 표현된다:

$Y(s) = \frac{G(s)}{1 + G(s) H(s)} R(s)$

피드백의 이득

피드백 시스템에서 이득(Gain)은 시스템의 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 이득이 커질수록 시스템의 응답 속도가 빨라지지만, 지나치게 큰 이득은 시스템의 안정성을 해칠 수 있다. 시스템의 안정성을 평가하기 위해 폐루프 전달 함수에서 극점(poles)을 분석한다.

피드백 이득을 $K$ 라고 할 때, 폐루프 전달 함수는 다음과 같이 변형될 수 있다:

$T(s) = \frac{K G(s)}{1 + K G(s) H(s)}$

여기서 $K$ 는 시스템의 피드백 이득으로, 이를 조정하여 시스템의 성능을 최적화할 수 있다. 이때, 이득이 너무 크면 피드백 제어의 이점이 사라지고 불안정성이 증가할 수 있다.

피드백의 안정성

피드백 제어 시스템에서 안정성은 매우 중요한 개념이다. 안정성을 분석하는 방법 중 하나는 폐루프 전달 함수의 극점을 확인하는 것이다. 안정적인 시스템은 폐루프 전달 함수의 극점이 모두 좌반평면(negative real part)에 위치해야 한다.

시스템의 전달 함수 $G(s)$ 와 피드백 함수 $H(s)$ 가 주어졌을 때, 폐루프 시스템의 안정성 조건은 다음과 같다:

$1 + G(s) H(s) = 0$

이 방정식에서 극점은 폐루프 시스템의 동적 특성을 결정하며, 극점이 우반평면에 있으면 시스템은 불안정하다.

루트 궤적법 (Root Locus Method)

루트 궤적법은 시스템의 피드백 이득을 변화시킬 때 극점의 궤적을 그려 안정성을 평가하는 방법이다. 피드백 이득 $K$ 를 변화시키면서 극점의 이동 경로를 확인하고, 이 경로가 안정성에 미치는 영향을 분석할 수 있다.

피드백의 응답 특성

피드백 제어 시스템의 성능을 평가할 때 중요한 지표는 시간 응답 특성(Time Response Characteristics)이다. 시간 응답 특성은 시스템이 입력 신호에 어떻게 반응하는지를 나타내며, 이를 통해 시스템의 동작을 분석할 수 있다. 대표적인 시간 응답 특성으로는 과도응답(Transient Response)과 정상상태 응답(Steady-State Response)이 있다.

과도응답 (Transient Response)

과도응답은 시스템이 초기 상태에서 목표 상태로 빠르게 도달하는 과정에서 나타나는 응답 특성을 의미한다. 과도응답의 주요 요소는 다음과 같다:

오버슈트(Overshoot): 시스템의 출력이 목표 값을 초과하는 정도. 오버슈트가 크면 시스템이 불안정할 가능성이 커진다.
상승 시간(Rise Time): 출력이 처음으로 목표 값의 일정 비율(예: 90%)에 도달하는 데 걸리는 시간.
응답 시간(Settling Time): 시스템이 목표 값에 근접한 상태(일정 비율 이내, 예: 2%)로 도달하는 데 걸리는 시간.

피드백 시스템에서 과도응답은 주로 피드백 이득 $K$ 에 의해 영향을 받으며, 적절한 이득 조정은 과도응답을 최적화하는 데 중요한 역할을 한다.

정상상태 응답 (Steady-State Response)

정상상태 응답은 시스템이 과도응답을 마친 후 목표 상태에 도달한 이후의 응답을 의미한다. 정상상태에서 중요한 지표는 정상상태 오차(Steady-State Error)이다. 정상상태 오차는 시스템의 출력이 목표 값에서 얼마나 벗어나는지를 나타내며, 이 오차는 피드백 제어 시스템에서 최소화해야 할 중요한 요소 중 하나다.

정상상태 오차 $e_{ss}$ 는 다음과 같이 계산할 수 있다:

$e_{ss} = \lim_{t \to \infty} \left( r(t) - y(t) \right)$

일반적으로, 음성 피드백 시스템은 정상상태 오차를 줄이는 데 효과적이며, 적절한 이득 조정을 통해 이 오차를 거의 0으로 만들 수 있다.

피드백과 안정화

피드백 제어 시스템은 안정화(Stabilization)에도 중요한 역할을 한다. 외부 교란(disturbances)이나 모델링 불확실성에 대응하여 시스템을 안정화시키는 피드백 제어는, 시스템이 불안정한 동작을 하지 않도록 하는 데 필수적이다. 특히, 음성 피드백은 시스템의 안정화를 돕는 가장 일반적인 방법이다.

안정화의 수학적 표현

피드백 시스템에서 안정화를 수학적으로 표현하기 위해, 폐루프 전달 함수 $T(s)$ 의 극점이 모두 좌반평면에 존재해야 한다. 이를 위해서는 다음 조건을 만족해야 한다:

$\text{Re}(\text{pole of } T(s)) < 0$

이 조건을 만족하면 시스템은 안정적이다. 피드백 제어기는 이 극점이 우반평면으로 이동하지 않도록 설계된다.

피드백과 외란 제거

피드백 시스템은 또한 외란을 제거하거나 완화하는 데 중요한 역할을 한다. 외란은 시스템의 출력을 왜곡시키고, 이를 통해 목표 상태에서 벗어나게 만든다. 피드백 제어 시스템은 출력 신호의 변화를 감지하여 이를 입력에 반영함으로써 외란을 상쇄시킨다.

외란을 제거하는 과정에서 피드백 제어 시스템은 다음과 같은 수식을 따른다:

$y(t) = G(s) u(t) + D(s) d(t)$

여기서:

$G(s)$ 는 시스템의 개루프 전달 함수
$D(s)$ 는 외란 신호에 대한 전달 함수
$d(t)$ 는 외란 신호

피드백 제어는 외란 신호 $d(t)$ 의 영향을 최소화하기 위해, 피드백 경로에서 이를 상쇄시키는 작용을 수행한다.

피드백과 노이즈 영향

피드백 시스템에서 또 하나 중요한 요소는 노이즈(Noise)의 영향이다. 노이즈는 제어 시스템에서 발생하는 예기치 않은 신호로, 측정 센서나 환경적 요인에 의해 유입될 수 있다. 피드백 제어는 노이즈에 민감할 수 있기 때문에, 노이즈에 대한 고려는 매우 중요하다.

노이즈 신호를 $n(t)$ 라 하고, 노이즈가 측정 경로에서 발생한다고 가정하면, 피드백 시스템에서 출력은 다음과 같이 표현된다:

$y(t) = G(s) u(t) + N(s) n(t)$

여기서:

$G(s)$ 는 시스템의 전달 함수
$N(s)$ 는 노이즈 신호에 대한 전달 함수
$n(t)$ 는 노이즈 신호

노이즈가 출력에 미치는 영향을 최소화하려면, 제어기의 설계 단계에서 노이즈에 대한 필터링 또는 차단 기법을 도입해야 한다. 특히, 고주파 노이즈에 대해서는 미분 제어기(Derivative Controller)가 민감하게 반응하므로, 이에 대한 보완이 필요하다.

노이즈 필터링

피드백 시스템에서 노이즈의 영향을 줄이기 위한 방법으로는 노이즈 필터링(Noise Filtering)이 사용된다. 일반적으로 저주파 통과 필터(Low-pass filter)를 사용하여 고주파 노이즈를 차단하는 방식으로, 노이즈가 피드백 경로에 미치는 영향을 줄일 수 있다.

저주파 통과 필터의 전달 함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$H(s) = \frac{\omega_c}{s + \omega_c}$

여기서 $\omega_c$ 는 컷오프 주파수이다. 이 필터를 피드백 경로에 삽입하면 노이즈에 대한 민감도를 낮출 수 있다.

피드백 시스템의 주파수 응답 분석

피드백 시스템의 성능을 분석하는 또 다른 방법은 주파수 응답(Frequency Response) 분석이다. 주파수 응답은 시스템이 다양한 주파수의 입력 신호에 어떻게 반응하는지를 분석하는 기법으로, 특히 피드백 제어 시스템에서 중요한 분석 도구이다. 주파수 응답은 Bode 도표나 Nyquist 도표를 사용하여 시각화할 수 있다.

Bode 도표

Bode 도표는 시스템의 주파수 응답을 나타내는 그래프로, 이득(magnitude)과 위상(phase)을 주파수의 함수로 나타낸다. 피드백 제어에서 Bode 도표는 시스템의 안정성과 성능을 평가하는 데 중요한 역할을 한다. 특히, 시스템의 위상 여유(phase margin)와 이득 여유(gain margin)를 통해 시스템의 안정성을 평가할 수 있다.

Bode 도표에서 이득 여유는 주파수 응답 곡선이 0 dB를 교차하는 지점에서 측정하며, 위상 여유는 위상이 -180°에 도달하는 지점에서 측정된다. 이 두 값은 시스템의 안정성을 보장하기 위해 충분히 큰 값이어야 한다.

Nyquist 도표

Nyquist 도표는 시스템의 주파수 응답을 복소평면 상에 나타낸 것으로, 폐루프 시스템의 안정성을 평가하는 데 사용된다. Nyquist 도표는 주파수에 따라 전달 함수 $G(s)H(s)$ 가 그려지며, 안정성 판단은 Nyquist 기준을 통해 이루어진다.

Nyquist 기준에 따르면, 폐루프 시스템이 안정하기 위해서는 Nyquist 도표에서 $-1$ 지점을 감싸는 방향이 특정 조건을 만족해야 한다. 이 기준을 통해 시스템이 주파수 영역에서 안정한지 여부를 판단할 수 있다.

피드백과 감쇠비

피드백 시스템의 성능을 결정짓는 또 하나의 중요한 요소는 감쇠비(Damping Ratio)이다. 감쇠비는 시스템의 과도 응답에서 오버슈트와 진동을 제어하는 중요한 변수로, 피드백 제어를 통해 이를 조정할 수 있다. 감쇠비가 적절하면 시스템의 오버슈트와 진동을 억제하고, 빠른 응답을 유지할 수 있다.

시스템의 감쇠비 $\zeta$ 는 다음과 같은 식으로 나타낸다:

$\zeta = \frac{c}{2 \sqrt{km}}$

여기서:

$c$ 는 저항 계수
$k$ 는 스프링 상수
$m$ 은 질량

피드백 제어 시스템에서 감쇠비는 시스템의 극점 위치에 영향을 미치며, 이를 통해 시스템의 동작을 최적화할 수 있다.