고전적인 제어 방식 - ON/OFF 제어, PID 제어

2-03 목표가 정해지면 맞추는 제어의 형태

규정 속도가 80 kph인 도로를 달린다고 가정하면, 80 kph 이하에서는 액셀을 밟았다가 넘어서면 발을 떼고 서행하는 것이 기본이다. 이렇게 목표를 두고, 출력을 켜고 끄는 동작을 반복하는 가장 기본적인 제어 방식이 ON-OFF 제어다.  

ON-OFF 제어는 기준치를 정하고 스위치를 조작하기만 하는 제어다 보니 단순하고 저렴하지만, 목표에 좀처럼 수렴하지 못하는 단점이 있다. 엔진이나 자동차 모두 관성이 있다 보니, 출력을 켜도 바로 속도가 올라가지도 않고, 출력을 끈다고 해도 바로 감속이 되지 않는다. 이래서는 속도가 울렁거리면서 승차감도 나쁠 수밖에 없다.

그래서 정교한 조절을 위해서는 PID 제어가 주로 이용된다. ON-OFF 제어와는 달리 PID 제어는 오차가 클 때와 안정화 단계, 그리고 외부 입력에 의해 안정이 깨지는 모든 경우를 비례(Proportional), 적분(integral), 미분(Differential)의 세 가지 요소로 대응한다.  

기본적으로 목표치와 현재 값이 차이가 많이 나면 그만큼 비례(P)해서 출력을 키워서 빠르게 쫓아갈 수 있게 한다. 시속 100 kph를 달성하기 위해서는 일단 액셀 페달을 많이 밟았다가 속도가 올라 갈수록 점점 덜 밟는 것과 같다.  

다만 오차에 비례하도록 출력 값을 정하면 목표 주변에서는 변화폭이 급격히 줄어들게 된다. 목표에 도달하지 못하고 Saturation 되는 기간이 늘어나면 그 기간을 적분(I)해서 출력값을 보정해 주는 PI제어가 작동해서 목표에 부드러운 연착륙을 가능하게 해 준다.  

마지막으로 갑작스러운 변화에 대해서는 현재 값의 미분(d) 값을 모니터링하다가 반대 방향으로 카운트 출력을 대응하는 로직도 필요하다. 빠르게 목표치를 따라가고(P), 부드럽게 연착륙하고(I), 급격한 변화에도 빠르게 복귀하는(D) PID 제어는 이렇게 서로를 보완한다. 자동차에서 차속이나 RPM, 온도 같이 일정한 목표치를 따라가야 하는 대부분의 로직에 널리 사용되고 있다.