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제어공학

제어공학과에서 넘어옴
고등교육기관의 학과
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1. 개요2. 상세3. 난이도4. 제어 이론5. 진출 분야6. 각종 시험에서의 출제7. 교재8. 기타

1. 개요

/ Control Engineering

제어 이론에 기반하여 동적 시스템의 동작이 원하는 대로 이루어지도록 하는 방법을 연구하는 공학의 한 분야.

미분방정식에서 나아가, 라플라스 변환이나 푸리에 변환, Z변환과 같은 수학적 방법들이 동원되며, 이를 이용하여 제어를 해야 하는 대상(이하 플랜트)을 모델링하거나 근사화(approximation)한 모델링을 수행하고, 특정한 입력에 대하여 플랜트가 원하는 동작을 수행하도록 컨트롤러를 설계한다.

제어공학의 특징으로는 제어 엔지니어가 수학 및 엔지니어링 원리에 대한 기초와 광범위한 기술지식을 보유해야 한다는 특징이 있으며, 제어공학은 항공기, 우주선, 로봇, 제조시스템 등 현대 기술의 많은 영역에서 시스템 및 프로세스의 동작을 제어하는 데 사용되기 때문에 중요하다.

오래전부터 움직이는 모터, 로봇, 드론, 자율이동체 등이 원하는 성능을 갖도록 고전적인 제어공학이 발전되어 왔다. 점차 시스템이 복잡해지고, 원하는 성능도 높아지면서, 고전적인 제어공학으로 해결하기 힘든 현실적인 제어 문제가 많이 등장하였다. 최근 기존 제어와 비슷한 피드백 형식으로 시스템을 학습하고 원하는 성능을 얻어내는 강화학습은 이런 도전적인 제어 문제 해결에 큰 역할을 하고 있다.

대학교에서는 전기전자공학기계공학에 관련된 학과들에서 '제어공학'이나 '자동제어'라는 교과목명으로 강의가 개설된다.
드물게 '제어'라는 이름을 내세우는 학과(제어계측공학과, 제어로봇공학과, 전기제어공학과, 지능제어시스템공학과, 정보제어공학과, 기계제어공학과, 시스템제어공학과 등)도 존재하는데, 일반적인 전기전자공학과보다 제어공학 쪽을 약간 더 심화해서 다루는 학과라고 할 수 있다. 이 경우에는 대학마다 전기전자공학 쪽에 치우친 학과일 수도 있고, 기계공학 쪽에 치우친 학과일 수도 있고, 아니면 반반일 수도 있으니, 개별 학과의 커리큘럼을 잘 살펴보고 진학해야 한다.[1]

2. 상세

표준 피드백(Feedback) 제어 시스템은 아래 블록 다이어그램과 같다.

파일:external/www.aoengr.com/StandardLoop.png

예를 들어, 내가 원하는 각도를 입력하면, 그 각도만큼 모터가 작동하는 모터 위치 제어 시스템이라고 가정하자. 이때 플랜트(plant)는 모터가 되며, 컨트롤러(controller)는 디지털 마이크로 컨트롤러나 아날로그 컨트롤러가 된다. 구동기(actuator)는 컨트롤러에서 출력되는 신호를 플랜트의 입력 형식에 맞게 변환해 주는 장치이며, 컨트롤러가 디지털 컨트롤러라면 PWM이나 DAC와 같은 부품이 된다. 마지막으로 센서(sensor)는 이 경우 위치 제어이므로 모터의 각도를 감지하는 센서로, 증가형 엔코더나 절대형 엔코더, 혹은 경우에 따라 카메라를 이용한 영상처리장치나 자이로센서 등이 된다. 컨트롤러는 센서에서 계측된 내용을 신호로 받아, 내가 원하는 결과값(r)과의 차이를 입력으로 받는다.

컨트롤러의 대표적인 예로는 비례 제어기(Proportional controller), 비례적분 제어기(Proportional Integral controller), 비례적분미분 제어기(PID controller, Proportional Integral Differential controller) 등이 있고 이러한 제어기 관련내용은 제어 항목 참고.

위와 같은 블록 다이어그램은 보통 라플라스 변환으로 모델링된 함수들로 각 블록이 채워지며, 이를 하나의 블럭으로 통합하는 과정을 거쳤을 때 그 블록의 내용을 전달함수(transfer function)라 한다. 시스템의 출력은 아래 그림과 같이 전달함수의 특성에 따라 달라지며, 자세하게는 전달함수의 극점(pole)과 영점(zero)을 복소 평면에 배치했을 때의 그 위치에 따라 달라지며, 그에 따라 결과값의 안정도(stability)[2]나 반응속도, 정상 편차(steady state error)가 달라진다.

파일:external/victorythegame.com/dumping%20ratio.png

제어공학자는 전체 시스템의 출력이 원하는 대로 나오게 만들기 위해 컨트롤러의 특성을 수정하여 플랜트만 존재할 때와는 다르게 전체 시스템의 극점과 영점의 위치를 재배치한다.

3. 난이도

기본적으로 미분방정식이나 라플라스 변환과 같은 공업수학 지식이 필요하며, 좀더 고급의 디지털 제어를 수행하려면 Z변환에 대한 지식과 선형대수학에 대한 기초적인 지식이 추가적으로 필요하다. 그렇기 때문에 제어공학은 보통 3학년 즈음에 개설된다. 보통 학부생 수준에서는 디지털 제어를 공부하지 않고 졸업하는 경우가 더 많다. 그러나 디지털 제어를 공부한다고 하여도 그 내용이 직관적으로 빠르게 이해되지 않기 때문에 많은 학생들이 고생하는 과목이기도 하다. 덕분에 재수강도 엄청 많다. 게다가 제어를 수행할 때에 워낙 여러 경우의 수가 있다 보니 다 외울 수 없어 오픈북 시험을 치르는 경우도 있다. 하지만 오픈북은 그만큼 어렵게 낸다 덕분에 제어공학을 전공하려고 한다고 하면 다른 학생들이 그것만으로 우러러 보는 경우도 있을 정도이다. 사실 수학이 문제가 아니다. 모델링을 하려면 회로이론 전자회로(아날로그 opamp와 rlc) 정역학, 동역학에 대한 깊은 이해와 진동학까지 알아야 한다.[3]

4. 제어 이론

제어 문서 참고

5. 진출 분야

당연하게도 기계, 전기, 전자 분야로 가장 많이 진출한다. 그리고 이 세 가지 분야의 TO가 많기 때문에 확실히 취업률 자체는 좋은 편이다. 하지만 제어공학과 학부 졸업생의 경우 취업률 대비 대기업 취업률은 좋지 않다는 이야기도 있다. 이 때문에 대학원 진학을 생각하는 사람도 많은 편이다.

좋은 랩실에서 박사학위를 마친 경우에는 과학기술분야 정부출연연구기관, 대기업 등에 취직할 수 있다. 산업계에서든 학계에서든 현대 제어공학에 대한 수요는 늘 있기 때문이다. 학계는 말할 것도 없고, 산업계에서도 반도체 양산 시스템에 사용되는 제어공학이나[4] 항공우주나 자동차 분야의 자동제어 등이 있다.

6. 각종 시험에서의 출제

국가기술자격시험의 경우, 전기기사, 전기공사기사, 철도신호기사 수험과목 중 하나가 제어공학이다. 다만, 단독과목이 아니고, 회로이론과 한 과목으로 묶여 있어서, 과목명이 회로이론 및 제어공학[5]이다. 그리고, 자동화설비산업기사의 자동제어 뿐만이 아니라 소방설비기사, 소방설비산업기사 전기분야의 경우, 단독 과목으로 출제되는 것이 아니고, 소방전기일반이라는 과목의 자동제어 부분에서 출제된다.

변리사 시험 2차 선택 과목 중 제어공학이 있다. 선택 과목을 제어공학을 한다고 제어공학 분야의 변리사가 되는 것은 아니다. 2018년부터 변리사 2차 선택과목은 총점에 합산되지 않고 50점만 넘으면 되는 Pass/Fail제도가 되었다. 따라서 제어공학 역시 50점만 넘으면 되기 때문에 방어과목이 되어 중요도가 떨어졌다. 다만 50점 미만도 50% 가까이 되기 때문에 마냥 쉬운 건 아니고 50점을 목표로 하기는 불안하므로 7~80점을 목표로 열심히는 해야한다. 다만 2018년 이후 디자인보호법/저작권법 쪽으로 쏠리는 경향이 나타나면서 2024년 기준 선택하는 사람은 극소수이다.
각급 공무원 기술직 중 7급 공무원에서 자동제어를 평가한다. 7급 기계직 공무원 직렬의 전공 4가지 과목(기계공작법, 기계설계, 물리학개론, 자동제어) 중 하나로 존재한다. 5급 공무원의 경우 과거 전기직 선택과목이었으며 자료가 많고 필수과목인 회로이론과 연계된다는 점 등을 이유로 대부분이 선택했으나 2025년 이후 선택과목이 폐지되면서 시험과목에서 빠지게 되었다.

5급과 변리사는 비슷하면서도 약간 차이가 있다. 변리사의 난이도가 좀 더 높고, 설명 문제, 살짝 부차적인 부분, 디지털 제어가 자주 출제되는 정도다. 5급의 경우 계산 위주로 진행되며, 2022~2002년도 시험 중 디지털 제어는 1~2문제밖에 없는 것으로 파악된다. 변시생이라면 두 기출[6]을 모두 풀어보는 것이 좋다. 솔루션을 구글링으로 쉽게 찾을 수 있는 점이 해당 선택과목 선택의 매력이다.

7. 교재

8. 기타

CIA에서는 소련의 파이프라인을 폭파시키기 위해 자동제어 소프트웨어를 이용한 적도 있다. CIA 문서 참고.


[1] 제어공학은 메카트로닉스, 자동화, 로봇과 밀접한 관련을 맺고 있는 학문이다. 따라서 "메카트로닉스"↔"자동화"↔"로봇"↔"제어"라는 말이 들어간 학과끼리는 배우는 게 서로 비슷비슷하며, 왼쪽일수록 기계공학에 가깝고, 오른쪽일수록 전기전자공학에 가까운 경향이 있다.[2] Nyquist diagram를 통하여 위상 및 안정도의 범위를 계산할 수 있다.[3] 선형파트까지는 제어이론이 전부 선형인 양 쉬워보이지만, 비선형으로 넘어가는 순간 혼돈의 메아리...[4] 이 경우에는 물리학과나 전자공학과 반도체 공정에 관한 전공지식이 필요하다.[5] 이 세 기사의 하위 레벨인 산업기사의 경우 회로이론만 단독과목으로 출제되며 제어공학은 아예 빠진다.[6] 기시의 경우 2024년 이전 기출