제어(수동, 자동, 반자동, 학습형)

이미지 정보의 취득, 분석 및 활용 (10)

지난 호에서는 시각적 자극을 통해서 얻어지는 시각 정보의 ‘분석과 분석 결과의 활용’에 관하여 무지개, 해무리, 착시 현상, 신기루와 같은 자연 현상부터 빛과 그림자의 예술적인 응용을 예로 들어 살펴보았다. 현상의 관찰도 중요하지만 눈에 보이는 것이라고 하더라도 진실과 다를 수 있으며 눈에 보이지 않지만 실제로 일어나고 있는 현상도 많기 때문에, 다양한 관점에서 심도 있는 분석이 중요하다는 것을 강조하였다.

이번 호에서는 ‘제어’의 개념에 관하여 이야기하고 제어에 필요한 기본적인 구성 요소의 기능과 역할에 관하여 살펴보고자 한다. 수동, 자동, 반자동, 적응형, 학습형 등 다양한 형태의 제어 방식에 관하여 여러 가지 사례를 예로 들어 소개한다.

■ 연재순서
제1회 측정의 목적(호기심, 정보 수집)
제2회 단위(비교의 기준)
제3회 길이 측정
제4회 무게 측정
제5회 시간 측정
제6회 에너지 측정
제7회 정적 측정과 동적 측정
제8회 측정 결과의 분석
제9회 분석 결과의 활용
제10회 제어(수동, 자동, 반자동, 학습형)
제11회 정보의 가시화
제12회 입체 이미지 정보의 유혹과 과제

■ 유우식
미국 웨이퍼마스터스(WaferMasters)의 사장 겸 CTO이다. 동국대학교 전자공학과, 일본 교토대학 대학원과 미국 브라운대학교를 거쳐 미국 내 다수의 반도체 재료 및 생산설비분야 기업에서 반도체를 포함한 전자재료, 공정, 물성, 소재분석, 이미지 해석 및 프로그램 개발과 관련한 연구를 진행하고 있다. 일본 오사카대학 대학원 공학연구과 공동연구원, 경북대학교 인문학술원 객원연구원, 국민대학교 산림과학연구소 연구원, 문화유산 회복재단 학술위원이다.
이메일 | woosik.yoo@wafermasters.com
홈페이지 | www.wafermasters.com

제어란 무엇일까?

‘제어(制御, control)’라는 단어를 사전에서 찾아보면 여러 가지 뜻이 있으나, 이 글에서 다루는 의미는 ‘기계나 설비 또는 화학 반응 따위가 목적에 알맞은 작용을 하도록 조절함’이 가장 적합한 설명이다. ‘상대편을 억눌러서 제 마음대로 다룸’, ‘감정, 충동, 생각 따위를 막거나 누름’이라는 뜻도 아울러 소개되어 있다. 자연스럽게 평형을 이루었거나 정적(靜的)인 상태라면 굳이 제어를 생각할 필요는 없다. 제어 대상을 현재 상태에서 희망하는 상태(목표치)로 변화시키기 위해서 대상에 힘 또는 에너지를 공급하거나, 공급되는 에너지를 차단하거나 감소시키는 방법으로 목표치에 도달하게 조절하는 것이 제어라고 할 수 있다.

그림 1. 원시적 무기와 현대 무기의 발사체 제어 방식 비교

<그림 1>에 나열한 여러 가지 형태의 무기 이미지를 모아서 에너지의 조절(제어) 방식에 따라 구별해 보았다. 돌, 화살, 총탄 모두 외부에서 어떤 힘이 가해지지 않으면 움직이지 않는다. 미사일의 경우에도 내부에서 연료를 연소해서 추진력이 생기지 않으면 미동도 하지 않는다. 물리학에서 이야기하는 관성의 법칙, 즉 ‘물체가 밖의 힘을 받지 않는 한 정지 또는 등속도 운동의 상태를 지속하려는 성질’을 가지고 있기 때문이다. 무기의 특성상 목표물까지 날아가서 목표물에 명중하기 위해서는 외부 또는 내부에서 힘을 가하여 원하는 방향으로 원하는 속도로 날아가도록 해야 한다.

<그림 1> 왼쪽에 있는 돌, 화살, 총탄의 경우에는 발사할 때의 힘으로 속도가 정해지고 발사 각도로 발사기를 떠나게 되면 주변 환경의 변화에도 무방비 상태이며, 중력의 영향으로 계속 낙하하면서 목표물에 도달하거나 지상에 떨어질 때까지 포물선 궤도로 나아갈 뿐이다. 이동하는 목표물을 겨냥할 경우에는 발사체를 발사할 당시의 예상과 다른 방향으로 이동하면 목표물을 맞출 수도 없다. 발사체를 떠나는 순간 우리가 할 수 있는 일은 없다.

반면, 오른쪽에 표시된 미사일의 경우에는 자신의 위치와 목표물을 위치를 실시간으로 추적하면서 목표물에 명중할 수 있도록 연료의 연소량을 조절(제어)하여 발사 후의 상황 변화에 대응하여 목표물을 맞추는 방법이 사용된다. 발사 후에도 상황 변화에 맞추어 어느 정도의 범위 내에서 목표물에 명중할 확률이 가장 높은 경로로 발사체의 속도와 방향을 실시간으로 자동 계산하여 제어하는 방식이다. 많은 종류의 센서와 복잡한 제어 알고리즘을 갖춘 전자 제어 시스템이 필요하다.

고대 그리스의 자동 제어

전자 제어 시스템이 없었을 때에는 제어가 불가능했을까? 그렇지 않다. 고대 그리스 알렉산드리아 신전에서 증기의 힘을 이용한 자동문과 그 동작 원리를 <그림 2>에 소개한다. 그리스-이집트의 수학자이며 발명가인 헤론(Heron, 서기 10년~70년)이 개발한 것으로 알려져 있다. 신전의 제단에 불을 붙이면 제단 아래의 공기가 덥혀져 공기의 압력이 상승하고, 제단 아래에 있는 물탱크의 물이 신전 문의 회전축과 연결된 양동이에 채워지도록 고안되었다. 양동이에 물이 차면 그 무게로 양동이가 중력에 의해서 아래로 내려가고, 회전문의 회전축에 감긴 밧줄이 당겨져 문이 열리게 된다.

그림 2. 고대 그리스 알렉산드리아 신전에서 증기의 힘을 이용한 자동문