도립진자 1차 실험 실습 레포트 결과 레포트 예비 레포트

문서 내 토픽

1. Simulink 모델링

실험에서는 Simulink를 통해 시스템을 모델링하고 모의실험 및 분석을 수행했습니다. 문제 상황을 Simulink로 구현하여 4초 후의 사과 위치를 그래프로 확인했습니다.
2. PID 제어의 모의실험

도립진자 모델에 대해 P, I, D 값을 변경하며 3가지 케이스의 외력, 실제 힘, 카트 위치, 진자 각도 그래프를 확인했습니다. D 값이 커질수록 진자 움직임이 증가하고, I 값이 커질수록 카트 위치 도달 시간이 줄어들었습니다. P 값이 커질수록 진자가 0도에 수렴하는 시간이 단축되었습니다.
3. 도립진자 유지 시 카트 움직임

도립진자가 0도를 유지해도 카트가 계속 움직이는 이유는 PID 증폭기의 특성상 정상상태 오차가 남아있기 때문이며, PID 증폭기가 진자 각도만 제어하고 카트 위치는 제대로 제어하지 못했기 때문으로 추정됩니다.
4. 카트 위치 제어 PID 증폭기 추가

진자 각도 제어와 카트 위치 제어를 위한 두 개의 PID 증폭기를 적용하면 카트가 멈출 수 있습니다. 적절한 P, I, D 값 설정을 통해 도립진자를 빠르게 직립시키고 카트 움직임을 안정적으로 멈출 수 있었습니다.
5. PID 증폭기 값 비율

PID 증폭기 값 사이의 적절한 비율이 중요하지만, 이를 도출해내기는 어려웠습니다. 증폭기 값이 일정 비율에서 벗어나면 그래프가 크게 발산하는 경우가 많았습니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. Simulink 모델링

Simulink는 MATLAB 기반의 시뮬레이션 도구로, 복잡한 동적 시스템을 시각적으로 모델링하고 시뮬레이션할 수 있는 강력한 기능을 제공합니다. Simulink를 통해 시스템의 동작을 쉽게 이해하고 분석할 수 있으며, 제어 알고리즘을 빠르게 개발하고 테스트할 수 있습니다. 또한 Simulink는 다양한 물리적 시스템을 모델링할 수 있어 광범위한 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 따라서 Simulink 모델링은 시스템 설계 및 분석에 매우 유용한 도구라고 할 수 있습니다.
2. PID 제어의 모의실험

PID(비례-적분-미분) 제어는 가장 널리 사용되는 피드백 제어 알고리즘 중 하나입니다. PID 제어의 모의실험은 실제 시스템을 구현하기 전에 제어 성능을 평가하고 최적의 PID 파라미터를 찾는 데 매우 유용합니다. Simulink와 같은 시뮬레이션 도구를 활용하면 PID 제어기의 동작을 쉽게 시각화하고 분석할 수 있습니다. 또한 다양한 외란 조건이나 시스템 변수 변화에 대한 제어기의 응답을 확인할 수 있어 실제 시스템 구현 전에 제어기 성능을 충분히 검증할 수 있습니다. 따라서 PID 제어의 모의실험은 효과적인 제어기 설계를 위해 필수적인 과정이라고 할 수 있습니다.
3. 도립진자 유지 시 카트 움직임

도립진자 시스템은 불안정한 균형 상태를 유지해야 하는 대표적인 제어 문제입니다. 도립진자를 안정적으로 유지하기 위해서는 카트의 움직임을 적절히 제어해야 합니다. 이때 카트의 움직임은 진자의 각도 변화에 따라 결정되며, 이 둘 간의 관계를 정확히 모델링하고 제어하는 것이 중요합니다. Simulink를 활용하면 도립진자 시스템의 동적 특성을 쉽게 시뮬레이션할 수 있으며, 다양한 제어 기법을 적용하여 카트의 움직임을 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 도립진자를 안정적으로 유지하면서도 카트의 움직임을 최소화할 수 있습니다.
4. 카트 위치 제어 PID 증폭기 추가

도립진자 시스템에서 카트의 위치 제어는 매우 중요한 요소입니다. PID 제어기를 활용하면 카트의 위치를 효과적으로 제어할 수 있습니다. PID 증폭기를 추가하면 각 제어 요소(비례, 적분, 미분)의 영향을 조절할 수 있어 시스템의 안정성과 응답 특성을 최적화할 수 있습니다. Simulink를 통해 PID 증폭기 값을 변경하며 시뮬레이션을 수행하면 카트 위치 제어 성능을 쉽게 평가할 수 있습니다. 이를 통해 실제 시스템 구현 전에 최적의 PID 파라미터를 찾을 수 있으며, 안정적이고 정밀한 카트 위치 제어가 가능합니다.
5. PID 증폭기 값 비율

PID 제어기의 성능은 비례, 적분, 미분 각 요소의 증폭 값(Kp, Ki, Kd)에 크게 의존합니다. 이 세 가지 증폭기 값의 적절한 비율을 찾는 것이 PID 제어기 설계의 핵심입니다. Simulink를 활용하면 다양한 PID 증폭기 값 조합을 시뮬레이션하여 최적의 비율을 쉽게 찾을 수 있습니다. 예를 들어 Kp를 크게 하면 응답 속도가 빨라지지만 오버슈트가 커질 수 있고, Ki를 크게 하면 정상 상태 오차가 줄어들지만 불안정해질 수 있습니다. 이처럼 각 요소의 증폭기 값 비율을 적절히 조절하여 시스템의 안정성, 응답 특성, 정밀도 등을 최적화할 수 있습니다.