인천대 기계공학실험 제어 실험 레포트

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문서 내 토픽

• 1. PID 제어

  PID 제어는 폐루프 제어의 일종으로 측정된 출력으로부터 오차를 계산하고, 비례(P), 적분(I), 미분(D) 동작의 조합을 통해 제어를 수행한다. 비례항은 오차에 비례하는 입력으로 목표값에 빠르게 도달하게 하고, 적분항은 정상상태 오차를 개선하며, 미분항은 오버슈팅과 진동현상을 개선한다.

• 2. 개루프 제어와 폐루프 제어

  개루프 제어는 구조가 간단하고 유지보수 비용이 저렴하지만 외란에 취약하다. 폐루프 제어는 시스템의 출력을 측정하여 피드백으로 입력을 조절하므로, 외란이 발생해도 피드백을 통해 보정하여 원하는 값으로 수렴할 수 있다.

• 3. 제어 시스템의 전달함수

  제어 시스템의 입출력 사이 관계는 라플라스 변환을 통해 전달함수로 표현할 수 있다. 본 실험의 2DOF 무인기 실험장치의 pitch축 개루프 전달함수는 이득 K에 대해 수식으로 표현되며, 이를 통해 시스템의 동적 특성을 분석할 수 있다.

• 4. 제어 성능 평가

  외란이 없는 이상적인 경우 개루프와 폐루프 제어 모두 gain을 적절히 조절하여 pitch각을 제어할 수 있다. 그러나 외란 발생 시 폐루프 제어가 피드백을 통해 오차를 보정하여 원하는 각도로 수렴하므로 폐루프 제어가 더 우수한 제어 성능을 보인다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. PID 제어

  PID 제어는 산업 제어 시스템에서 가장 널리 사용되는 고전적 제어 기법입니다. 비례, 적분, 미분 항의 조합으로 시스템의 오차를 효과적으로 보정하며, 구현이 간단하면서도 다양한 응용에 적용 가능합니다. 특히 튜닝 파라미터(Kp, Ki, Kd)의 조정을 통해 시스템 응답 특성을 제어할 수 있다는 점이 장점입니다. 다만 비선형 시스템이나 시간 지연이 큰 시스템에서는 성능이 제한될 수 있으며, 파라미터 튜닝에 경험과 노하우가 필요합니다. 현대에는 자동 튜닝 알고리즘과 결합되어 더욱 효율적으로 활용되고 있습니다.

• 2. 개루프 제어와 폐루프 제어

  개루프 제어는 구조가 단순하고 비용이 저렴하지만 외부 교란에 취약하고 정확도가 낮습니다. 반면 폐루프 제어는 피드백을 통해 시스템 오차를 실시간으로 감지하고 보정하므로 안정성과 정확도가 우수합니다. 폐루프 제어는 외부 환경 변화에 강건하며 시스템 불확실성을 극복할 수 있습니다. 그러나 센서 비용, 신호 처리 복잡도, 피드백 지연 등의 단점이 있습니다. 실제 응용에서는 두 방식의 장점을 결합한 하이브리드 접근법이 효과적이며, 시스템 요구사항과 비용 제약을 고려하여 선택해야 합니다.

• 3. 제어 시스템의 전달함수

  전달함수는 선형 시불변 시스템의 입출력 관계를 라플라스 변환으로 표현하는 강력한 도구입니다. 복잡한 미분방정식을 대수식으로 변환하여 시스템 분석과 설계를 용이하게 합니다. 주파수 응답, 안정성, 과도 응답 등을 효율적으로 분석할 수 있으며, 보드 선도와 나이퀴스트 선도 같은 그래프 기법을 활용한 직관적 이해가 가능합니다. 다만 비선형 시스템이나 시간 변화 시스템에는 직접 적용할 수 없다는 한계가 있습니다. 현대 제어 이론에서도 상태공간 표현과 함께 중요한 역할을 하며, 디지털 제어에서는 z-변환으로 확장되어 활용됩니다.

• 4. 제어 성능 평가

  제어 성능 평가는 설계된 제어 시스템이 요구사항을 만족하는지 검증하는 필수 과정입니다. 정상상태 오차, 과도 응답(상승시간, 정착시간, 오버슈트), 안정성 여유 등 다양한 지표를 통해 종합적으로 평가합니다. 시간 영역과 주파수 영역 분석을 병행하면 시스템의 동적 특성을 더욱 명확히 파악할 수 있습니다. 실제 응용에서는 에너지 효율, 제어 입력의 크기, 노이즈 감수성 등도 고려해야 합니다. 성능 평가 결과에 따라 제어기 파라미터를 재조정하거나 제어 구조를 개선하는 반복 과정이 중요하며, 시뮬레이션과 실험을 통한 검증이 필수적입니다.