1.1 연구 배경 및 동기현대 제어 공학에서 불안정하고 과소구동인 시스템을 안정화시키는 기술은 로보틱스, 항공우주, 자율주행 차량 등 여러 가지 첨단 산업 분야의 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 그중에서 Ball-on-Beam 시스템은 빔의 기울기를 조절하여 그위에 놓인 공의 위치를 제어하는 시스템으로, 구조는 매우 단순하지만 시스템 자체는 본질적으로 불안정하고 비선형적인 특성을 가지고 있어서 제어 이론의 검증 및 교육을 위한 표준 플랫폼으로 널리 활용되고 있다[1, 2]. 또한 다양한 제어 기법들이 적용되어 왔다[3-9]. 최근에는 더 복잡한 제어 기법들에 대한 연구가 진행되고 있고 6자유도 시스템 혹은 실제 로봇이나 운송장치에 적용하는 방식도 사용되고 있다[10-15].본 논문에서는 Solidworks 모델링과 MATLAB Simscape 시뮬레이션을 연동하여 Ball-on-Beam 시스템의 기구학적 구조를 분석하고 제어기의 타당성을 검증해 본후, 비전 센서를 활용하여 공의 현재 상태를 파악하고 PID 제어를 통하여 Ball-on-Plate 시스템보다 자유도는 낮고 동역학적 특징은 유사한 Ball-on-Beam의 균형을 유지하는 시스템을 설계하고 제작하였다. 그리고 PID 제어의 정밀도를 높이기 위하여 파라미터를 조절하고 오버슈트, 정착 시간, 안정성 등을 측정하여 Ball-on-Beam의 성능을 향상시키는 과정을 체계적으로 분석하고자 한다.1.2 연구 목적본 연구의 구체적인 목표는 다음과 같다.a) 동역학적 모델링 및 선형화 : 라그랑주 방정식을 이용하여 시스템의 운동 방정식을 유도하고 작은 각도 근사를 통해 선형 전달 함수를 도출한다[16, 17].b) Simscape 기반 시뮬레이션 : MATLAB/Simscape Multibody를 이용하여 마찰, 관성, 중력 등이 반영된 가상 실험 환경을 구축하고 PID 제어기의 초기 파라미터를 설계한다.