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기계공학실험 제어실험 보고서

"기계공학실험 제어실험 보고서"에 대한 내용입니다.
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최초등록일 2025.03.10 최종저작일 2023.04
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기계공학실험 제어실험 보고서
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    • 📊 개루프와 폐루프 제어 시스템의 명확한 비교 분석
    • 🛩️ 2DoF 무인기 제어 실험의 실제 사례 학습

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    소개

    "기계공학실험 제어실험 보고서"에 대한 내용입니다.

    목차

    I. 실험 이론
    1. 실험 목적
    2. 실험 이론

    II. 실험 결과 및 분석
    1. Open-loop responses of the flight dynamics device
    2. Closed-loop responses of the flight dynamics device

    III. 고찰

    본문내용

    1. 실험 이론 (1/2 Page 이내)
    1. 실험 목적
    제어실험은 제어시스템을 개루프와 폐루프 두 가지 경우에 대해 2DoF 무인기를 제어함으 로써 어떤 제어 방법이 적절한 제어인지 판단하고, PID 값을 변경함으로 어떤 응답 결과가 나오는지 확인하고 분석하는 실험이다.
    2. 실험 이론
    개루프 제어(open-loop control system) – 시스템의 제어입력이 출력과 독립적인 제어 시 스템이고, 구조가 간단하고 유지보수가 용이하나, 외란에 상당히 예민하고 그로인한 오차 발생이 크며, 시스템의 안정도를 중요하게 고려하지 않아도 된다.
    폐루프 제어(closed-loop control system) – 시스템의 제어입력이 출력에 종속적인 시스 템으로 Feed back을 통해 input조절이 가능하여 외란에 의해 발생한 문제를 대처할 수 있다. 하지만 상대적으로 더 많은 동력 및 비용이 들고, 시스템 안정도가 중요해진다.
    2. 실험 결과 및 분석
    ⚫ Open-loop responses of the flight dynamics device
    - 다양한 gain을 사용하여 step function의 open-loop responses(pitch angle with respect to time) 결과를 plot하세요.

    - 가능한 정확하게 원하는 pitch angle을 만족하는 open-loop input을 결정하세요.
    그래프 이름의 OPEN-loop뒤의 숫자는 입력한 전압이다.
    가장 pitch angle을 만족한 open-loop input은 6.3일때로 마지막 20초에서의..

    <중 략>

    참고자료

    · 김형근교수님, 제어실험이론 ppt, pp.1~40
    · 윤재현, 문현철, 도재혁.(2022).강화 PID 제어 시뮬레이션을 이용한 쿼드콥터 시스템의 제자리 비행 안정성에 관한 연구.대한기계학회 논문집 A권,46(9),843-852.
    · 윤재현, 이종수.(2014).PID 제어를 통한 쿼드콥터 자세 제어.대한기계학회 춘추학술대회,(pp),834-835.
    · 정유철, 이건복.(1999).폐루프시스템 인식을 이용한 제어기 설계기법.한국정밀공학회 학술발표대회 논문집,(pp),214-217.
  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. 개루프 제어(Open-loop Control System)
      개루프 제어는 시스템의 출력을 피드백받지 않고 미리 정해진 입력만을 적용하는 방식입니다. 이 방식의 장점은 구조가 단순하고 비용이 저렴하며 구현이 용이하다는 점입니다. 그러나 외부 교란이나 시스템 파라미터 변화에 대응할 수 없어 정확도가 낮다는 심각한 단점이 있습니다. 세탁기나 전자레인지 같은 단순한 응용에는 적합하지만, 항공기 제어나 로봇 팔 같은 정밀한 제어가 필요한 분야에서는 부적절합니다. 따라서 개루프 제어는 시스템의 특성이 잘 알려져 있고 외부 교란이 적은 특정 상황에서만 제한적으로 사용되어야 합니다.
    • 2. 폐루프 제어(Closed-loop Control System)
      폐루프 제어는 시스템의 출력을 측정하여 목표값과 비교하고 그 오차를 바탕으로 입력을 조정하는 피드백 제어 방식입니다. 이 방식은 외부 교란과 시스템 파라미터 변화에 강건하며 높은 정확도를 제공합니다. 현대의 대부분의 제어 시스템이 폐루프 방식을 채택하고 있으며, 항공기, 자동차, 산업용 로봇 등 다양한 분야에서 필수적입니다. 다만 센서 비용 증가, 시스템 복잡도 증가, 그리고 부적절한 제어 게인 설정 시 발진 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다. 전반적으로 정밀한 제어가 필요한 현대 시스템에서 폐루프 제어는 거의 필수적인 요소입니다.
    • 3. PID 제어 및 응답 분석
      PID 제어는 비례(P), 적분(I), 미분(D) 항을 조합하여 시스템을 제어하는 가장 널리 사용되는 제어 알고리즘입니다. P 항은 현재 오차에 반응하고, I 항은 누적 오차를 제거하며, D 항은 오차 변화율을 예측하여 안정성을 개선합니다. PID 제어의 장점은 구조가 간단하면서도 대부분의 산업 응용에 효과적이라는 점입니다. 응답 분석을 통해 오버슈트, 정착시간, 정상상태 오차 등을 평가할 수 있습니다. 그러나 비선형 시스템이나 시간 지연이 큰 시스템에서는 성능이 제한적이며, 게인 튜닝이 어려울 수 있습니다. 따라서 PID 제어는 산업 현장에서 가장 실용적인 선택이지만, 특수한 응용에서는 고급 제어 기법의 필요성을 인식해야 합니다.
    • 4. 비행 동역학 장치의 개루프 응답
      비행 동역학 장치의 개루프 응답 분석은 항공기의 기본적인 동적 특성을 이해하는 데 중요합니다. 개루프 응답을 통해 항공기의 자연 주파수, 감쇠비, 안정성 여유 등을 파악할 수 있습니다. 그러나 실제 비행 제어에서는 외부 교란(바람, 난기류)과 센서 오차에 대응해야 하므로 순수 개루프 제어만으로는 불충분합니다. 개루프 응답 분석은 폐루프 제어 설계의 기초가 되며, 제어 게인 결정 및 안정성 검증에 필수적입니다. 현대 항공기는 자동 조종 장치와 비행 제어 컴퓨터를 통해 정교한 폐루프 제어를 구현하고 있으며, 개루프 응답 특성은 이러한 고급 제어 시스템 설계의 출발점이 됩니다.
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