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서보모터 PID제어 실험 평가A좋아요

항공우주 및 기계공학부담당 교수 :권 상 주 교수님실험 일자 :2017. 3. 16제출 일자 :2013. 3. 24실험 조원 :서정환(2012121112)이정호(2013121168)임순빈(2013121183)응용공학실험 Report(LabVIEW를 이용한 서보모터 제어실험)1. 서보의 역사.자동제어가 연관을 관계되고, 서보테크닉(주파수응답법), 피드백제어, 오토메이션(Automation: 자동화)으로 발전하는데 서보기구가 사용됨.서보는 유압서보의 문제점(작동을 위한 기름의 관리, 기름의 누출, 폐유의 처리)에 의해 전기서보가 전성기를 맞이하게 된다.전기서보는 저관성 서보 전동기나 저속 대토크 서보 전동기의 직류서보 전동기를 이용한 DC서보가 사용되었다. 그러나 직류서보 전동기에는 전류를 바꾸기 위한 정류자의 브러시와 코뮤데이터의 마찰부분이 있어 브러시 분말과 브러시.코뮤데이터 손상의 보상이 필요하다.동기전동기, 유도전동기의 교류서보 전동기에는 정류자가 없기 때문에 보상이 없어도 된다.교류서보 전동기를 구동시키려면 교류주파수를 변화시켜 전동기 속도를 변화시킬 필요가 있는데 직류를 가변주파수의 교류로 변화시키는 성능이 좋은 인버터 회로를 트랜지스터나 다이리스터 등 반도체 소자로 실현할 수 있게 되었다.또 마이크로일렉트로닉스의 연산기술이 교류서보 콘트롤러에 이용되게 되었기 때문에 교류서보 전동기를 이용한 AC 서보의 성능이 향상되었으며, 비용면에서도 DC 서보에 필적할 만큼 되고, 무보상의 유리함으로 AC 서보가 로봇제어에 많이 쓰이게 되었다.2. 서보(SERVO)의 정의로봇의 팔을 움직인다든지, NC(Numerical control, 수치 제어) 공작기계의 테이블 위치결정에 사용되는 모터를 서보모터(SERVO MOTOR)라고 부르고 있다.여기에서 “서보"란 ”서보 메카니즘(Servo Mechanism)“의 줄임말로서, 일본공업규격(JIS)에서는 ”물체의 위치, 방위, 자세 등을 제어량으로 하고, 목표치의 임의 변화에 추종하도록 구성된 제어계“라고 정의되어 있다. 시(Brush)를 통해서 회전하는 전기자 코일에 공급된다. 한편 모터의 축에는 위치나 속도검출을 위한 각종 검출기가 연결되어 있다. 대표적인 검출기로는 타코미터(Tachometer) 혹은 인코더(Encoder) 등이 있다.2) AC 서보모터: 고정자(Stator)는 코일로 감겨진 전기자로 되어 있고, 회전자는 영구자석(계자)으로 구성되어 있다. 따라서 이를 “회전계자형”이라고 한다. 이러한 구조는 DC서보모터와 정반대의 구조를 갖고 있음을 알 수 있다.또한 모터의 전력선에는 AC전원이 공급되며, 전기자 권선이 고정자에 감겨있음으로 브러시가 필요없게 된다. 따라서 AC 서보모터를 브러시리스 모터(Brushless motor)라고도 한다.(1) 동기기형 AC 서보모터(SM형(Synchronous Type AC Servo Motor)혹은 브러시리스(Brushless) DC 서보모터)고정자측 구성은 기계적지지를 목적으로 하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에 원통형의 고정자 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다. 권선 끝단에는 리드선이 나와 있어서 이 리드선으로부터 전류 및 전압이 공급된다.회전차측 구성은 샤프트와 샤프트 외경에 자석이 부착되어 있다. 양쪽 브라켓 및 플랜지에는 볼 베어링이 부착되어 있다.동기기형 AC 서보모터는 DC 서보모터와 반대로 자석이 회전자에 부착되어 있고 전기자 권선은 고정자측에 잠겨져 있다. 따라서 정류자나 커뮤테이터 없이도 외부로부터 직접 전원을 공급받을 수 있는 구조이기 때문에 브러시리스 DC 서보모터라고도 한다.(2) 유도기형 AC 서보모터(IM형 서보모터(induction Type Servo Motor)유도기형 AC 서보모터의 구조는 일반 유도기(Induction Motor)의 구조와 똑같다. 즉 고정자측은 프레임, 고정자 코어, 전기자 권선, 리드선으로 구성되어 있고 회전자는 샤프트, 회전자 코어 그리고 코어 외경에 도전체가 조립되어 있다.컨덕터는 코어 외경에 축 방향으로 경사지게 많은 슬롯이 나있는데 링 형상의 코어 양단면과 슬롯에는를 내릴수 있다.한편, AC 서보 모터는 일반적으로 주파수를 변화시켜 회전속도를 바꾸는데, 이 주파수에는 자연히 한계가 있다. 간단한 인버터를 사용한 정도면 서보모터의 특징인 넓은 변속 범위를 얻을수 없다.DC 서보모터와 AC 서보모터의 비교DC 서보모터AC 서보모터브러시 서보모터(Brushed servomotor)브러시리스 서보모터(Brushless servomotor)제어구조가 간단제어구조가 복잡단상 인버터3상 인버터회전 전기자형회전 계자형방열이 나쁨방열이 양호유지, 보수가 필요(브러시 마모)유지, 보수가 거의 필요없음최대속도가 낮다최대속도가 높다정격용량이 작다정격용량이 크다모터AC모터(교류전동기)유도전동기단상유도전동기분상시동식콘덴서시동식콘덴서시운전식반발시동식3상유도전동기보통 농형특수 농형권선형동기전동기회전자극형영구자석형유도자형권선계자형회전전기자형정류자전동기직권형(직렬형모터)분권형유니버셜모터DC모터(직류전동기)직권형(직렬형), 분권형(병렬형), 복권형(혼합형)전원, 회전원리, 구조에 의한 모터의 분류PID 제어의 원리PID 제어의 기본적인 의미는 비례제어기, 적분제어기와 미분제어기로 이루어 지며, 시중에 보편적으로 가장 많이 알려진 방법이다. 위 그림에서는 Process가 Plant라고 하는데 이때 Plant는 입/출력 관계를 가지는 어떤것 이다. 최초 시작점 Setpoint에서 기준입력값 u(t)를 입력하게 되면 첫사이클에서 센서에의해 계산된 오차율이 입력되며 사이클을 돌때마다 원하는 값으로 수렴해 나가기 위한 제어 시스템이다. 따라서 오차신호를 계산하는 방법은,u(t)=K _{p} e+K _{I} int _{} ^{} {edt+K _{p} {de} over {dt}} 이며, 제어기가 플랜트, 즉 전달함수에 미치는 영향은 곱의 형태라는것을 기억하면 ,K _{p}는 오차율에 곱해지는 비례 Gain,K _{I}는 오차율을 적분한 값에 곱해지는 Gain,K _{p}는 오차율에 미분한 값에 곱해지는 미분 Gain 임을 알수 있다. PID의 성능이나 올바른 제어를 보내주는 역할을 한다.PC - LabVIEW 프로그램을 이용하여 While Loop를 생성하여 Motor BOX에 명령을 내린다.실험방법실험11. LabVIEW 프로그램으로 While Loop를 만든다.2. While Loop안에 함수들을 생성시키고 전압을 조정할수 있는 Numerical Control을 만든다.3. 제어기를 구성하고 0~5V까지 상승,하강으로 데이터값을 획득한다.4. Origin 프로그램으로 그래프를 도시화 한다.실험21. LabVIEW 프로그램으로 While Loop를 생성한다.2. While Loop안에 함수들을 생성시키고 원하는 모터 회전 각도를 입력하는 Numerical Control을 생성한다.3. 비례,비례-미분 그리고 비례-적분-미분 제어기를 구성한다.기준입력 싸이클 이후의 오차율이 입력되므로, PD제어기의 오차는 한 루프의 시간으로 나우어 속도 오차를 계산한다. 따라서 미분제어기의 오차는e _{D} (i)= LEFT [ e _{P} (i)-e _{P} (i-1) RIGHT ] /h 이며 PD제어기의 오차는K _{D} 를 곱함으로써 미분제어기의 입력을 계산하고 PD제어 입력을 산출하게 된다.u _{PD} (i)=u _{p} (i)+u _{D} (i)=K _{p} e _{p} (i)+K _{D} e _{D} (i) PID제어기의 적분오차는e _{I} (i)=(e _{P} (i)+e _{P} (i-1)) TIMES {h} over {2} +e _{I} (i-1)처럼 계산하고, PID 입력은,u _{PID} (i)=u _{P} (i)+u _{I} (i)+u _{D} (i)=K _{P} e _{P} (i)+K _{I} e _{I} (i)+K _{D} e _{D} (i)로 출력한다.실험1. 데이터 입출력 실험-LabVIEW 프로그램을 이용한 데이터 입출력 실험 해석전압을 입력하는 역할. 디지털화 된 데이터 형태를 갖고 있다.실험자가 조작할 수 있으며 전압의 변화에 따라 RPM이 바뀌게 된다.Numerical Control에 전압을 입력하 {sec} TIMES {60sec} over {min} = {rotation} over {min}실험자가 설계한 알고리즘을 시간에 따른 그래프로 그려준다.데이터 입출력 실험에서는 입력전압에 따른 모터의 RPM을 보여준다.실험 진행 시, 데이터가 따로 저장되지 않고 덮어씌워진다.이를 방지하기 위해 새 폴더를 만들 필요성이 있는데,그때 필요한 Tool이다.루프 안에서의 연산을 중지시키는 역할을 한다.-데이터 입출력 실험 결과값 및 Curve처음 입력전압 0V에서 시작해서 단계별로 1V씩 올려 4V까지 올렸을 때의 Curve는 위와 같이 단계형태의 모양으로 출력되는데, 입력전압이 증가할수록 수렴하는 rpm의 값이 입력전압에 비례하여 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 입력 전압이 증가함에 따라 모터에 흐르는 전류가 비례하여 증가하고, 그 전기에너지에 의해 발생하는 동력과 토크가 증가하면서 모터의 회전속도가 증가하게 된다. 따라서 서보모터의 회전속도는 입력전압에 비례하여 증가함을 알 수 있다.또한 그래프를 보면 정상상태에 도달하기 전 선형구간이 존재하는 것을 확인할 수 있는데, 수렴하는 rpm의 크기가 입력전압에 따라 증가하기 때문에 선형구간의 기울기 역시 입력전압에 비례하여 커짐을 알 수 있다.실험 결과 open-loop system을 통해 LabVIEW를 기반으로 한 데이터의 입출력이 제대로 되고 있음을 알 수 있다.실험2. 위치제어 실험-LabVIEW프로그램을 이용한 위치제어 실험 해석{pi } over {180}을 곱해주어 Radian으로 단위를 변환 한다.Compound Arithmetic으로서 사칙연산을 계속적으로 하게 해주는 역할P 제어기 연산자P 제어는 위치의 오차를 제어한다.따라서, 각도 입력에서 현재각도를 뺀 뒤 라디안으로 바꿔주고, P Gain 값을 곱하였다.D 제어기 연산자PD제어기는 P제어기에, 위치를 한번 미분한 속도의 오차를 제어하므로, 위치오차에 진동수 20을 곱해주고D Gain 값을 곱하였다.I 제어기 연산자PID제어기는 PD제어기에, 결과

공학/기술| 2017.05.16| 15페이지| 2,000원| 조회(685)

서보모터, 서보모터 각속도, PID제어 실험

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압력변환기 교정실험

1. 압력변환기 교정 실험1. 압력변환기 교정압력계의 보정 실험을 통해, 유체의 압력 및 압력 측정 원리를 이해하고 유동 내의 원주 표면의 압력 분포를 측정하여 표면에 작용하는 압력 힘 즉, 항력을 구함으로 유체가 유동 내의 물체에 작용하는 힘의 발생 원리를 이해한다.2. 압력교정절차1) 실험실에 준비된 온도계, 습도계, 기압계로부터 현재의 압력, 온도, 습도를 기록한다.2) 가압기를 제거한 평형상태에서 압력 변환기의 전압 및 마노미터 수주 높이를 기록한다.3) 가압기(주사기)를 압력선에 연결한 후 압력을 -50mm 수주까지 낮춘 다음, 압력을 서서히 가하면서(수주 약 5mm 간격) 디지털 압력계의 전압 및 마노미터의 수주높이를 측정한다온도(CENTIGRADE )습도(%)압력(Kpa)rho _{H2O}(kg/m ^{3})중력(m/s ^{2})민감도24.940100.8997.029.810.8264) 마노미터의 지시 값들을 다음의 식을 이용하여 압력으로 환산한다.(TRIANGLE P= rho _{H _{2} O} times {1} over {0.826} g TRIANGLE L _{read}) (S= {DELTA L} over {h _{e}} = {rho _{H _{2} O}} over {rho _{3} (sin theta +d ^{2} /D ^{2} )})■ 실험 DATA마노미터(mm)출력전압(V)압력TRIANGLE p(Pa)V ^{2}전압*압력600.998-500.822-592.0560.675684-486.67-450.836-532.850.698896-445.463-400.861-473.6450.741321-407.808-350.877-414.4390.769129-363.463-300.894-355.2340.799236-317.579-250.911-296.0280.829921-269.682-200.927-236.8220.859329-219.534-150.943-177.6170.889249-167.493-100.961-118.4110.923521-113.793-5을TRIANGLE p`=`aV`+`b로 하여 상수 a 및 b 를 다음 절차로 구한다. ( n = data의 개수)a= {n sum _{} ^{} (V`times TRIANGLE P)- sum _{} ^{} V`times sum _{} ^{} TRIANGLE P} over {n sum _{} ^{} V ^{2} -( sum _{} ^{} V) ^{2}}b= {sum _{} ^{} TRIANGLE P} over {n} -a {sum _{} ^{} V} over {n}a = 3404.068, b = -3398.483TRIANGLE p`=`3404.068V`-3398.4832. 원통주위의 압력 측정 실험1. 원통주위의 압력 측정 및 압력항력 계산 절차1) 준비된 온도계, 습도계, 기압계로부터 현대의 대기압, 온도 습도를 기록한다.2) 압력 교정 시 사용하였던 가압기(주사기)를 압력선에서 분리하고 원통의 정압 호스를 연결한 후, 정압공의 방향을 0도에 맞춘 다음 풍동이 정지된 상태에서 디지털 압력계의 지시 및 마노미터 지시값(이 압력은 계기압력으로 0 압력이다.)을 기록한다.온도(CENTIGRADE )습도(%)압력(Kpa)rho _{H2O}(kg/m ^{3})중력(m/s ^{2})민감도24.940100.8997.029.810.8263) 풍동을 최대 속도로 작동시킨 뒤 원통을 일정 각도 씩 증가 시켜 -10°~180°까지 회전시키면서 디지털 압력계의 지시 및 마노미터 지시 값을 기록한다.보간법에 의해 절대점성계수 at 24.9CENTIGRADE = 0.000018394 이다.온도(Celcius)점도(N BULLET s/m ^{2})계산점도(N BULLET s/m ^{2})201.81E-050.000018394251.84E-054) 압력 교정 실험식을 이용하여 측정 출력전압을 압력으로 환산한다.5) 회전 각 -10도~180도사이에서 압력이 최대가 되는 각도인 정체 점 각도와 이곳의 정체점 압력을 찾는다.정체점 압력P _{max}(at 0°) = 331.80313126) 풍 속도는V _{INF } = sqrt {{2(p _{t} -p _{INF } )} over {rho _{air}}} = sqrt {{2 TIMES DELTA p`} over {rho _{air}} `} `식을 이용하여 구하면V _{INF } `=`23.75027m/s 이다.7) 측정된 대기 온도를 이용하여 공기의 동점성 계수를 구하고 원통주위 유동의 레이놀즈수RE _{ D} = rho VD/ mu 를 구한다.nu _{@24.9 CENTIGRADE =} {mu _{@24.9 CENTIGRADE }} over {rho _{@24.9 CENTIGRADE }} =1.5609 TIMES 10 ^{-5}RE _{D} =1.178*23.75027*0.05/0.000018394=76051.478918) 정체점 압력인 풍동내 유동의 동압으로 측정 압력을 나누어 압력계수c_{ p}를 구한다.C _{p} = {DELTA P} over {DELTA P _{max}} = {DELTA P} over {{1} over {2} rho _{air} V _{INF } ^{2}}#■ 실험 DATA원통각도(theta )압력변환기출력전압V마노미터변위(mm)압력TRIANGLE p(Pa)c _{p}c _{p} cos theta TRIANGLE thetaTRIANGLE theta풍동정지0.998L=60mm-101.08725301.73890.9078250.0739960.087266-51.09427325.56740.9795160.08515301.09627332.375510.08726651.09527328.97150.9897580.086044101.08725301.73890.9078250.078019151.07522260.89010.7849250.066163201.06118213.23310.6415430.052609251.03912.5138.34370.4162270.032919301.0186.566.858220.2011530.015202350.994-1-14.8394-0.04465-0.00319400.97250.918-24-273.549-0.82301-0.01859800.926-21.5-246.316-0.74108-0.01123850.928-21-239.508-0.72059-0.00548900.927-21-242.912-0.73084-3.9E-18950.927-21-242.912-0.730840.0055591000.927-21-242.912-0.730840.0110751100.925-21.5-249.72-0.751320.0448490.1745331200.925-21.5-249.72-0.751320.0655651300.925-21.5-249.72-0.751320.0842891400.925-21.5-249.72-0.751320.1004511500.925-21.5-249.72-0.751320.1135621600.925-21.5-249.72-0.751320.1232221700.925-21.5-249.72-0.751320.1291381800.925-21.5-249.72-0.751320.131139) 원통주위의 압력분포그래프를 그려(가로축에 정체 점으로부터 각도, 세로축에 압력계수) 실험자료에 주어진 그래프와 비교하여 그 결과를 논한다.실험 그래프와 층류유동과의 관계 (그림 12)실험을 통해 얻은 그래프개형을 확인하면 (그림 12)의 층류유동과 유사함을 알 수 있다.10) 상하 대칭 유동으로 가정하여 다음 식을 이용, 원통의 항력과 항력계수를 구하고 그 결과를 [그림 11]과 비교하여 논한다.C _{d} = {D} over {(1/2 rho V _{INF } ^{2} )d} `=`- {1} over {2} int _{0} ^{2 pi } {c _{p} cos theta BULLET d theta `=- int _{0} ^{pi } {c _{p} c`os theta BULLET d theta `=`- sum _{theta =0} ^{pi }} c _{p} c`os theta BULLET TRIANGLE theta `} = 0.931108531{1} over {2} rho V 이용하여 압력을 구했다.TRIANGLE p 그래프를 그려보고 보정 전 보정 후의 그래프를 그려 보고 둘의 개형을 비교해 보았다. 그래프의 개형이나 실험값과 출력 전압을 통한 압력 값을 비교하였을 때 큰 차이는 없었지만 오차의 발생원인 점을 생각 해보면 마노미터 육안 측정, 전자식 압력계의 측정값의 지속적인 변화 등이 첫 번째 실험의 주된 오차 원인이 되었고 이외에도 실험 보고서 작성을 하면서 계산과정이나 가정에서 또 다른 원인들이 발생 했을 것이다.2. 원통주위의 압력측정을 위한 실험원통주위 압력 측정을 통해 풍동 실린더 내에서의 층류유동의 유동속도, 레이놀즈수, 항력 항력계수를 도출하고 이론과 실험 그래프를 그려 둘을 비교해 보았다. 측정범위를 -10도에서 180도 까지 두고 실험을 하였고 각도에 따른 표면 정압을 첫 번째 실험과 같이 마노미터와 압력변환기를 통해 구했다. 구한 값을 통해 압력항력, 양력계수, 항력, 레이놀즈 수를 구할 수 있다.각도에 따른 압력계수 그래프를 통해 이론 값 그래프와 비슷한 양상을 가지고 있음을 알 수 있었고 구한 항력계수 값을 통해 90도 근처에서 유동박리가 일어남을 알 수 있다. 첫 번째 실험과 같이 큰 오차는 존재하지 않았고 오차 발생이유를 생각해보면 우선 위에서 언급했던 것들은 두실험에서 공통적으로 존재하는 오차 요인이며 계산과정과 가정에서 추가로 발생한 오차를 생각해 보면 점성계수와 밀도 값을 선형 보간법을 통해 구했고 동점성계수, 레이놀즈 수, 유동속도, 압력계수를 보간법을 통해 구한 값들로 계산했기 때문에 오차가 발생했다.3. 소감작성자 본인은 유체역학을 재수강 중이다. 본 수강 때 유체역학을 포기 했던 계기가 되었던 부분을 실험으로 다시 접하게 되었다. 물론 재수강 중 인 현재도 이번 실험과 관련된 부분이 쉽지는 않았다. 하지만 책에서 식과 문제만으로 접했던 부분들을 실험을 통해 접해서 그런지, 실험하는 동안 그리고 보고서를 작성하는 동안 유체역학 책에서 ‘아! 이번 실험이 이 파트 였구나’라고 생각 할 정도로 .

공학/기술| 2017.05.16| 7페이지| 2,000원| 조회(175)

압력변환기, 교정실험, 압력교정절차

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오실로스코프 실험

1. 실험 목적오실로스코프는 전압의 파형을 측정하는 기기이다. 전류, 속도, 온도, 조도, 유량 등의 시간에 따른 변화량을 전압의 형태로 변환하면 디지털 오실로스코프로 측정할 수 있다. 본 실험에서는 브레드 보드에 회로를 만들고 그 회로를 통해 얻은 전압신호를 오실로스코프를 사용하여 측정하고 분석하는 방법을 배운다.실험 1) 디지털 오실로스코프 사용법 및 기능 알아보기실험 2) RC, CR 회로의 구성 및 특징을 이해하고 디지털 오실로스코프를 통해 시각화하여 저주파 및 고주파에서 Input 대비 Output을 비교2. 실험 이론실험 1)디지털 오실로스코프의 사용법을 익히고 직류 전압의 크기와 교류 전압의 파형을 관측하는 방법을 습득하여 얻어진 실험 데이터를 시각적으로 쉽게 보여주는 기법을 배운다.실험 2)RC 회로에 교류 전원v`(t`) ``=`` V_p ``sin omega `t ``를 연결하자. Kirchhoff의 법칙을 적용하면v`(t`)~=~R`` i ``+`` q over C ~=~ V_p `sin omega t``(15)가 되고, 이를 한번 미분하면R`` di over dt ``+`` i over C ~=~ omega V_p `cos omega t``(16)가 된다. 이 회로에 흐르는 전류를i`(t`) ``=`` I_p ``sin (omega `t + phi`)``(17)라 가정하고, 식 (16)에 대입하면omega `R``I_p cos (omega t + phi ) ``+`` 1 over C I_p sin (omega t + phi ) ~=~ omega V_p `cos omega t``(18)가 된다. 덧셈공식을 사용하여 삼각함수를 전개한 후, 양변에서cos omega t ``와sin omega t ``의 계수를같게 놓으면,omega `R `I_p `cos phi ``+ ``1 over C I_p `sin phi ~=~omega V_p ``,(19)- omega `R `I_p `sin phi ``+ ``1 over C I_p `cos phi ~=~`R``=`` V_p R over sqrt{R^2 + ( 1 over {omega `C})^2 } ``sin (omega `t + phi`)``,(24)v_C` (t`)``=``1 over C int i`(t`) `dt``=`` -V_p {1 over omegaC} over sqrt{R^2 + ( 1 over {omega ``C})^2 } ``cos (omega `t + phi`)``(25)가 된다. 입력전압v `(t`)``에 대한v_R `(t`)``의 rms 값과v_C `(t`)``의 rms 값의 비를 구하면V_R over V ~=~ R over sqrt{R^2 + ( 1 over {omega `C})^2 }~=~ 1 over sqrt{1 + ( 1 over {omega R``C})^2 }(26)과V_C over V ~=~ {1 over omegaC} over sqrt{R^2 + ( 1 over {omega ``C})^2 } ~=~ 1 over sqrt{1 + ( omega `R`C )^2 }(27)이 된다. VR/V =1 / sqrt{2} ``(이 때 저항에서 소모하는 전력은, 전원을 저항에 직접 연결하였을 때 저항에서 소모하는 전력의 1/2이 된다.)이 되는 half-power frequency fo는omega_o `R`C ``=``2 pi `f_o `R`C ``=``1``로부터f_o ~=~ 1 over {2 `pi` R` C}``(28)로 주어진다. 이 half-power frequency에서는 VC/V 도1 / sqrt{2} ``이 돤다. 식 (26)과 (27)을 f/fo의 함수로 그리되, log-log scale로 그리면 그림 4의 (a), (b)와 같아진다.그림 2. (a) 고주파 통과 필터에서의 VR/V와 (b) 저주파 통과 필터에서의 VC/V그림 4 (a)에서 V를 입력신호, VR을 출력신호로 생각하자. 만약 입력 신호에 주파수가 다른 여러 신호가 들어오면 주파수가 fo보다 작은 신호는 상당히 작아져서 출력에 전달되는 한편, 주파수가 큰 신호는험 방법실험 1)오실로스코프의 각 단자 및 스위치의 기능표 1 오실로 스코프 단자, 스위치 기능Control of switchFunction1전원 스위치전원 스위치 한 번 누르면 전원이 켜지며 , 다시 누르면 전원이 꺼진다.2소프트키소프트키 소프트키의 기능은 디스플레이에서 키 바로 위에 표시되는 메뉴에 따라 변경된다. ? 뒤로 / 위로키를 누르면 소프트키 메뉴 계층 구조 위로 이동할 수 있다. 계층 구조 최상단에서 ? 뒤로 / 위로키를 누르면 메뉴가 꺼지며 대신 오실로스코프 정보가 표시된다.3명암조절 키이 키를 누르면 키에 불이 켜진다. 불이 켜진 상태에서 엔트리 노브를 돌려 파형 명암을 조정할 수 있다. 명암 컨트롤을 변경하여 아날로그 오실로스코프처럼 신호 세부정보가 두드러지도록 만들 수 있다. 디지털 채널 파형 명암은 조정할 수 없다.4엔트리노브엔트리 노브는 메뉴에서 항목을 선택하고 값을 변경하는 데 사용된다. 엔트리 노브의 기능은 현재 메뉴 및 소프트키 선택에 따라 변경된다. 엔트리 노브를 사용하여 값을 선택할 수 있을 때에는 언제나 엔트리 노브 위에 있는 굽은 화살표 기호 ?에 불이 켜진다. 또한 소프트키에 트리 노브 ?기호가 표시될 때는 엔트리 노브를 사용하여 값을 선택할 수 있다. 때로는 엔트리 노브를 돌리는 것만으로 선택이 이루어진다. 또는 엔트리 노브를 눌러서 선택을 활성화 또는 비활성화 할 수도 있다.5수평 컨트롤x축 성분의 최소 눈금을 조절할 수 있다.6수직 컨트롤채널 1,2의 그래프를 위 아래로 움직일 수 있다.7트리거제어오실로스코프에서 데이터 캡처를 위해 트리거하는 방식을 결정 하는 컨트롤러이다.8실행제어 키[Run/Stop] 키가 녹색이면 오실로스코프가 작동중이며, 이는 트리거 조건이 만족될 때 데이터를 수집하고 있음을 의미한다. 데이터 수집을 중단하려면, [Run/Stop]을 누르면 된다. [Run/Stop] 키가 빨간색이면 데이터 수집이 정지된 상태이다. 데이터 수집을 시작하려면 , [Run/Stop]을 누르면 된다. 단일 수집을 캡는 채널 1, b-G는 채널 2에 연결하고 G신호를 오실로스코프의 GND에 연결한다.4)오실로스코프 화면에 측정되는 그래프들을 vertical,horizontal 노브를 이용해, 그래프의 가시성을 좋게 조정한다.5)주파수를 변경하며 측정한다.6)각 주파수 마다, 사인파와 사각파로 측정후 USB단자에 사진(PNG),CSV,ASKII 형태로 저장한다.7)RC회로를 구성하여 1~5번을 반복한다.RC회로 sine wave주파수 5주파수 50주파수 100RC 회로 square wave주파수 5주파수 50주파수 100실험데이터RC 회로(sine wave)R=6.2kΩ C=1000pF5kHz50kHz100kHzV _{input} (V)1.571.571.57V _{output} (V)1.530.7640.442진폭비(이론)0.99366520330.66239682150.4043448876진폭비(실험)0.9745222930.48662420380.2815286624위상각(radian)-0.19237-1.09648-1.31952오차(%)1.926494984126.53584860230.3741258931) 저주파에서의 경우 인풋과 아웃풋이 비교적 비슷한 값을 가졌다. 이와 달리 고주파 영역에서는 인풋에 비해 아웃풋이 비교적 작은 값으로 출력되는 결과를 나타내었다. 또한 동일한 주파수 일 경우 캐퍼시터의 값이 높을 경우가 더 낮은 인풋값을 출력하는 결과를 나타내었다.2) 실제 인풋에 비해 아웃풋 값이 다소 뒤로 밀려 출력되는 결과를 나타내었는데 이는 낮은 주파수에 비해 높은 주파수에서 밀리는 정도가 심하게 느껴졌다.이러한 결과들은 다음의 이론에서 왜 그러한가? 라는 답을 내릴 수 있다.키르히 호프의 법칙을 적용 시 다음과 같다.v_s (t)- v_R (t) -v_s (t) = 0RC {dv _{c}} over {dt} +v _{c}(t) = v_s (t)위의 식을 토대로v_c (t) 의 일반해와 진폭비는 다음과 같다.v_c (t) =B TIMES sin(wt- phi(t)), 이때phi 경우 실제의 높은 주파수를 걸러내는 커패시터의 특성을 지니는 현상을 띄고 있어 이를 저역통과 필터로 해석 할 수 있다.고주파 영역에서는 위의 표에서 보는 것과 같이 실제의 진폭비가 이론적인 진폭비에 비해 오차가 심각할 정도로 큰 결과값이 나타난다. 이로써 높은 영역부분에서는 필터의 걸러내는 작업을 가지면서 즉 외부의 간섭이 심해져 결국은 이론적인 진폭비에 비해 많이 떨어지는 진폭비를 보였다.CR 회로 sine wave주파수 5주파수 50주파수 100CR 회로 square wave주파수 5주파수 50주파수 100실험데이터CR 회로R=6.2kΩ C=1000pFsine wave5kHz50kHz100kHzV _{input} (V)1.571.571.57V _{output} (V)0.2811.211.33진폭비(이론)0.19118582840.889606950.9685959545진폭비(실험)0.17898089170.77070063690.847133758위상각(radian)1.380.4740.251오차(%)6.383808257213.36616278712.5400272361) 고주파에서의 경우 인풋과 아웃풋이 비교적 비슷한 값을 가졌다. 이와 달리 저주파 영역에서는 인풋에 비해 아웃풋이 비교적 작은 값으로 출력되는 결과를 나타내었다. 또한 동일한 주파수 일 경우 캐퍼시터의 값이 높을 경우가 더 높은 인풋값을 출력하는 결과를 나타내었다.2) 실제 인풋에 대해 밀리는 정도가 이전 RC와는 달리 저주파 영역에서 밀리는 정도가 심한 결과를 나타내었다이전의 그림에서와 같이 아까와는 이전과 달리 전압이 반대 방향으로 흐를 경우 다음과 같은 식이 성립 될 것이다.키르히 호프의 법칙을 적용 시 다음과 같다.v _{s} (t)+v _{R} (t)+v _{s} (t)=0RC {dv _{c}} over {dt} +v _{c} (t)=-v _{s} (t)위의 식을 토대로v_c (t) 의 일반해와 진폭비는 다음과 같다.v_c (t) =B TIMES sin(wt- phi(t)), 이때phi (w)=t다.

공학/기술| 2017.05.16| 12페이지| 3,000원| 조회(157)

파동 함수발생기, 디지털 오실로스코프의 사용법, RC회로와 CR회로

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하이브리드 로켓추진 실험

목 차1. 서 론1.1 실험 목적1.2 실험 이론2. 본 론2.1 실험 장치2.2 실험 방법3. 실험 결과4. 결론1. 서론1.1 실험 목적하이브리드 엔진을 연소하여 로켓추진의 기본원리를 이해하고, 하이브리드 로켓 엔진 설계에 요구되는 주요 변수들의 관계를 이해한다.1.2 실험 이론하이브리드의 추진력은 고체연료와 액체 산화제로부터의 연소를 통하여 열을 얻는 방식이다. 고체연료에 분사되는 액체산화제는 고체연료 표면을 지나면서 경계층을 형성하고 화염은 경계층 내부에 존재한다. 화염으로부터 대류 및 복사 열전달에 의해 열이 연료 표면으로 전달된다. 이 열의 일부는 고체연료 내부로 전달되고 다른 일부는 연료 표면을 특정 온도까지 가열시킨다. 나머지 열은 고체를 기체화시키는데 사용된다. 이렇게 발생된 기체화된 연료는 확산하여 산회제와 재연소반응을 일으켜 화염을 유지시킨다. 고온, 고압의 추진제는 노즐을 통해 분사되어 원하는 추력을 얻게 된다.고체 및 하이브리드 로켓에서는 고체 연료의 감소 속도(후퇴율)이 주요 인자가 된다. 고체로켓의 후퇴율은 압력의 함수로 나타나지만, 액체 산화제를 사용하는 하이브리드 로켓에서는 유속의 함수로 표현된다. 산화제 유속 외에 고체연료 및 산화제 종류, 연소실 압력, 연료 형상 등이 후퇴율에 영향을 끼친다. 후퇴율에 관련된 식들은 아래와 같다.dot{r} =aG _{ox.avg} ^{n} ,G _{ox.avg} ^{n} = {dot{m} _{ox}} over {A _{fuel.port}}1.2.1 고체연료의 후퇴율(Regression rate) 측정1.TRIANGLE V= {TRIANGLE m _{f}} over {rho _{f}} = pi (R _{f} ^{2} -R _{i} ^{2} ) TIMES LTRIANGLE m _{f}: 연소 전, 후 연료 무게 차이(g),rho _{f}: 연료 밀도 (kg/m ^{3}),(HDPE의 밀도 : 950kg/m ^{3})R _{f}: 연소후 연료 반지름(mm),R _{i}: 연소전 연료 반지름(mm)ange로 고정되어 있다. 연소기는 인젝터, 전방 연소실, 후방 연소실, 연료 그레인, 노즐로 구성되어있으며, 전방, 후방 연소실에 압력 센서를 장착 하였다. 노즐은 카본보다 비교적 저렴하고 열전도도가 높은 구리로 제작 하였고 물로 냉각을 하였다.위의 사진은 1개와 5개의 포트가 있는 고체 연료이고, 우리 조의 실험에서는 5개의 포트가 있는 고체 연료를 사용 하였다.초기에 고체 연료를 기화시키기 위해서 점화장치로 휘발성 가스인 부탄/프로판 가스와 스파크 플러그를 사용하였다. 점화 시퀀스에 부탄/프로판 가스가 분사 되면서 산화제가 소량 분사된 뒤 스파크 플러그를 통해 불꽃을 가해 점화하는 방식을 사용하게 된다. 스파크 불꽃은 1.5 V 배터리의 전압이 고전압발생기에서 증폭되어 발생하게 된다.2.2 실험 방법0. 연소전의 연료의 무게를 측정한다.1. 연료를 연소기에 장착한다.2. 주 main power 및 control box에 전원을 공급한다.3. ball v/v 및 solenoid v/v 닫힘 상태를 확인하고, 산화제 공급배관의 압력을 확인한다.4. 산화제 유량을 제어하기 위하여 오리피스의 직경을 조절한다.5. 각 실험장치 확인 및 주변 위험요소 확인6. Lab-View program setting (하이브리드 로켓 연소 작동)7. 배관의 압력을 제거한 후 purging 실시8. 연료 탈착9. 연료의 무게를 측정한다.10. 측정 데이터 확인 및 분석3. 실험 결과(1) Load-Cell CalibrationLoad-Cell CalibrationOriginLab의 LinearFitting을 이용해 최소제곱법을 적용했다. Weight와 Voltage 사이의 관계는 다음과 같다.Weight(kgf)=12.28221`Voltage(V)-12.43008Voltage와 Weight는 최소제곱법을 적용하기 전에도 선형관계와 다름없는 비례관계를 보였다.(2) Thrust GraphThrust Graph우리 조에서 실험한 5-port의 input.dat 파일을 위에서 최소제곱타낸다. 연소가 시작되는 10초에 약 23kgf/cm ^{2}으로 유지되고, 13초부터 약 22.5kgf/cm ^{2}의 일정한 압력을 나타낸다. 산화제가 매우 빠른 속도로 공급되므로 배관 내의 압력은 연소가 진행되는 동안 감소했다.Pre-chamber의 압력변화 그래프그래프는 연소시간 동안 Pre-chamber의 압력변화를 나타낸다. Pre-chamber는 산화제 분사장치 부근에서 측정한 압력이다. 연소 전에는 압력이 0으로 유지되다가 연소가 시작되는 10초부터 산화제와 압력의 반응으로 압력이 증가하기 시작한다.Pre-chamber는 최대 14.04425kgf/cm ^{2}까지 증가한다.Post-chamber의 압력변화 그래프연소시간 동안 Post-chamber의 압력변화를 나타낸다. Post-chamber는 연소실의 노즐 부근에서 측정한 압력이다. Pre-chamber와 비슷한 형상이지만 압력은 Post-chamber가 더 높다. 연료와 산화제가 노즐 쪽으로 갈수록 연소반응이 활발하기 때문에 Pre-chamber보다 더 높다.최대 압력 : 16.13667kgf/cm ^{2}(4) oxidizer mass flow rate graph산화제 질량 유량의 시간에 따른 그래프연소시간 동안 산화제의 질량유량 변화를 나타낸다. 10초부터 연소가 시작되었다는 것을 알 수 있다.10초에서 13초 사이의 산화제 질량유량은 약 26(g/s)13초에서 17초 사이의 산화제 질량유량은 약 40(g/s)으로 나타났다.(5) Thrust calculation시간에 따른 이론, 실험 추력 변화 그래프이 그래프는 연소 시간동안의 추력과 이론으로 구한 추력을 나타낸다. 실험으로 얻은 추력보다 이론으로 얻은 추력 값이 더 증가하여 나타난 것을 알 수 있다.F= eta_F lambda C_F,theo P_c A_t (when,P _{e} =P _{a})eta _{f} =0.95 , lambda =0.95, C_f,theo =1.2위 식을 이용하여 추력 값을 구한결과 F = 8.201845k진동이 일어나 균일한 힘을 주지 않고 노이즈가 발생하였다. 즉 추력의 일부가 진동으로 변형되어 추력손실이 발생하였다.두 번째로는 힘을 로드셀의 선형화를 통해 전기적 신호가 물리적신호로 변환시켜 데이터화 하는데 실험 샘플링 속도가 0.0004초로 작은 시간간격이 아니라고 사료된다. 즉, 각 초마다의 점들의 위치변환의 시간간격이 길어서 그래프 양상이 많은 떨림을 보였다고 볼 수 있다.마지막으로는 추력은 고체 연료를 사용하기 때문에 후퇴율과 관련이 있다. 즉 매 순간마다 후퇴율이 다른데 이론적으로는 후퇴율에 관한 함수를 정확하게 나타낼 수 없다. 이러한 이유로 이론과 실험의 추력값이 다르게 나타난다.(6) Port 개수와 추력의 관계추력제어를 위한 port 개수별 산화제 유량 그래프이 그래프는 추력제어를 위한 PE연료의 port 개수별 연소 시간동안의 산화제 유량 그래프를 나타낸 것이다. 산화제 유량과 port 개수 사이에는 큰 상관관계가 없음을 알 수 있다. 연소 시작 초반부에 갑자기 유량이 순간적으로 증가하는 것은 산화제가 나오는 밸브가 열리면서 오리피스 부근에서의 유량을 일정하게 해주는 초크유동이 깨지면서 발생하는 현상으로 보인다.산화제 유량 변화, Port 개수에 따른 실험 추력 변화 그래프 1이 그래프는 연소 시간동안 PE연료의 port 개수에 따른 실험 추력변화 그래프를 나타낸다. PE연료의 port 개수가 늘어날수록 추력이 커지는 것을 알 수있다.산화제 유량,Port 개수에 따른 실험 추력 변화 그래프 2평균 추력1-port4.468962424 kgf2-port5.753877098 kgf3-port5.841424526 kgf4-port6.841224415 kgf5-port7.499780704 kgf모든 실험조의 유량 및 추력그래프를 오리진을 통해 그려 보았다. 우선 산화제 질량유량은 port개수에 상관없이 거의 일정한 양임을 알 수 있다. 산화제 유량은 오리피스의 직경 조절을 통해 이루어지는 것이므로 port개수에 큰 상관이 없다. 산화제의 유량의 변화화제의 공급량을 늘려주는 방법과 고체연료와 산화제의 접촉면적을 multi-port 그레인을 통해 증가시켜 반응속도를 높여주는 방법이있다. 산화제의 공급량을 늘려주어 후퇴율을 높여주는 방법은 후퇴율, 질량유속 관계식에서 산화제와 질량유량이 서로 비례하는 관계임을 보면 알 수 있다. 또한 그래프1에서 질량유량의 변화되는 시기와 그래프2에서 추력변화가 일어나는 시간이 같은 시간임을 확인 할 수 있다.그레인 형상 즉 그레인의 산화제와의 반응 단면적을 늘려주어 추력을 높이는 방법을 비추력에 관련한 관계식으로 생각해보면 추력F _{} =I _{sp} dot{m} g _{c} 로 표현할 수 있고 위 식에서 알 수 있는 점은 추력은 질량유량과 비추력에 의해 결정된다고 볼 수 있다는 점이다. 공급되는 질량유량은 변하지 않음을 첫 번째 질량유량 비교 그래프에서 볼 수 있으므로 추력은 비추력에 의해 결정되는 것을 알 수 있다. 이때 비추력은I _{sp} = {p} over {dot{mg}} = {v} over {g}이고 port개수가 증가하면 공급되는 산화제 유량 중 연소되어 반응하는 고체연료량이 높아진다. 이는 반응한 고체연료의 운동량을 높이고 비추력을 증가시키게 되어 결론적으로 추력이 상승하게 된다.고체연료와 산화제의 반응 단면적을 늘려주어 후퇴율을 높여주는 방법을 하이브리드 로켓 연소 특성을 통해 보면 기본적으로 하이브리드 로켓 연소는 예열된 고체연료에 산화제가 반응하여 연소가 일어나며 연료의 열전달은 대류를 통한 열전달만 고려한다. 고체연료의 반응하는 단면적이 후퇴율에 미치는 영향을 자세히 보면 산화제 유량과 연료의 port의 개수와는 무관함에도 불구하고 연료의 port개수를 증가시켜줌에 따라 추력이 높아진 것을 볼 수 있다. 일정한 산화제가 공급되었음에도 불구하고 single-port에서의 추력이 multi-port 그레인을 가진 고체연료에 비해 추력이 낮게 측정된 것을 볼 때 single-port일때는 공급된 산화제가 모두 연소에 반응하지 못한다고 생각 할 수 있다. 고찰

공학/기술| 2017.05.16| 16페이지| 2,000원| 조회(139)

하이브리드로켓 하이브리드연료, 로켓추진 실험, 하이브리드연료

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드론자세제어 PID 실험 평가A좋아요

[ 목 차 ]1. 국내외 무인항공기의 종류와 해당 임무 및 앞으로 예상되는 임무1-1 국내 무인항공기1-2 국외 무인항공기1-3 앞으로 예상되는 임무2. 무인항공기의 전체 시스템 구성 및 시스템에 관한 설명3. 무인항공기의 자세 측정 방법4. 멀티콥터의 비행원리5. PID 제어기5-1 PID제어의 정의5-2 제어기의 종류5-3 PID제어기의 구성요소6. 실험 결과7. 결과 분석8. 실험 결론9. 자료 출처1. 국내외 무인항공기의 종류와 해당 임무 및 앞으로 예상되는 임무1-1 국내 무인항공기송골매 (RQ-101)군단급 무인정찰기로, 2002년부터 실전배치 된 기종이다. 주 임무는 포병부대의 정보수집으로, 원거리 실시간 표적 영상정보를 주야간 획득할 수 있으며, 발사대 이륙 및 파라포일 자동 착륙이 가능하다. 또한 사전 프로그램으로 자동 비행이 가능하다.스마트 무인항공기 (TR-100)한국항공우주연구원(KARI)에서 2002년을 시작으로 10년에 걸쳐 개발한 TR-100은 수직 이착륙과, 고속비행이 가능한 틸트로터 항공기이다. 미국에 이어 세계 두 번째로 개발에 성공한 틸트로터 항공기는 산악지형이 많고 삼면이 바다로 둘러싸여 활주로를 확보하기 어려운 국내 환경에 적합하고, 군사용 뿐만 아니라 해안 정찰, 산불 및 교통 감시, 기상 관측 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.1-2 국외 무인항공기RQ-7A Shadow 200 (미국)RQ-7A Shadow 200은 2002년 사단급에 실전 배치된 정찰기로, 몸체가 섬유질로 되어있어 레이더에 잘 잡히지 않으며 크기가 작은 편이라 육안으로 확인이 쉽지 않아 은밀한 작전이 가능하다. 활주로 없이 발사대에서 발사되며, 회수는 낙하산을 사용한다. 5~6시간 가량 비행이 가능하므로 넓은 작전지역 전체를 정찰할 수 있고, 지상에서 실시간 영상 확인이 가능하다.RQ-4A Global Hawk (미국)고고도 저속 무인 정찰기인 U-2를 대체하기 위해 개발된 글로벌호크는 2000년에 최초 시험 배치되었으며, 자율 비행이 가능한 무인기이양한 기종이 개발되었고 현재도 개발 중에 있다.통신 중계: 통신용으로 이용하는 저궤도 위성은 수명이 짧으나 비용이 많이 드는데, 무인항공기는 이를 대체할 수단으로 적합하다. 고고도에서 장기간 체공할 수 있도록 태양 동력이나 마이크로웨이브 동력을 사용한 UAV 시스템을 개발 중에 있다.데이터 수집 : 광범위한 지역에 대한 기상, 대기, 환경 데이터 수집은 시간이 많이 소모되는데, 무인기를 활용하면 편리하면서 정확한 데이터를 얻을 수 있다.물품 운송 : 초기에 군사 목적으로 개발된 드론이 최근 상품 배달 서비스를 목표로 개발 진행 중이다. 수차례 시험 비행을 진행하였고, 피자 배달에 성공하는 등 현실성이 어느 정도 증명되었다. 그러나 주택 밀도가 높은 도심지에서 사용하기에는 아직 정확성이 부족하기 때문에 이를 보완할 방안을 마련하는 것이 과제이다.무인기는 유인기에 반대되는 말로서, 사람이 필요하지 않은 항공기이다. 하지만 현재 개발되어 있는 무인기들은 임무 중의 우발 상황 시에 지상에서의 명령을 받고 대처를 해야 하는 등, 넓은 의미에서 무인기라고 하기는 어렵다. 현재 개발 및 연구 중인 고도의 인공지능이 완성되어 무인기에 적용된다면 사람의 손이 전혀 필요하지 않은 무인기가 탄생할 것으로 생각된다.2. 무인항공기의 전체 시스템 구성 및 시스템에 관한 설명무인항공기의 전체적인 시스템 구성은 위 그림과 같으며 역할에 따라 크게 FCC, GPS, PWM, AHRS, RF Modem으로 나눌 수 있다.1) FCC(Flight Control Computer)무인항공기 제어와 관련된 핵심 장비로서, 필요한 정보를 GPS, AHRS, RF Modem을 통하여 실시간으로 얻고 부여된 임무에 맞게 항공기의 자세제어를 위한 신호를 각 알고리즘을 통하여 생성한다. 또한 비행 관련 정보를 RF Modem을 통하여 지상으로 송신하고, 저장하기도 한다.2) GPS(Global Positioning System)GPS는 위성에서 보내는 신호를 수신하여 현재의 위치를 알 수 있는 위성 항법 보 등의 데이터를 확인할 수 있고, 상황에 맞는 명령을 송신할 수 있다.5) PWM Generator & ServoPWM Generator는 항공기의 자세제어를 위해 FCC로부터 온 신호를 Servo가 인식할 수 있는 신호로 바꿔주는 장치이다. Servo는 PWM Generator로부터 받은 신호에 맞는 각 위치에 Servo Arm을 위치시키고, 그 위치를 유지하는 장치이다.3. 무인항공기의 자세 측정 방법항공기의 자세 측정은 AHRS에 의해 이루어진다. AHRS에 탑재된 센서는 각을 측정하는 3축 자이로센서, 가속도를 측정하는 3축 가속도센서, 계산값의 보정을 위한 3축 지자기센서 등이다. AHRS에서 센서로 측정한 데이터를 전압신호로 출력하고, 이를 FCC에 보내면 사전에 입력된 알고리즘에 의해 자세를 판단할 수 있다.4. 멀티콥터의 비행원리멀티로터 또는 멀티콥터란 두 개 이상의 로터(회전날개)를 이용해 뜨고 추진하는 회전익기를 뜻한다. 프로펠러의 수와 배치형상에 따라 이름이 붙으며 날개의 수에 따라 텐덤로터(2개), 쿼드콥터(4개), 헥사콥터(6개), 옥타콥터(8개) 등이 존재한다.헬리콥터와 새 등 하늘을 나는 모든 비행체에 적용되는 힘도 짝수다. 양력(lift·위로 들어 올리는 힘), 추력(thrust·앞으로 밀어내는 힘), 항력(drag·공기가 뒤로 끄는 힘), 중력(weight·지구가 당기는 힘) 4가지 힘이 작용한다.일반적인 항공기와는 다르게 헬리콥터는 단회전날개식 헬리콥터로 예를 들면 회전날개인 로터를 가지고 있다는 것이다. 헬리콥터는 동체의 중심 부분에 있는 메인 로터와 꼬리 부분에 있는 테일 로터가 서로 동조하여 작용한다, 이 중 수직 비행에 필요한 양력 발생은 메인 프로펠러의 역할이며 즉 헬리콥터에서는 메인 프로펠러의 회전이 프로펠러의 양력을 발생시키는 것과 같은 역할을 한다. 그리고 꼬리 프로펠러는 동체의 방향을 전환시키고, 동체가 메인 로터의 회전으로 인해 반대 방향으로 회전하려고 하는 힘을 막아주는 역할을 한다. 즉 보조 역할이다.비행꼬리 프로펠러가 없고 메인 프로펠러만 존재한다면 헬리콥터는 상승하지 못하고 메인 프로펠러의 회전방향과 반대로 작용하는 토크에 의해 제자리에서 메인 프로펠러와는 반대방향으로 회전하게 된다. 따라서 헬리콥터가 제대로 비행하기 위해서는 작용-반작용의 원리에 따라 메인 헬리콥터의 토크를 상쇄시키기 위해 동체에 힘을 가해주는 꼬리 프로펠러가 필요하다.멀티콥터의 경우 프로펠러가 4개인 쿼드콥터의 비행 원리도 ‘짝수의 법칙’으로 설명할 수 있다. 쿼드콥터의 프로펠러는 대각선 방향으로 2개씩 짝을 이뤄 같은 방향으로 돌며 시계 방향 2개와 반시계 방향 2개로 나뉘는 건 프로펠러가 회전하면서 발생하는 반작용력을 상쇄시키기 위한 전략이다.5. PID 제어기5-1 PID제어의 정의PID 제어란 P : Proportional(비례) I : Integral(적분) D : Differential(미분) 의 약자이며 간단하게 말하면 자동제어 방식이다. 자동제어 방식 가운데에서 가장 흔히 이용되는 제어방식이라고 할 수 있다. P, I, D 이 세 가지 조합으로 유연한 제어를 하는 방식이다. PID 제어기는 아래의 식과 같이 세 개의 항을 더하여 제어 값을 계산하도록 구성이 되어 있다.MV(t)`=`K _{p} e(t)`+`K _{i} int _{0} ^{t} {e( tau )d tau `+`K _{d} {de} over {dt}}P 제어(비례)는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱해서 제어 신호를 만든다. I 제어(비례 적분)는 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결해 사용한다. D 제어(비례 미분)는 오차 신호를 미분하여 제어 신호를 만드는 미분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 사용한다. 자동화 시스템의 반응을 측정할 뿐 아니라 반응을 제어할 때도 사용되는 제어 방법이며, 온도, 압력, 유량, 회전 속도 등을 제어하기 위해 쓰이며, 과도 상태의 특성 등 PI나 PD 제어의 문제점들을 개선할 수 있다.PID 제데, 이득이 큰 경우 빠르게 Set Point에 도달한다. 하지만 지나치게 큰 이득은 전체 공정을 불안정 하게 만들기도 한다. 그러나 비례제어 만으로는 Offset(잔류편차)를 완전히 제거할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 Offset을 없애기 위해 I제어의 도입을 필요로 한다.②비례적분(PI) 제어기: 비례 제어를 할 때 생기는 Offset 문제를 해결하기 위하여 적분제어 기능을 도입한 것. 즉 적분제어는 오차의 시간 적분 치에 비례한 크기의 출력을 연속적으로 내는 제어동작이다. 적분제어는 단독으로는 사용하지 않고 비례 제어와 같이 사용되므로 비례-적분제어라 한다. 비례-적분제어는 Offset을 0으로 만들 수 있으나, 적분제어 자체만으로는 반응을 느리게 하고 Overshoot도 발생시키는 단점을 가지고 있다. 이는 적분제어가 누적된 에러의 크기에 대한 반응을 하기 때문이며, 처음 오차가 생기기 시작하는 시점에서는 제어기 변화 값이 작아서 결과적으로 느린 제어를 하게 됩니다. 따라서 overshoot와 빠른 반응을 하기위해 D제어를 도입하게 된다.③비례미분(PD) 제어기: 비례-미분제어는 오차의 미분 값을 제어하는 미분제어를 비례 제어와 병렬로 연결하여 사용하는 제어기법이다. 비례 제어와 미분제어를 함께 쓴다는 의미에서 비례-미분제어라 한다. 비례-미분제어는 오차신호의 변화를 억제하는 역할을 하기 때문에 감쇠비(Decay Ratio)를 증가시키고 초과를 억제하는데 효과적입니다. 이러한 미분제어의 효과를 고려하여 PD제어기를 설계하면 시스템의 과도응답 특성(Overshoot가 커지는 현상)을 개선시킬 수 있다. 하지만 PD 제어를 사용하는 경우 P 제어의 응답특성인 Offset은 사라지지 않는다.④비례 적분 미분 (PID) 제어기: PI 제어로 실제 목표값에 가깝게 하는 제어는 완벽하게 할 수 있다. 하지만 제어응답속도는 원하는 값이 나오지 않는다. PI 제어에서는 제대로 목표값을 제어할 수 있지만, 일정한 시간이 필요하다. .그래서, 필요하게 된 것이 미분 다.

공학/기술| 2017.05.16| 13페이지| 1,000원| 조회(482)

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