소개글
"아주대 자동제어실험 1번 결과"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적 및 개요
1.1. QUARC 및 ELVIS 실습
1.2. 모터의 위치 제어 시스템
1.3. PID 제어기의 특성 분석
2. QUARC와 MATLAB Simulink
2.1. 외부 모드 설정
2.2. 시뮬레이션 옵션 구성
2.3. 데이터 수집 보드 연결
3. NI ELVIS II 활용
3.1. 디지털 멀티미터와 가변 전원 사용
3.2. 파형 발생기와 오실로스코프 사용
4. 모터 제어 시스템 실험
4.1. DC 모터와 아두이노 연결
4.2. PID 제어기 설계 및 분석
4.2.1. 비례 제어기(P)
4.2.2. 적분 제어기(I)
4.2.3. 미분 제어기(D)
4.3. 모터 응답 성능 평가
5. 펄스폭 변조(PWM) 제어
5.1. PWM 파형 생성
5.2. 스텝 모터와 RC 서보모터 구동
6. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적 및 개요
1.1. QUARC 및 ELVIS 실습
QUARC와 ELVIS 실습은 자동제어 실험에서 대표적인 도구로 사용되고 있다. 이번 실험에서는 QUARC와 ELVIS의 사용법에 대해 다루고자 한다. Data Acquisition Board를 이용해 실험 환경을 구축하는 방법을 익히고, 아날로그 및 디지털 신호의 입출력을 확인할 수 있다. 이를 통해 향후 진행될 설계 및 실험에 대한 기본적인 기반을 마련할 수 있다.
먼저, Simulink 설정에 대해 살펴보면 다음과 같다. Simulation mode를 External로 설정하고, Solver를 Ode4(Runge-Kutta)로, Fixed-step size를 0.01로 구성한다. 이를 통해 Matlab과 QUARC, 그리고 기자재 간의 연동을 수행할 수 있다. 또한 Simulink Library Browser에서 QUARC Targets - Data Acquisition - Generic - Configuration 순으로 선택하여 HIL Initialize 아이콘을 Simulink에 가져와 Board type을 ni_pice_6531로 설정한다. 이후 Analog Inputs과 Outputs에서 사용할 채널을 선택한다.
다음으로 NI PCIe-6351(Terminal Board)를 설정한다. Simulink Library Browser에서 QUARC Targets - Data Acquisition - Generic - Immediate I/O 순으로 선택하여 HIL Read Analog 및 HIL Write Analog 아이콘을 Simulink model에 추가한다. 그리고 Analog Inputs / Outputs에서 사용할 채널을 설정한다.
마지막으로 NI ELVIS II를 활용하는 방법에 대해 살펴본다. ELVIS II의 가변 전원 출력 단자와 멀티미터 측정용 단자를 연결하고, Launcher 메뉴에 있는 DMM과 VPS를 실행시켜 디지털 멀티미터와 가변 전원을 사용할 수 있다. 또한 ELVIS의 파형발생기 출력을 Prototyping Board의 FGEN 단자를 통해 내보내고, Launcher 메뉴의 FGEN과 Scope를 실행시켜 파형 발생기와 오실로스코프를 활용할 수 있다.
이러한 QUARC와 ELVIS의 실습을 통해 자동제어 실험에 필요한 기본적인 도구 사용 능력을 기를 수 있다. 이는 향후 다양한 실험 및 프로젝트에서 활용될 수 있을 것이다.
1.2. 모터의 위치 제어 시스템
모터의 위치 제어 시스템은 모터의 회전 각도를 원하는 값으로 제어하는 시스템이다. 이를 위해서는 모터의 각도를 감지할 수 있는 센서와 더불어 제어기가 필요하다. 일반적으로 모터의 위치 제어에는 PID 제어기가 많이 사용된다.
PID 제어기는 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative) 제어 알고리즘을 활용하여 시스템의 오차를 최소화하고 안정적인 제어를 가능하게 한다. 비례 제어기는 오차에 비례하는 제어 입력을 발생시켜 오차를 줄이고, 적분 제어기는 오차를 적분하여 steady-state error를 제거한다. 미분 제어기는 오차의 변화율에 비례하는 제어 입력을 발생시켜 과도응답 특성을 개선한다.
PID 제어기의 설계 시 각 게인 값(Kp, Ki, Kd)을 적절히 선정해야 한다. Kp가 클수록 빠른 응답을 보이지만 오버슈트가 커질 수 있고, Ki가 클수록 steady-state error가 줄어들지만 응답 속도가 느려질 수 있다. Kd가 클수록 과도응답 특성이 개선되지만 센서 노이즈에 민감해질 수 있다. 따라서 시스템의 요구사항에 맞게 PID 게인을 튜닝해야 한다.
모터의 위치 제어 시스템은 다양한 분야에 활용된다. 로봇의 관절 제어, 3D 프린터의 extruder 제어, 공작기계의 축 제어 등이 대표적인 예이다. 최근에는 자율주행 차량의 조향 제어, 드론의 자세 제어 등 고정밀 위치 제어가 필요한 분야에서도 활용되고 있다.
1.3. PID 제어기의 특성 분석
PID 제어기의 특성 분석은 다음과 같다.
PID 제어기는 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative) 제어 기법을 결합한 제어기로, 입력 신호의 크기, 누적된 값, 변화율을 동시에 고려하여 출력을 결정한다. PID 제어기의 세 요소인 P, I, D 각각은 다음과 같은 특성을 가진다.
첫째, 비례 제어기(P)는 목표값과 현재 값의 차이에 비례하여 제어량을 결정한다. P 제어기는 오차에 비례하여 즉각적인 제어 결과를 보이지만, 목표값에 정확히 수렴하지 못하고 정상상태 오차가 발생한다.
둘째, 적분 제어기(I)는 오차의 누적 값을 고려하여 제어량을 결정한다. I 제어기는 정상상태 오차를 0으로 만들 수 있지만, 응답 속도가 느리고 과도상태 응답이 느슨해질 수 있다.
셋째, 미분 제어기(D)는...
참고 자료
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