도립진자 실험 장비 구성 및 제어 시스템

본 내용은 " [단국대] 도립진자 실험 레포트 A+ " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.05

문서 내 토픽

• 1. 도립진자 플랜트(ED-4820-1)

  도립진자 실험 장비의 주요 구성 요소로, 길이 35cm와 50cm의 진자가 카트에 나사로 고정되어 있으며 좌우로 기울어진다. 진자의 기울어짐은 축과 각도 포텐셔미터를 통해 측정되며, 오른쪽 기울어짐은 양의 전압, 왼쪽 기울어짐은 음의 전압으로 표시된다. DC 서보 모터가 타이밍벨트를 통해 카트를 800mm 길이의 레일 위에서 이동시키며, 위치 포텐셔미터(10kΩ)가 카트의 위치 전압을 측정한다.

• 2. 도립진자 구동부(ED-4820-2)

  도립진자 제어 시스템의 핵심 구동부로, 메인 전원 스위치, 전류계, 전압계로 모터의 전기적 상태를 모니터링한다. Reference 조절 레버로 제어값을 설정하고, 디지털/아날로그 모드 선택 스위치로 제어 방식을 선택할 수 있다. 각도 PD 컨트롤러와 위치 PD 컨트롤러 스위치로 진자의 각도 제어와 카트의 위치 제어를 독립적으로 관리하며, 비례게인과 미분게인 레버로 제어 성능을 조절한다.

• 3. 센서 및 신호 전달 시스템

  각도 포텐셔미터와 위치 포텐셔미터가 진자의 기울어짐과 카트의 위치를 측정하여 센서 신호를 생성한다. 25P 커넥터를 통해 플랜트(ED-4820-1)에서 측정된 센서 신호가 구동부(ED-4820-2)로 전달되고, 구동부의 모터 제어 신호가 다시 플랜트로 피드백되어 폐루프 제어 시스템을 형성한다.

• 4. PD 제어 기법

  도립진자 시스템에서 각도 PD 컨트롤러와 위치 PD 컨트롤러를 통해 비례-미분 제어를 구현한다. 각도 비례게인 레버와 각도 미분게인 레버를 조절하여 진자의 각도 제어 성능을 최적화하고, 위치 PD 컨트롤러 스위치로 카트의 위치 제어를 독립적으로 관리하여 시스템의 안정성과 응답성을 향상시킨다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 도립진자 플랜트(ED-4820-1)

  도립진자 플랜트는 제어 이론 교육 및 연구에 매우 효과적인 비선형 동역학 시스템입니다. ED-4820-1은 불안정한 평형점을 가진 고전적인 제어 문제로, 실제 로봇 제어, 드론 안정화, 자동차 제어 등 다양한 응용 분야의 기초가 됩니다. 이 시스템의 장점은 상대적으로 간단한 구조로도 복잡한 제어 알고리즘을 검증할 수 있다는 점입니다. 다만 마찰, 센서 오차, 구동부 지연 등 실제 환경의 비이상적 요소들을 고려해야 하므로, 이론과 실제 구현 간의 격차를 줄이기 위한 신중한 모델링이 필수적입니다.

• 2. 도립진자 구동부(ED-4820-2)

  도립진자 구동부는 시스템의 성능을 결정하는 핵심 요소입니다. ED-4820-2의 구동부 특성, 특히 토크 응답성, 대역폭, 비선형성은 전체 제어 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 고품질의 구동부는 빠른 응답성과 정확한 토크 제어를 가능하게 하여 제어 알고리즘의 이론적 성능을 실제로 구현할 수 있게 합니다. 반면 구동부의 한계(최대 토크, 응답 지연)를 정확히 파악하는 것이 현실적인 제어기 설계에 중요합니다. 구동부의 특성 분석과 보정은 안정적이고 효율적인 제어 시스템 구축의 기초입니다.

• 3. 센서 및 신호 전달 시스템

  센서 및 신호 전달 시스템은 제어 루프의 피드백 경로로서 매우 중요한 역할을 합니다. 정확한 위치, 속도, 가속도 측정이 없으면 아무리 우수한 제어 알고리즘도 제 성능을 발휘할 수 없습니다. 센서의 정확도, 응답 속도, 노이즈 특성이 제어 성능을 좌우합니다. 신호 전달 시스템의 지연과 왜곡도 제어 안정성에 영향을 미치므로, 적절한 필터링과 신호 처리가 필수적입니다. 고품질의 센서 시스템은 초기 투자 비용이 높지만, 신뢰할 수 있는 제어 성능을 보장하므로 장기적으로 매우 가치 있는 투자입니다.

• 4. PD 제어 기법

  PD(비례-미분) 제어는 도립진자 같은 불안정 시스템 제어에 효과적인 고전 제어 기법입니다. 비례 항은 현재 오차에 대응하고, 미분 항은 오차의 변화율을 고려하여 시스템의 응답성과 안정성을 개선합니다. PD 제어의 장점은 구현이 간단하고 계산량이 적으며, 튜닝이 직관적이라는 점입니다. 다만 정상 상태 오차를 완전히 제거하지 못하고, 센서 노이즈에 민감하며, 비선형 특성이 강한 시스템에서는 성능이 제한될 수 있습니다. 현대적으로는 PID 제어나 고급 제어 기법과 결합하여 사용되며, 기본 원리의 이해는 제어 공학 학습의 기초가 됩니다.