DC모터제어실험

목차

DC 모터 제어실험

1. 목적

2. 이론
　▣ 아날로그 (Analog)
　▣ 디지털 (Digital)
　▣ 디지털 신호처리
　▣ 단순 On/Off 제어
　▣ PID 제어
　▣ Transient Response

3. 실험 방법

4. 실험 결과
　1) P 제어 ⇛ P=150 I=0 D=0
　2) P 제어 ⇛ P=200 I=0 D=0
　3) PD 제어 ⇛ P=200 I=0 D=100

5. 고찰
　▣ PI 제어 ⇛ P=200 I=100 D=0
　▣ PI 제어 ⇛ P=200 I=200 D=0

본문내용

할 수 있기 때문에 미세하게 목표값에 가까이 할 수 있다.
※ 적분제어의 특징 (PI제어)
- 비례제어기 하나만으로 제어를 할 경우
제어량이 목표값에 접근하면 문제가 발생
한다. 조작량이 너무 작아지고, 그 이상
미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생한
다. 결과는 목표값에 아주 가까운 제어량
의 상태에서 안정한 상태로 되고 만다.
이렇게 되면 목표값에 가까워지지만, 아무
리 시간이 지나도 제어량과 완전히 일치하
지 않는 상태로 되고 만다. 이런 미세한
오차를 없애기 위해 사용되는 것이 적분
제어이다.
※ 미분제어의 특징 (PID제어)
- PI 제어로 실제 목표값에 가깝게 하는
제어는 완벽하게 할 수 있다. 그러나 응답
속도의 개선이 필요하다. 그래서 필요하게
된 것이 미분 동작이다. 이것은 급격히 일
어나는 외란에 대해 편차를 보고, 전회 편
차와의 차가 큰 경우에는 조작량을 많이
하여 기민하게 반응하도록 한다. 왼쪽 그
림에서 알 수 있듯이 처음에는 상당히
over drive하는 듯이 제어하여, 신속히
목표값이 되도록 적극적으로 제어해 간다.
▣ Transient Response
① Mp (Maximum OverShoot) : Output 값이 목표 값을 넘어 최대가 되는 값.
② tr (Rising Time) : 상승시간으로 Mp 값에 다다를 때의 시간.
③ ts (Settling Time) : 정착시간으로 시스템이 안정화 될 때의 시간.
④ ess (Steady-State Error) : 시스템이 정착되었을 때 목표 값과의 오차.
3. 실험 방법
- 위 장치의 Power를 On 하여 DC Motor를 초기화 한 후, LCD 화면의 메뉴를
보며, P, I, D의 값을 변경하면서 오실로스코프로 출력되는 신호를 확인
한다.
4. 실험 결과
1) P 제어 P=150 I=0 D=0
Mp (Maximum OverShoot) = 0
tr (Rising Time) = 6m/s
ts (Settling Time) = 31m/s
ess (Steady-State Error) = -10V
2) P 제어 P=200 I=0 D=0
Mp (Maximum OverShoot) = 3V
tr (Rising Time) = 6m/s
ts (Settling Time) = 35m/s
ess (Steady-State Error) = -3V
3) PD 제어 P=200 I=0 D=100
Mp (Maximum OverShoot) = 4V
tr (Rising Time) = 5m/s
ts (Settling Time) = 27m/s
ess (Steady-State Error) = -2V
진동
4) PD 제어 P=200 I=0 D=200
Mp (Maximum OverShoot) = 3V
tr (Rising Time) = 5m/s
ts (Settling Time) = 20m/s
ess (Steady-State Error) = -3V
진동
5. 고찰
이번 실험에서는 PID제어에 대한 이론과 특성을 이해하고 실험을 통하여
P제어와 PD제어를 통하여 이론으로 예상한 이론값과 실험값을 비교하여 보
았다. 이 실험값을 정리하면 아래와 같다.
P
I
D
Mp
tr
ts
ess
1
150
0
0
0
6m/s
31m/s
-10V
2
200
0
0
3V
6m/s
35m/s
-3V
3
200
0
100
4V
5m/s
27m/s
-2V
4
200
0
200
3V
5m/s
20m/s
-3V
또한 제어기에 따른 응답의 이론은 아래와 같다.
제어기
상승시간
오버슈트
정착시간
오차
P


약간변화

I



없어짐
D
약간변화


진동
이론에 의하면 처음 1, 2 번 실험에서 P의 값만을 높였을 때 상승시간과
정상상태오차는 줄어들고 오버슈트는 증가할 것이라 예상할 수 있었다.
또한 실험결과에서 역시 P값을 150에서 200으로 올리자 오버슈트가 0에서
3V로 증가하였고, 정상상태오차역시 -10V에서 -3V로 감소하였다. 하지만
상승시간은 변화가 없었고, 정착시간은 조금 증가하였다. 이론적으로는
상승시간 역시 줄어들어야 하지만 변화가 없었던 것은 실험기기 자체에서
발생한 오차일 것이다.
3, 4 번 실험에서는 P의 값은 200으로 고정시키고 D값을 100에서 200으
로 올려 PD제어에서의 D제어의 특성을 살펴보았다.
이론에 의하면 D값의 증가에 따라 오버슈트와 정착시간은 줄어들고 진동
하는 시스템이 될 것이라 예상할 수 있었다.
하지만 실험결과에서는 정착시간은 D값에 따라 감소하였지만 오버슈트는
거의 변함이 없는 진동하는 시스템이 나타났다. 이 실험에서 오버슈트가
줄어들지 않는 것 또한 제어기자체의 문제로 볼 수 있다.
※ 위 실험결과와 이론을 바탕으로 P값은 200으로 고정시키고 I값 100200
으로 높이며 PI제어를 예상하여 보았다.
▣ PI 제어 P=200 I=100 D=0
Mp (Maximum OverShoot) = 5V
tr (Rising Time) = 3m/s
ts (Settling Time) = 38m/s
ess (Steady-State Error) = -1V
비례제어에 적분제어를 추가함에 따라 상승시간이 줄어들고, 오버슈트와
정착시간은 증가할 것이다. 또한 정상상태오차는 거의 없어질 것이다.
▣ PI 제어 P=200 I=200 D=0
Mp (Maximum OverShoot) = 8V
tr (Rising Time) = 1m/s
ts (Settling Time) = 40m/s
ess (Steady-State Error) = -0.5V
I값을 조금 더 높임으로써 오버슈트와 정착시간은 더욱 커지고, 상승시
간은 더욱 짧아질 것이다. 또한 정상상태오차는 거의 0에 가까워질 것이다.
이번 실험에서 알 수 있듯이 PID제어는 각각의 특성을 가지고 있기 때문에
사용자의 시스템에 맞는 개별 제어 특성과 목적을 고려하여 적절한 파라미
터를 설정하여야한다.
일반적으로 제어시스템에서 요구되는 특성은
① 안정된 성능 ② 빠른 응답 ③ 최소의 정상상태오차
라 할 수 있다. 따라서 각 제어기의 특성을 정확히 파악하고 여러번의
경험적인 실험을 통하여 시스템에 알맞은 제어기를 설계하여야 한다.

키워드

모터제어,   PID제어,   제어실험,   미분제어,   적분제어,   비례제어