도립진자실험

소개글

도립진자실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론 및 원리
1) 도립진자의 구성
2) 시스템의 수학적 모델링
3) 측정 및 데이터의 입·출력
4) 시스템의 제어방식
5) 도립진자시스템의 수학적 모델
6) 제어이론이 실제 적용되는 사례

3. 실험 장치

4. 실험 방법

5. 실험 결과 및 고찰

6. 참고 문헌

본문내용

로봇공학 분야에서 많이 이루어지고 있는데 ①다관절 및 이족보행로봇이나 ②물체 추적 로봇 진자의 운동을 네 방향 중에서 두 성분으로 나누어 기록하는 Wiechert식 지진계(수평동지진계)등에 활용되고 있다.
3. 실험 장치
(1) 플랜트
① 진자 : 길이는 35cm 와 50cm 두 종류이다. 카트에 연결되어 나사로 고정되며, 좌 우로 기울어진다. 진자의 기울어짐을 측정하기 위해 각도 포텐셔미터와 축을
통해 연결되어 있다.
② 각도 포텐셔미터 : 10kΩ이며, 전자의 기울어짐을 측정한다. 오른쪽으로 기울어졌을 때 (+)전압이 왼쪽으로 기울어졌을 때 (-)전압이 측정된다. 진자 와 축을 통해 연결 되어 있다.
③ 카트 : 모터의 회전에 의해 레일 위를 이동한다. 모터와 카트는 타이밍 벨트로 연 결되어 있다. 전면에 진자가 후면에 각도 포텐셔미터가 연결되어 있다.
④ 타이밍 벨트 : 모터, 위치 포텐셔미터, 카트를 연결하여 모터의 회전에 의해 포텐셔 미터, 카트도 같이 움직인다.
⑤ DC 서보 모터 : 모터의 회전으로 카트를 이동 시킨다. 타이밍벨트에 의해 카트 및
위치 포텐셔미터와 연결되어 있다.
⑥ 위치 포텐셔미터 : 10kΩ 이며, 카트의 위치 전압을 측정한다.
⑦ 25P 커넥터 : 케이블을 통해 도립진자 구동부(ED-4820-2) 와 연결된다. 포텐셔미터에 의해 측정된 센서 신호가 구동부로 전달되며, 구동부의 모터 인가 신호 가 플랜트(ED-4820-1)에 전달된다.
⑧ 레일 : 카트가 이동하며, 길이는 800mm 이다.
(2) 구동부
① Power : 시스템의 전원을 인가 또는 차단하는 메인 전원이다.
② 전류계 : 모터에 흐르는 전류를 보여준다.
③ 전압계 : 모터에 인가된 전압을 보여준다.
④ Bar Angle Out : 진자의 각도 전압을 측정할 수 있다. 추직을 기준으로 오른쪽으로
기울어지면 (+), 왼쪽으로 기울어지면 (-) 가 측정된다.
⑤ Cart Position Out : 카트의 위치 전압을 측정할 수 있다. 중앙을 기준으로 오른쪽에
위치하면 (+), 왼쪽에 위치하면 (-)가 측정된다.
⑥ Analog Control : 아날로그 제어일 경우 이단자를 통해서 제어 신호를 인가 할 수 있
다. ED-4800A 와 잭으로 연결된다.
⑦ 모드 선택 스위치 : 제어모드를 아날로그 또는 디지털로 선택할 수 있다.
⑧ PWM 단자 : 모터 드라이버 IC 로 들어가는 Direction 신호를 측정할 수 있다.
⑨ Direction 단자 : 모터 드라이버 IC 로 들어가는 Direction 신호를 측정할 수 있다.
⑩ Out Range LED : 카트의 위치가 범위를 벗어났을 때 ON 된다.
⑪ Over Current LED : 과도 전류가 모터에 흐르면 ON 된다.
⑫ Reference : 아날로그 제어일 경우, ED-4800A 의 기준 입력이 잭으로 연결된다.
프로그램에서 모티터링 하기 위해서 연결한다.
⑬ GND : 접지이다.
4. 실험 방법
① 윈도우 제어 프로그램 메뉴에서 디지털 제어/ 도립 진자를 선택한다. 그래프 출력, 이득 결정, 동작 보기 등을 포함하는 메인 화면이 나타날 것이다.
② “시작” 메뉴를 클릭하여 프로그램을 실행 시킨다.
③ 진자를 수직으로 세운 상태에서 전원을 켠다. 이때부터 장비의 센서 신호가 PC 입력 되어 PC 알고리즘을 통한 계산 결과가 출력된다. 기준 입력이 OV 로 설정 되어 있으므 로 카트는 중앙에서 도립한다. 초기 상태로 그래프보기가 모두 체크되어 있지 않으므 로 그래프가 출력되지 않는다. 세 개의 그래프를 모두 체크하여 기준 입력과 센서 신호가 제대로 모니터링 되는지 확인한다.
④ 화면 우측 하단의 동작보기를 선택한다. 실제 도립진자의 움직임을 화면에 보여준다.
⑤ Reference값을 OV에서 -1V~1V로 바꾼다. 이는 카트의 위치를 중앙에서 1V~1V에 위치 시키면서 진자를 도립하라는 의미이다. 진자가 좌우로 기울어지면서 카트를 1V~1V에 위치시키고 카트 위치가 1V~1V에 이르면 진자의 각도는 OV에 수렴 하면서 안정화되는 것을 확인한다.
⑥ 카트 위치 제어기 이득을 변경시키며 그래프의 변화를 확인한다. 초기상태는 비례 이 득이 10, 적분 이득이 0.03 이다. 비례 이득을 7로 또는 적분 이득을 0 으로 변경시켜 변화에 따라 카트의 위치 신호가 어떻게 달라지는지를 확인한다. 이 때 비례이득이 너 무 커지면 시스템은 발산하게 되어 할 수 없게 되는 점과 적분 이득이 없는 경우 정상 상태 오차가 존재 하면서 발산하게 되는 점을 유의한다.
5. 실험 결과 및 고찰
- 시스템 : 미분 게인을 3으로 하였을 때 도 립진자 시스템은 카트의 위치의 움직임의 폭 이 컸다. 그리고 시스템이 불안정했다.
- 레퍼런스 값을 1V 변화시켰을 때 : 제어하 지 못하고 진자가 쓰러졌다.
- 시스템 : 미분 게인을 4로 하였을 때 도 립진자 시스템은 카트의 위치의 움직임의 폭이 3일 때보다 작았다. 그리고 시스템이 바로 안정되었다.
- 레퍼런스 값을 1V 변화시켰을 때 : 진자 가 쓰러지지 않도록 제어했다.
- 시스템 : 미분 게인을 5로 하였을 때 도립 진자시스템은 카트의 위치의 움직임의 폭이 3일 때보다 작았다. 그리고 시스템이 미분 게인이 4였을 때보다 더 빨리 안정되었다.
- 레퍼런스 값을 1V 변화시켰을 때 : 진자가 쓰러지지 않도록 제어했다.
- 시스템 : 미분 게인을 6으로 하였을 때 도 립진자 시스템은 카트의 위치의 움직임의 폭 이 3일 때 보다 작았다. 그리고 시스템이 불 안정 해졌다.
- 레퍼런스 값을 1V 변화시켰을 때 : 진자가 쓰러졌다.
⇒ 미분제어동작이 예견할 수 있는 유리한 점을 가진 반면에 오차신호를 증폭시켜 작동 기에 포화효과를 야기 시킬지도 모르는 불리한 점도 동시에 가지고 있다. 미분제어동작은 단독으로는 사용하지 않는데 그 이유는 이 제어동작이 과도기간 중간에만 영향을 미치기 때문이다.
6. 참 고 문 헌
최신제어시스템 : Richard C. Dorf외 1인, 이윤경 외 1인, 피어슨 에듀케이션 코리아
자동 제어공학 : 윤만수, 일진사
현대 자동제어 시스템 공학 : 한성현, 대신기술

키워드

PID제어,   비례제어,   PI제어,   적분제어