[기계공학실험]도립진자실험

소개글

[기계공학실험]도립진자실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

<실험요약>
1. 실 험 목 적 ------------------------------------------ 1
2. 실 험 결 과 의 개 요 ----------------------------------------- 1

<서 론>
1. 실 험 목 적 ----------------------------------------- 3
2. 실 험 이 론 ----------------------------------------- 3
3. 용 어 정 리 ----------------------------------------- 4
4. 실생활에 이용되고 있는 디지털 제어시스템의 예 -------------- 10

<본 론>
1. 실 험 장 치 ---------------------------------------- 15
2. 실 험 방 법 ---------------------------------------- 17

<결 론>
1. 실 험 결 과 ----------------------------------------- 18
2. 결 론 및 고 찰 ----------------------------------------- 18
3. 참 고 문 헌 ----------------------------------------- 18

본문내용

발된 INS(Intellgent Navigation System)은 일반적인 INS가 기상에 대한 단편적 정보를 제공하는 것에 비해 위성원격시스템과 해양환경정보시스템과의 연동을 통해 기상에 대한 실시간 정보를 수신하여 경제적 항로설정 및 계획수립에 활용하고, 선박에 대한 운항정보를 실시간으로 육상에 있는 선단 감시시스템과 정보를 공유할 수 있다. 또한, 충돌 및 좌초 예방을 위한 전문가 시스템을 탑재하여 Auto-pilot, AIS, RADAR와 연동하여 충돌위험이 있는 목표물에 대한 경보 및 자율운항을 지원하는 시스템이다.
또한, 선박의 주기관 및 추진 성능에 대한 운항 상태를 점검하기 위해 프로펠러 축에 센서를 부착하고, 이 센서로부터 선박의 추진성능을 계산하기 위하여 축의 회전속도(RPM), 주기관의 연료 소모량, 연료유 온도, 선속, 풍향.풍속, 배의 트림상태, GPS에 의한 배의 실제 운항 속도 등의 신호를 입력받아 여러 가지 상태의 운항 기록을 수집하여 사용자에게 이들 정보를 표시하여 주는 엔진축 마력 시스템이 개발되었다. Fig. 5에 개발된 엔진축 마력 시스템과 실제 선박에 탑재되어 테스트되고 있는 사진을 보여준다.
또한, 항해 경로설정, 최적 및 경제적 항로설정을 위해서 기존의 항해정보에 대한 DB로 구축된 전문가 시스템이 개발되었다.
< 본 론 >
1. 실험장치
A. 플랜트(도립진자 실험장치 ED-4820)
그림 1. 도립 진자 시스템 플랜트 (ED-4820-1)
① 진자 : 길이는 35cm와 50cm 두 종류이다. 카트에 연결되어 나사로 고정되며, 좌우로 기울어진다. 진자의 기울어짐을 측정하기 위해 각도 포텐셔미터와 축을 통해 연결되어 있다.
② 각도 포텐셔미터 : 10kΩ이며, 진자의 기울어짐을 측정한다. 오른쪽으로 기울어졌을 때 (+) 전압이 왼쪽으로 기울어졌을 때 (-)전압이 측정된다. 진자와 축을 통해 연결되어 있다.
③ 카트 : 모터의 회전에 의해 레일 위를 이동한다. 모터와 카트는 타이밍 벨트로 연결 되어 있다. 전면에 진자가 후면에 각도 포텐셔미터가 연결되어 있다.
④ 타이밍벨트 : 모터, 위치 포텐셔미터, 카트를 연결하여 모터의 회전에 의해 포텐셔미터, 카트도 같이 움직인다.
⑤ DC 서보 모터 : 모터의 회전으로 카트를 이동시킨다. 타이밍벨트에 의해 카트 및 위치 포텐셔미터와 연결되어 있다.
⑥ 위치 포텐셔미터 : 10kΩ이며, 카트의 위치 전압을 측정한다.
⑦ 25P 커넥터 : 케이블을 통해 도립 진자 구동부(ED-4820-2)와 연결된다. 포텐셔미터에 의해 측정된 센서 신호가 구동부로 전달되며, 구동부의 모터 인가 신호가 플랜트(ED-4820-1)에 전달된다.
⑧ 레일 : 카트가 이동하며, 길이는 800mm이다.
B. 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. 수직을 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 있다. ED-4800A와 잭으로 연결된다.
⑦ 모드 선택 스위치 : 제어 모드를 아날로그 또는 디지털로 선택할 수 있다.
⑧ PWM 단자 : 모터 드라이버 IC로 들어가는 Direction 신호를 측정할 수 있다.
⑨ DIRECTION 단자 : 모터 드라이버 IC로 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-4800A의 기준 입력이 잭으로 연결된다.프로그램에서 모니터링 하기 위해서 연결한다.
⑬ GND : 접지이다.
2. 실험 방법
① 제어PC의 도립 진자 전용 프로그램을 실행한다.
② 진자의 각도 변화에 따른 전압을 측정한다.
③ 카트의 위치 변화에 따른 전압을 측정한다.
④ 제어PC에서 제어기 게인값을 변화시키며 진자 각도 전압 및 카트 위치 전압 그래프의 변화를 확인한다.
⑤ 기준 전압을 0 V에서 -1~1V로 고정하고 제어PC에서 제어기 게인값을 변화시키며 진자 각도 전압 및 카트 위치 전압 그래프의 변화를 확인한다.
♣ 실험 소요 시간
- 약 2시간
< 결 론 >
1. 실험 결과
신호
이동거리
진동
GAIN
P:2, D:2
증가
감소
LOW
P:6, D:6
감소
증가
HIGH
2. 결론 및 고찰
PD 제어기를 이용하여 각 신호의 크기에 따른 이동거리와 진동 및 게인값이 어떻게 변하는지를 관찰하였다.
위의 표를 보면 P값이 높을수록 진자가 더 빨리 수렴 하여 이동거리가 감소하는 것을 확인할 수 있었고, P로 인한 게인값이 부족하게 되면 수렴하지 못하고 안정화되는 데 시간이 더 오래 걸리는 것을 볼 수 있었다. 또한 진자가 기울어지는 속도가 수렴하는 속도보다 빠르게 되면 진자가 쓰러져 발산하게 된다.
하지만 게인값이 크면 이동거리는 감소하지만 진동이 증가하는 단점이 있으며, 반대로 게인값이 작으면 이동거리는 증가하지만 진동은 감소하는 장점이 있다.
따라서 어느 게인값의 크기가 좋은 제어기의 기준이 될 수 없으며, 어떤 용도로 쓰이냐에 따라 그에 따른 적절한 제어방식이 필요하다.
조사를 진행하면서 일상생활 어디에서나 디지털제어를 사용하는 기기들이 다양한 분야에서 쓰이고 있다는 것을 알 수 있었다.
이번실험을 통해서 이론으로만 알고 있던 PID제어를 직접 다뤄보면서 제어에 대한 개념을 이해할 수 있었다.
3. 참고문헌
- 최신제어시스템, Richard C. Dorf 외, PEARSON
- 월간 해양과 조선(http://www.shipbuilding.or.kr/)
- 오토닉스(http://www.autonics.co.kr/)

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기계공학,   기계공학실험,   도립진자,   제어기,   PDI제어기,   피드백,   디지털제어