[기계공학실험] 도립진자 실험

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목차

Ⅰ. 서 론
ⅰ. 실험목적
ⅱ. 실험이론

Ⅱ. 본 론
ⅰ. 실험장치
ⅱ. 실험방법
ⅲ. 실험 시 유의사항

Ⅲ. 결 론
ⅰ. 그래프 원인과 결과 분석
ⅱ. 실생활에 이용되는 디지털 제어시스템
ⅲ. 결론 및 고찰
ⅳ. 참고문헌

본문내용

중요한다. 수학적 모델링은 실제 시스템에서 입력과 출력의 관계를 수학적으로 표현하는 것을 말한다. 도집진자의 수학적 모델에 대해 이해하고 이를 구해보도록 한다.
3. 측정 및 데이터의 입출력
일반적으로 제어 실험을 하는 경우 센서를 통하여 측정을 하고 DAQ 카드 등을 통하여 데이터를 출력한다. 포탠셔 미터를 통하여 진자의 기울기와 카트의 수평위치를 측정하는 원리를 이해하고, 검출된 신호와 모델링한 신호를 DAQ 카드를 이용하여 입출력 하는 법에 대하여 이해한다.
4. 제어이론
PID 제어는 산업 현장에서 많이 사용되는 대표적인 제어기이다. 비례(Proportional) 제어는 오차에 비례하는 크기의 힘을 가하는 방법이며, 적분(Integral) 제어는 누적된 오차를 반영하여 정상상태 오차를 줄이려는 방법이고, 미분(Derivative) 제어는 오차의 변화에 비례한 신호를 가하는 방법이다. 이러한 PID 제어 이론이 실제 시스템에서 어떻게 적용되고 각각의 제어 요소가 시스템의 동작에 어떠한 영향을 미치는 가를 실제 눈으로 확인함으로써 PID 제어 이론의 개념을 파악할 수 있게 한다.
추가적인 설명으로 PID 제어기는 다음과 같은 전달함수를 가진다.
이 제어기는 비례항, 적분항, 미분항을 가진다. 시간영역에서의 출력방식은 다음과 같다.
미분항의 전달함수는 실제로는
이나 가 일반적으로 공정 자체의 시상수보다 매우 작으므로 무시할 수 있다.
만일 으로 두면 다름과 같은 비례-적분(PI) 제어기가 된다.
으로 두면
이며 비례-미분(PD) 제어기라고 부른다.
PID 제어기가 많이 쓰이는 이유는 광범위한 동작조건에서 좋은 성능을 보이며, 공학자가 쉽고 간단하게 동작시킬 수 있는 단순성에 기인한다. 이러한 제어기를 사용하기 위해서는 주어진 공정에서 세 가지 매개변수; 비례이득, 적분이득, 미분이득을 결정하여야 한다.
Ⅱ. 본 론
ⅰ. 실험장치
1. 플랜트(도립진자 시험장치 ED-4820)
< 사진-2 도립진자 실험장치 ED-4820 >
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 : 10이며, 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 카트 및 위치 포켄셔미터와 연결되어 있다.
⑥ 위치 포텐셔미터 : 10이며, 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 신호가 플랜트(ED-4820-1)에 전달된다.
⑧ 레일 : 카트가 이동하며, 길이는 800mm 이다.
⑨ 장비의 제원
< 표-1 도립진자 실험장치 ED-4820 제원표 >
2. 구동부
< 사진-3 도립진자 시스템 구동부 ED-4820-2 >
① Power : 시스템의 전원을 인가 또는 차단하는 메인 전원이다.
② 전류계 : 모터에 흐르는 전류를 보여준다.
③ 전압계 : 모터에 흐르는 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 오른쪽 에 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. 프로 그램에서 모니터링 하기 위해서 연결된다.
⑬ GND : 접지이다.
ⅱ. 실험방법
1. 시험기의 주위의 진동이 발생하거나 간섭이 예상되는 장애물을 모두 치운다.
2. 시험기의 각종 부품이 정확히 위치하고 안전한가를 확인한다.
3. 제어 PC의 도립 진자 전용 프로그램을 실행한다.
4. 진자의 각도 변화에 따른 전압을 측정한다.
5. 카트의 위치 변화에 따른 전압을 측정한다.
6. 제어 PC에서 제어기 게인값을 변화시키며 진자 각도 전압 및 카트 위치 전압 그래프 의 변화를 확인한다.
7. 기준 전압을 0 V에서 -1~1V 로 고정하고 구동기의 P값과 D값을 조정하며 진동이나 떨 림이 없는 이상적인 제어 결과를 반복하여 찾아낸다.
ⅲ. 실험 시 유의사항
1. 시험 기구(= 구동기)는 모터에 의해서 동적인 부분이 있으므로 안전에 유의하여 실 험에 임한다.
2. P값과 D값을 게이지를 손으로 돌려서 조정할 때 최대한 정확하게 조정한다.
3. 실험을 반복 할 때 똑같은 초기조건과 환경을 유지한다.
4. 이상적인 제어 결과를 눈으로 확인할 때, 제어 PC에 출력되는 그래프와 비교하면서 최대한 객관적으로 판단한다.
Ⅲ. 결 론
ⅰ. 실험 데이터 원인과 결과 분석
1. 각도비례3미분4(위치비례5미분5)
< 그래프-1 각도비례3 미분4 (위치비례5 미분5) >
→ Gain(이득) 조건을 Angle P=3, D=4 로 주었을

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