Pid 제어 예시 | Pid 제어, 파트 1: Pid 제어란? 모든 답변

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PID 제어는 제어 분야에서 가장 많이 사용되는 제어기로, 피드백 제어기의 형태를 띄고 있어요. 피드백 제어란 출력이 다시 입력에 영향을 주는 형태를 말합니다. 여름철 사용하는 에어컨의 온도 조절 기능이 PID 제어를 사용한 대표적 예시입니다.

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[한국어 자막] PID는 피드백 제어기의 한 형태일 뿐이지만 이해하기도 쉽고 구현하기도 쉽습니다. 과거, 현재 및 미래의 오차를 활용하는 가장 단순한 제어기라고 할 수 있죠. 이러한 기본 기능은 모든 문제는 아니더라도 대부분의 제어 문제를 해결하는 데 꼭 필요합니다. 이것이 바로 실제 물리적 어플리케이션에서 피드백 제어의 가장 보편적인 형태로 PID가 폭넓게 사용되는 이유입니다. 본 비디오 시리즈에서는 PID 제어에 대해 자세히 다룹니다.
PID 튜닝 예제 코드 다운로드 https://bit.ly/3pSQAaG
MATLAB 및 Simulink를 사용한 PID 제어 https://bit.ly/33fLv2s
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PID제어 – 네이버 블로그

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PID 제어, 파트 1: PID 제어란?
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주제에 대한 기사 평가 pid 제어 예시

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  • Date Published: 2021. 1. 5.
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PID 제어에 대해 알아봅시다

그리고 다음과 같이 코드를 작성합니다. 코드가 매우 길고 복잡한데 핵심만 분석해보면 17번째 줄에 각도가 변하는 코드를 넣어주었고 void loop()함수 부분에 목표값(가변저항의 값)을 설정해주었습니다. 그리고 그 밑에는 현재 각도를 계산하는 코드를 넣어주었고 그 밑에는 에러 계산하는 코드를 넣어주었습니다. 목표값에서 현재값을 빼 에러를 계산해주는 코드입니다. 그리고 그 밑에 PTerm, ITerm, DTerm을 계산해주고 각각을 더해 최종 PID값을 계산해주는 식을 넣어주었습니다. 그리고 그 PID값을 적용해주는 코드를 넣어주었습니다. 코드를 업로드하고 결과값을 확인해 볼까요?

PID제어

PID제어란?

P(비례) + I(적분) +D(미분) 제어로,

P제어와 I제어 D제어의 각각 장단점들을 모아서 조합한 제어방법으로

각 제어마다 장점과 단점이 있기 때문에 각 제어의 요소들을 잘 조절하면

최적의 제어를 얻을 수 있다.

근데 도대체 어떤 걸 제어하냐고?

앞전에 우리는 PWM제어를 한 적이 있다.

PWM제어는 전압의 펄스폭을 제어 즉 ,듀티비(주기점유율)을 조절하여서 출력되는 전압을 제어하고

그렇게 되면 전압에 따라서 공식을 변환하여 모터의 각도, 속도 ,RPM등을 조절했다.

예를 들어 10%의 주기점유율을 주게되면 90도의 각도, 100RPM이 측정되는 식으로

PID제어는 피드백 제어방식으로

그림과 같이

PWM제어로 주기점유율(조작량)으로 전압(제어량)을 제어했다면,

즉, 주기점유율이 컨트롤 값(입력값)이고 전압이 인디게티어(출력값)이라면

원하는 전압값을 설정하면 주기점유율이 자동으로 조절되어 전압값을 출력하는 형식이다.

그렇다면 이론상 매우 쉽다.

10% 주기점유율에서 100RPM이었다면, 반대로 100RPM을 설정하면 주기점유율이 10%로 자동 제어되고 따라서 설정한 값인 100RPM이 출력 전압에 의해서 측정될 것이다. 만약 내가 20도 온도를 설정하고 싶다면 20도를 입력하면 20도를 위한 전압이 즉시 출력되어 20도를 맞춰준다는 것이다.

굳이 이런식을 제어할 필요도 없다. 만약 출력 전압에 따른 온도나 RPM값등 공식을 제대로 안다면 예를 들어 전압=온도 /100이라면 10도를 얻고 싶으면 전압을 0.1V로 직접 기입해 주면된다. 실제로는 그런 공식이 성립되기 어렵기 때문에 10도를 얻기위해서 컨트롤 값을 임의로 몇번이나 입력해줘야 한다. 예를 들자면 원하는 온도가 10도인데

100% 전압을 가했더니 온도가 30도가 측정되더라 그래서

50% 전압을 가했더니 온도가 20도가 측정됬다. 그래서 이번에는

25% 전압을 가했더니 온도가 15도가 측정됬다. 그래서 또 다시

10% 전압을 가했더니 온도가 8도가 측정되었다. 그래서 또 15%를 주니 11도가, 12%을 주니 9.5도가

11%를 주니 9.8도가 이런식으로 측정이 되면 10도를 맞추기 위해서 직접 몇번이나 설정해야한다.

당연히 비효율적인 방법이고 또 실상은 저런식으로 조작량에 따라서 온도가 일정하게 직선으로 나오지 않는다.

그림의 처럼 직각형이 아닌 곡선형이 나오게 된다 왜냐고? 온도는 아날로그 값이지 디지털 값이 아니니까 환경요소인 온도는 수시로 변하는 연속적인 값이기 때문에 내가 10% 전압을 줘서 10도를 얻었다 해도 순식간에 11도 9도로 변하게 된다. 그럼 그 순간에는 10%가 10도 였지만 1초뒤에는 11% 값이 10도가 9%값이 10도가 될 수 도 있는 것이다.

그래서 자동으로 제어하기 위한 방법으로는 첫 번째로는 가장 단순무식한 방법인 ON/OFF 제어가 있다.

< http://cafe.naver.com/rcgroups/9250>

이 방식은 PWM제어도 없이 그냥 ON,OFF만 사용하여 제어하는 방식으로 목표값을 초과하면 OFF시키고 목표값보다 낮아지면 ON시키는 방식으로 목표값과 가까울 수록 ON시키는 시간이 줄어든다.

문제는 PWM제어가 없는 100% ON과 OFF를 사용하기 때문에 조작량의 차이가 너무 크게된다.

그리고 목표값에 미세하게라도 일정한 값을 유지하는게 거의 불가하기 때문에 계속해서 진동을 하게 된다.

이런점을 보완한 제어가 P(비례)제어 방식으로 100% ON,OFF하는 방식을 PWM제어를 통해서 제어하는 방식으로

P(비례)제어

목표값과 제어량의 편차를 비교해서 편차가 크면 조작량을 크게하고, 편차가 작으면 조작량이 점차 줄어드는 방식이다.

사진과 같이 비례제어 요소 Kp값을 크게하면 오버슈트는 증가하지만 상승시간(0부터 처음 오버슈트까지 도달시간)은 줄어든다. 즉 Kp가 크다는 말은 편차에 따른 조작량을 크게 제어한다는 말로 때문에 비교적 빨르고 정상상태 오차를 감소시키며 목표값 근처에 도달이 가능하다. 하지만 말 그게로 제어량이 크기 때문에 시스템에 무리가 갈 수 있다. 반대로 Kp가 작으면 편차에 따른 조작량을 작게하기 때문에 천천히 제어량을 제어하면서 목표값에 가까워지기 때문에 그 만큼 오버슈트를 감소하고 따라서 상승시간은 증가한다.

예를 들어 주먹구구 식으로 식을 만들어 Kp를 따라해보자면,

설정 RPM이 300이고 처음 RPM이 0, 조작량 100%에 350RPM이라고 치자.

편차가 50%이상이면 조작량을 100%

편차가 50%이하~30%이상이면 조작량을 50%

편차가 30%이하~20%이상이면 조작량을 25%

편차가 20%~10%라면 조작량을 12.5%

편차가 10%~5%라면 조작량을 5%

편차가 5%~1%라면 조작량을 1%

편차가 0%라면 고정 값을

1. 처음 0과 300RPM차이는 100%를 초과해서 100% 조작량에 의해서 제어량이 350RPM으로 목표보다

50RPM 높은 오버슈트가 발생한다. 편차가 휠씬 넘기 때문에 전압을 OFF시켰더니 250RPM까지 줄었다.

2. 250RPM은 300RPM과 50차이(약33%)차이로 조작량을 50%가해서 약 250RPM이 됬다.

3. 270RPM은 300RPM과 30차이(10%)차이로 조작량을 12.5%가해서 290RPM이 됬다.

4. 290RPM은 300RPM과 10차이(3.3%)차이로 조작량을 1%가해서 295RPM이

5. 295RPM은 300RPM과 5차이(1.63%)차이로 조작량을 1%가해서 298RPM이

이런식으로 295RPM 정도를 왔다가며 오버슈트는 있지만 약 5번 만에 목표값 근처에 도달했다.

이번에는

편차가 50%이상이면 조작량을 40%

편차가 50%이하~30%이상이면 조작량을 20%

편차가 30%이하~20%이상이면 조작량을 10%

편차가 20%~10%라면 조작량을 5%

편차가 10%~5%라면 조작량을 1%

편차가 5%~1%라면 조작량을 0.5%

편차가 0%라면 고정 값을 주면

1. 처음 0과 300RPM차이는 100%를 초과해서 40% 조작량에 의해서 제어량이 200RPM이 됬다.

3. 200RPM은 300RPM과 100차이(33.3%)차이로 조작량을 20%가해서 230RPM이 됬다.

4. 230RPM은 300RPM과 70차이(약23%)차이로 조작량을 10%가해서 250RPM이

5. 250RPM은 300RPM과 50차이(약16.%)차이로 조작량을 5%가해서 260RPM이

6. 260RPM은 300RPM과 40차이(약13.%)차이로 조작량을 5%가해서 270RPM이

7. 270RPM은 300RPM과 30차이(약10.%)차이로 조작량을 5%가해서 280RPM이

8. 280RPM은 300RPM과 20차이(약6.5%)차이로 조작량을 1%가해서 285RPM이

9. 290RPM은 300RPM과 15차이로 조작량을 1%가해서 290RPM이

10……

이런식으로 295RPM 정도를 왔다가며 오버슈트는 없지만 약 10번 만에 목표값 근처에 도달했다.

Kp가 클수록 오버슈트는 생기지만 목표값까지 더 빨리 도달하고 상승시간이 짧은 이유를

주먹구구식으로 표현한 것이다. 물론 예를 들었기 때문에 실제로 저런식은 아니다.

목표값에 거의 가까워 지면 이 때 부터는 정상상태라고 하며, 이 때 까지 걸리는 시간을 정착시간이라고 하는데 정착시간은 Kp를 크게하든 작게하든 똑같다. 비례제어 P의 문제점은 목표값에 거의 비슷하게 접근하지만 잔류편차가 남는다는 점이다.

PI(비례+적분)제어

이점을 해결하기 위한 방법이 I(적분)제어 방식으로 P제어를 통해 정착시간이 걸려서 목표값 근처인 정상상태에 도달하여 잔류편차가 남은 상태에서 누적되는 잔류편차에 대한 시간값으로 적분하여

목표값에 좀 더 정밀하게 접근하도록 한다.

그림과 적분제어 요소인 Ki가 크면 오버슈트가 커지고 따라서 상승시간이 미세하게 감소한다.

반대로 Ki가 작으면 오버슈트는 줄어들고 따라서 상승시간은 증가한다.

적분제어를 하게 되면 P제어를 거친 정상상태오차를 제거할 수 있지만 그 만큼 정착시간이 플러스 되는데 Ki가 클수록 오버슈트와 언더슈트가 크기 때문에 정착시간이 더 증가된다.

I제어의 가장 큰 문제점은 외란이 발생하면 반응속도가 너무 느리다는 것이다. 왜냐면 좀 더 정밀하게

목표값에 가깝게 하도록 하기위해서 조작량 변화를 즉, 편차에 대한 조작량의 변화를 미세하게 해뒀기 때문에 갑자기 외란에 의해서 제어량이 갑자기 크게 변해도 조작량 변화가 미세하기 때문에 외란 신호를 다시 목표 값 근처로 가져오는데 시간이 오래걸린다는 말이다.

이런문제를 해결하기 위해서 또 하나의 방법이 추가되는데 이 방식이

D(미분)제어 이다.

D(미분)제어 방식은 목표량과 제어량의 오차값을 비교하여 오차와 반대되는 기울기의 조작량을 준다.

즉 목표값과 오차가 +10 만큼이라면 -10에 대한 기울기를 조작량으로 준다는 말이다. 따라서 PI제어에서 갑자기 외란이 일어나더라도 D제어가 있으면 외란과 목표값의 오차를 비교해서 빠르게 다시 안정화 시킬 수 있다. 그림과 같이 미분제어 요소인 Kd 값이 크면 클수록 가장 먼저 안정화 시키는 시간이 축소되기 때문에 정착시간을 감소시키지만 정상상태에서는 D제어 보다는 PI제어의 영향이 크기 때문에 정상상태오차 변화는 거의 없다.

P와 I제어의 경우는 목표값과의 편차를 비교하기 때문에 값이 크면 오버슈트가 크고 반대로 상승시간은 감소하지만 D제어는 목표값과 오차를 비교해서 반대의 기울기로 조작량을 주기 때문에 Kd가 클수록 오차를 더 빨리 잡아낸다. 따라서

미분제어 Kd 값이 크면 P와I와 달리 오버슈트가 감소하고 상승시간 또한 감소하고 정착시간도 감소한다. 반대로 Kd가 작으면 오차를 더 늦게 잡아내기 때문에 오버슈트는 증가하고 상승시간도 증가하며 정착시간도 증가한다.

PID제어

따라서 P(비례)+I(적분)+D(미분)제어를 모두 합치면 위 그림과 같이 되는데 각 요소인 Kp,Ki,Kd를 잘 조절하면 효율적으로 목표값에 도달할 수 있다.

먼저 P제어를 통해 목표값에 대해 근접하게 접근하는데

Kp가 크면 오버슈트가 크지만 상승시간은 감소하여 목표값까지 빠르게 접근하며 정상상태 오차는 감소한다. 하지만 큰 제어량을 요구하면 시스템에 무리를 줄 수 있고 정착시간은 영향이 없다.

Kd가 크면 오차를 더 빨리 잡아주기 때문에 오버슈트가 감소하고 상승시간 또한 감소하며 정착시간을 줄여준다. 하지만 정상상태 오차에 대해서는 영향이 없다.

Ki가 크면 정상상태에서 잔류편차에 대한 조작량 변화가 크기 때문에 오버슈트가 증가하며 미세한 조절이기 때문에 상승시간은 미세하게 감소하고 적분제어의 목표인 정상상태오차를 제거하지만 그 만큼 추가적으로 정착시간이 증가한다.

1번 그래프와 2번 그래프를 비교하면 비례제어가 크면 조작량이 크기 때문에 오버슈트가 크지만 상승시간이 짧기 때문에 목표값에 더 빨리 도달하며 정상상태에서 오차가 작고 정착시간은 거의 비슷하다.

2번과 4번을 비교하면, 미분제어가 크면 오차가 더 빨리 잡히기 때문에 오버슈트는 작고 상승시간도 줄어들며, 정착시간이 짧아진다.

4번과 6번을 비교하면, 적분제어가 크면 잔류편차에 대한 조작량이 크기 때문에 오버슈트가 크지만 미세하기 때문에 상승시간은 미세하게 줄어들지만 정착시간은 늘어난다 왜냐면 정상상태오차를 제거하기 위한 시간이 추가되기 때문이다.

조건에 따라 3개 요소를 잘 조절할 필요가 있다.

PID제어란?

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https://pkr7098.tistory.com/155

나의 식물일지 어플 보러 가기

이번에는 예전부터 다뤘던 PID 제어에 대해 조금 더 자세히 알아보겠다.

일단 PID라는 단어에서

P는 proportion 비례라는 단어의 영문 표기법의 앞 글자이다.

P 제어(비례 제어)는 흔히 사용하는 제어로 여러분이 이미 사용했을지도 모르는 제어이다.

이번 포스트에서는 온도 조절을 예시로 들겠다.

전기요금 폭탄의 원인 ‘에어컨’ 똑똑한 활용법

실내 온도를 20도에서 24도로 올리고 싶다면

실내 온도가 24도가 될 때까지 따뜻한 바람을 계속 틀어야 하는데

실내 온도가 20도 일 때는 강하게

22도일 때는 약하게

20도 근처가 되면 끄는 형식으로

목표값(24도)와 현재 값(20도)의 차에 비례한 값으로 출력(바람)의 강도를 맞출 것이다.

자세한 것은 아래의 그림을 보자

http://www.ktechno.co.kr/pictech/motor05.html

붉은색 그래프는 현재의 값(현재 온도)을 나타내고

푸른색 그래프는 조작량(바람의 세기)를 나타낸다.

붉은색 그래프와 푸른색 그래프에서 알 수 있듯이

목표값(목표 온도) 와 현재 값(현재 온도)의 차가 크면 조작량(바람의 세기)는 크고

작으면 조작량(바람의 세기)도 같이 비례하여 작아지는 것을 볼수 있다.수있다.

이런 식으로 목표값 차에 비례하게 제어하는 방법이 바로 P 제어(비례 제어)인데

그래프를 보면 P 제어만으로는 목표값과의 미세한 오차를 줄이지 못한다.(제어량이 적어지기 때문)

그래서 나온 방법이

PI(비례 적분) 제어다

PI에서 I는 적분을 뜻하는 Integral의 앞 글자이다.

PI 제어는 P 제어 에다가 적분에 의해 시간에 따른 차가 누적된다.

http://www.ktechno.co.kr/pictech/motor05.html

아까와 비슷한 그래프지만 아까와는 다르게 목푯값(설정 온도)와 현재 값(현재 온도)의 미세한 오차가 사라졌다.

이것은 비례 제어로 생긴 미세한 오차 값이 적분에 의해 시간이 지나감에 따라 계속 더해져서 그 값으로 조작량을 늘려서 미세한 오차를 없앤다.

녹색 그래프(적분에 의해 생긴 조작량)은 P 제어의 조작량과 더해져서 최종적으로 목표값에 다가간다. I 제어의 단점은 응답속도로 목표값에 다가가기 위해서는 그만큼의 시간이 필요하지만 D 제어로 커버할 수 있다.

마지막으로 PID 제어는 위의 PI 제어 에다가

D(미분) 제어까지 활용한 제어이다.

D는 미분의 영문 표기법인 differentiation의 앞 글자이다.

D 제어는 PI 제어를 이용한 것에 보다 빠르게 목푯값에 다가가기 위해 사용된다.

위의 그래프는 아까와는 다르게 그래프가 요동친다.

미분 제어는 목표값과 현재 값의 편차가 얼마나 빨리 커졌는지에 따라 제어를 한다.

예를 들어 현재 온도와 목표 온도 값이 24도인데

갑자기 문이 열려서 순식간에 현재 온도가 10도로 내려갔을 때 미분 제어는

둘 값의 차(14)에다가 어떠한 상수(보통은 시간을 사용)를 곱하여 제어량을

급속하게 증가시켜서 빨리 목표 온도에 이르게 도와주는 제어이다.

이것 말고도 PD 제어 D 제어(미분), I 제어(적분) 등이 있는데 이것들은 비례, 미분, 적분 제어를 적절하게 사용한 제어이다.

PID제어는 정밀한 제어가 필요할때 사용하며

보통 위의 예시로 사용했던 온도조절, 또는 비행기의 균형이나 드론의 균형등의 자세교정할때에 필수적으로 사용되는 제어이니

한번쯤 해보면 나중에 사용할 때가 있을 것이다.

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제어시스템과 PID 제어 정리

제어시스템과 PID 제어 정리

제어시스템 개론과 PID 제어에 대한 전반적인 내용 정리.

0. 제어시스템

0.1 제어시스템의 개론

제어시스템을 이해하려면 아래의 기본적인 개념들에 대한 정의를 알고 있어야함.

시스템(System) 특정 동작을 수행하는 모든 것을 통칭하는 말 플랜트( P , plant, 제어대상시스템, system to be controlled, process) 어떤 기능을 수행하는 물리적 시스템

제어하는 대상 을 지칭함. ex : 모터, 자동차, 비행기, 선박 등 등

을 지칭함. 입력(input, 제어신호( u ), control input)과 출력(output, 제어변수( y ), system output)을 가짐. 제어기( C ,controller, system to control, 보상기, compensator, DSP) 제어 목표를 수행하고자 고안된 시스템

기준입력( r )(엄밀히 말하면 오차( e ))을 통해 제어신호( u )를 생성하여 플랜트( P )를 구동 되먹임제어(Feedback Control, 궤환제어) 플랜트( P )의 출력( y )를 사용하여 제어신호를 생성하는 기법

)의 출력( )를 사용하여 제어신호를 생성하는 기법 외란(disturbance)이 존재할 때, 출력( y )과 기준입력( r )을 비교하여

그 차이를 감소시키도록 하는 작동. 강인성(robustness, 견실성) 아래의 몇가지 경우의 조건에도 불구하고, 원하는 성능을 유지하는 능력 불확실성(uncertainty) 외란(disturbance) 출력( y )에 나쁜 영향을 미치게 하는 신호 잡음(noise)

제어시스템(Control System) 제어기( C )와 플랜트( P )가 결합된 형태의 시스템을 통칭하는 용어

)와 플랜트( )가 결합된 형태의 시스템을 통칭하는 용어 제어변수( y )를 측정, 측정값이 기준입력( r )에 가까워지도록

제어신호를 만드는 동작을 수행함.

)를 측정, 측정값이 기준입력( )에 가까워지도록 제어신호를 만드는 동작을 수행함. 강인성(robustness)을 보장하기 위해 되먹임제어(Feedback Control, 폐루프(Closed-loop))도 구성함.

0.2 제어시스템의 목표

● 제어변수( y )가 기준입력( r )에 가까워지도록 제어기( C )를 설계하는 것!

● 강인성(robustness)을 보장할 것!

● 폐루프제어(Closed-loop)의 단점인 안정도를 고려할 것!

제어시스템의 장점 불확실성(uncertainty) 과 외란(disturbance)에 강함

덜 정확하고 저비용 부품으로 성능 보장 제어시스템의 단점 안정도를 고려해야함.

0.3 제어시스템의 전형적인 단위계단응답

1. PID 제어

1.1 PID 제어의 정의

● 기준입력( r )과 측정된 출력( r_now )의 차이인 오차( e )를 이용한

● 비례(Proportional, P), 적분(Integral, I), 미분(Differential, D)을 통해

● 제어에 필요한 제어값(MV : Manipulated Variable)을 계산하여

● 제어신호( u )를 만드는 제어기

일반적인 PID제어기는 3개의 항(P, I ,D)를 더해서 제어값(MV)을 계산하도록 구성.

e(t) : 경과시간에 따른 오차( e )값.

1.2 P제어

현재 제어값(MV)이 오차( e )에 비례하여 변화시키는 방법 오차( e )의 크기에 따라 제어신호( u )가 달라짐.

)에 비례하여 변화시키는 방법

Kp가 크면 제어시스템은 점점 더 빨리 기준입력( r )에 도달하게 됨.

)에 도달하게 됨. 단, 불안정한 상태 가 되고 기준입력( r )근처에서 계속 진동 을 하게 됨. Kp가 작으면 제어시스템은 더 느리게 기준입력( r )에 도달하게 됨.

언젠가 기준입력( r )기준으로 일정한 오차( e )를 가지며 안정된 상태가 됨.

)기준으로 일정한 오차( )를 가지며 안정된 상태가 됨. 장점 오차( e )는 점점 줄어듬.

단점 오차( e )가 0이 되지 않고 근사값에 점점 가까워지게 됨.

1.3 I제어

일정한 상태(정상상태, Steady state)로 유지되는 오차( e )를 없애는 방법

)를 없애는 방법 일정 시간에 걸친 오차( e )의 합을 구하고 그 결과를 제어값(MV)에 더함. 단위 시간(dt)에 따른 오차( e )의 적분으로 표현

)의 합을 구하고 그 결과를 제어값(MV)에 더함. 적분항에 의해 시간이 지나면 오차( e )의 합이 쌓이며

제어신호( u )는 빠르게 변해 오차( e )를 제거함.

Ki가 크면 제어시스템은 훨씬 더 빨리 기준입력( r )에 도달하게 됨.

)에 도달하게 됨. P제어만 할 때보단 파형의 변화량이 크지만

오차( e )가 0에 가까워지고 기준입력( r )과 차이가 없이 안정이 됨.

오차( )가 0에 가까워지고 기준입력( )과 차이가 없이 안정이 됨. 단, Ki를 너무 높이면 발산 을 하게 됨. Ki가 작으면 제어시스템은 더 느리게 기준입력( r )에 도달하게 됨.

)에 도달하게 됨. P제어만 할 때보다 진동 없이 기준입력( r )점에 도착하여 안정이 됨.

장점 오차( e )가 0에 매우 가까워짐. P제어만 할 때보다 상승시간(rise time)에 빠르게 도달

단점 Overshoot이 크고 정착시간(settling time)에 빠르게 도달 할 수 없는 경우가 많음.

1.4 D제어

오차( e )의 변화율을 계산하고 그 결과를 제어값(MV)에 더함. 단위 시간(dt)에 따른 오차( e )의 미분으로 표현

)의 변화율을 계산하고 그 결과를 제어값(MV)에 더함.

오차( e )의 변화가 크지 않는다면 미분항에 의해 D값은 작으며 제어값(MV)에 거의 영향을 미치지 않음. 오차( e )의 변화가 갑자기 커진다면 미분항에 의해 D값은 커지며 제어값(MV)이 크게 변하는 경우를 막아줌.

장점 Overshoot 개선 및 정착시간(settling time)에 빠르게 도달 할 수 있도록 해줌.

단점 제어시스템이 전체적으로 불안정해질 수 있음.(미세한 진동 등)

2. PID 제어기 튜닝

2.1 Ziegler-Nichols 튜닝 규칙

실험적(막말로 노가다)으로 PID제어기를 튜닝하는 방법

제어기 튜닝(Controller tuning) : 주어진 성능을 만족시키기 위한

제어기 파라미터(Kp,Ki,Kd)를 찾아내는 과정.

제어기 파라미터(Kp,Ki,Kd)를 찾아내는 과정. PID제어기의 미세 튜닝을 위한 시작값을 제공해줌으로 알고있어야함. Ziegler-Nichols 튜닝을 통해 찾은 값은 허용할 수 없을 정도의 overshoot를 나타낼 수 있음. 그에 따른 정착시간(settling time)에 빠르게 도달할 수 없음.

결론적으로, 주어진 성능을 만족시키기 한 제어기를 만들기 위해서는 Ziegler-Nichols 튜닝을 통해 시작 값을 찾고 여러 번의 미세 튜닝 실험을 반복하여 최종 값을 찾아야함.

2.2 Ziegler-Nichols 튜닝 방법 #1 (계단응답이 S형 곡선인 경우)

추후 정리

2.3 Ziegler-Nichols 튜닝 방법 #2

Ki, Kd의 값은 0 으로 설정. Kp 값을 0에서 부터 증가시켜가면서 출력이 최초로

지속적인 진동 을 하게 되는 Kp값을 구함. 이 값이 임계이득(Kcr) 임. Kp가 Kcr인 상태에서 진동 주기를 구함. 이 값이 임계주기(Pcr) 임. 임계이득(Kcr) 과 임계주기(Pcr) 에 따른

Kp, Ki, Kd 값을 아래 그림의 공식에 따라 결정함.

결과 예시로, 아래의 경우와 같이 overshoot크고 정착시간(settling time)에 빠르게 도달하지 못하는

출력( y )을 얻게됨.

PID 제어와 아두이노 예제 코드

PID 제어를 쓸 일이 생길수 있을 것 같아서 자료를 정리중입니다. 어차피 저도 이론적인 내용을 상세히 알지는 못하므로… 이론을 쉽게 정리하고 아두이노 코드로 옮기는 작업을 해야죠. 정리되는대로 이 페이지는 업데이트 됩니다.

[출처] PID제어란!!|작성자 화이팅

1. PID 제어란 ?

자동제어 방식 가운데서 가장 흔히 이용되는 제어방식으로 PID 제어라는 방식이 있다.

이 PID란,

P: Proportinal(비례)

I: Integral(적분)

D: Differential(미분)

의 3가지 조합으로 제어하는 것으로 유연한 제어가 가능해진다.

2. 단순 On/Off 제어

단순한 On/Off 제어의 경우에는 제어 조작량은 0%와 100% 사이를 왕래하므로 조작량의 변화가 너무 크고, 실제 목표값에 대해 지나치게 반복하기 때문에, 목표값의 부근에서 凸凹를 반복하는 제어로 되고 만다. 이 모양을 그림으로 나타내면 아래 그림과 같이 된다.

3. 비례 제어 (P 제어 )

이에 대해 조작량을 목표값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 하며, 서서히 조절하는 제어 방법이 비례 제어라고 하는 방식이다. 이렇게 하면 목표값에 접근하면 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에 미세하게 목표값에 가까이 할 수 있다. 이 모양은 아래 그림과 같이 나타낼 수 있다.

-PID제어기에서 반드시 사용하는 가장 기본적인 제어이며 구현하기가 쉽다. 이 제어만으로는 적분기가 플랜트에 없을 경우에 정상상태 오차가 발생할 수 있다.

-비례제어란 기준신호와 되먹임 신호 사이의 차인 오차신호에 적당한 비례상수 이득을 곱해서 제어신호를 만들어내는 제어기법을 말하며, 오차신호에 비례하는(Proportional) 제어신호를 만든다는 뜻에서 이 기법에 의한 제어기를 비례제어기(Proportional Controller), 또는 영문약자를 써서 P제어기라고 부른다

?장점 – 구성이 간단하여 구현하기가 쉽다.

?단점 – 이득의 조정만으로는 시스템의 성능을 여러 가지 면에서 함께 개선시키기는 어렵다. 상승시간과 초과 사이의 상충문제를 절충하지 못함.

4. 적분 제어 (I 제어 )

정상상태 오차를 없애는데 사용. 계수조정이 잘못되면 시스템이 불안해지고 반응이 느려진다.

5. 비례미분 제어 (PD 제어 )

-오차신호를 미분하여 제어신호를 만들어내는 미분제어를 비례제어에 병렬로 연결하여 사용하는 제어기법. 비례제어 부분과 미분제어를 함께 쓴다는 뜻에서 이 기법에 의한 제어기를 비례미분 제어기(proportional-derivative controller), 또는 PD제어기 라고 한다. D요소를 부가한 것으로 인해 PD제어기는 단순한 P 제어기보다 응답이 빠르다.

-오차신호의 미분값에 비례하는 제어신호를 되먹임시켜 오차 신호의 변화를 억제하는 역할을 하기 때문에 감쇠비를 증가시키고 초과를 억제하는 데에 효과적이다. 이러한 미분제어의 효과를 고려하여 PD제어기를 적절히 설계하면 시스템의 과도응답 특성을 개선시킬 수 있다. PD제어기를 사용하는 경우에 시스템 형식이 증가하지 않기 때문에 정상상태 응답특성은 개선되지 않으므로 주의 하여야 한다.

Kp: 상승시간(rise time) 감소, 정상상태 오차 제거에

Ki : 정상상태 오차 제거, 과도응답 특성 나빠짐.

Kd: 시스템의 안정성 증가, 오버슈트, 과도응답 특성을 향상시킴

6. PI 제어

비례 제어로 잘 제어할 수 있을 것으로 생각하겠지만, 실제로는 제어량이 목표값에 접근하면 문제가 발생한다. 그것은 조작량이 너무 작아지고, 그 이상 미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생한다. 결과는 목표값에 아주 가까운 제어량의 상태에서 안정한 상태로 되고 만다. 이렇게 되면 목표값에 가까워지지만, 아무리 시간이 지나도 제어량과 완전히 일치하지 않는 상태로 되고 만다. 이 미소한 오차를 “잔류편차”라고 한다. 이 잔류편차를 없애기 위해 사용되는 것이 적분 제어이다. 즉, 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적하여, 어떤 크기로 된 곳에서 조작량을 증가하여 편차를 없애는 식으로 동작시킨다. 이와 같이, 비례 동작에 적분 동작을 추가한 제어를 “PI 제어”라 부른다. 이것을 그림으로 나타내면 아래 그림과 같이 된다.

-비례적분 제어란 오차신호를 적분하여 제어신호를 만들어내는 적분제어를 병렬로 연결하여 사용하는 제어기법을 가리킨다. 비례제어 부분과 더불어 오차신호를 적분(integral)하여 제어신호를 만드는 적분제어를 함께 쓴다는 뜻에서 이 기법에 의한 제어기를 비례적분 제어기(proportional-integral controller), 또는 영문약자를 써서 PI제어기라고 부른다. 정상상태 오차를 없애면서 시스템의 반응을 빠르게 하려면 비례적분 제어기를 사용하면 된다.

?장점 – P제어기와 I 제어기의 단점을 서로 보완해 줌으로써 전달함수에 시스템의 유형을 높여주고 정상상태 오차를 줄여주면서 과도응답으로 발생한 시스템의 느린 반응을 빠르게 할 수 있다. 감쇠비를 증가시키고 동시에 정상상태 오차도 개선.

?단점 – Gain계수조정이 잘못되면 시스템이 불안해지고 반응이 느려진다. Overshoot가 증가하고 Ts가 증가한다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 D제어기를 사용함으로써 해결된다. 상승시간이 느려지는 등 과도응답에는 불리하다.

7. 미분 제어와 PID 제어

PI 제어로 실제 목표값에 가깝게 하는 제어는 완벽하게 할 수 있다. 그러나 또 하나 개선의 여지가 있다. 그것은 제어 응답의 속도이다. PI 제어에서는 확실히 목표값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간(시정수)이 필요하다. 이때 정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠진다.

즉, 외란에 대하여 신속하게 반응할 수 없고, 즉시 원래의 목표값으로는 돌아갈 수 없다는 것이다. 그래서, 필요하게 된 것이 미분 동작이다. 이것은 급격히 일어나는 외란에 대해 편차를 보고, 전회 편차와의 차가 큰 경우에는 조작량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 한다. 이 전회와의 편차에 대한 변화차를 보는 것이 “미분”에 상당한다. 이 미분동작을 추가한 PID 제어의 경우, 제어 특성은 아래 그림과 같이 된다. 이것으로 알 수 있듯이 처음에는 상당히 over drive하는 듯이 제어하여, 신속히 목표값이 되도록 적극적으로 제어해 간다.

-PD제어기는 시스템의 제동비를 증가시켜서 과도응답특성을 개선시키지만 정상상태 응답을 개선하는 데에는 효과가 없으며, PI제어기는 정상상태 오차를 개선시키지만 상승시간이 느려지는 등 과도응답에는 불리하다는 것을 알았다. 따라서, 정상상태 응답과 과도상태 응답을 모두 개선하려면 PI 와 PD제어기의 장점들을 조합하는 방법을 자연스럽게 생각할 수 있는데, 이러한 목적으로 제안된 제어기가 바로 PID 제어기이다.

8. 컴퓨터에 의한 PID 제어 알고리즘

원래 PID 제어는 연속한 아날로그량을 제어하는 것이 기본으로 되어 있다. 그러나, 컴퓨터의 프로그램으로 PID 제어를 실현하려고 하는 경우에는 연속적인 양을 취급할 수 없다. 왜냐하면, 컴퓨터 데이터의 입출력은 일정시간 간격으로밖에 할 수 없기 때문이다. 게다가 미적분 연산을 착실히 하고 있는 것에서는 연산에 요하는 능력으로 인해 고성능의 컴퓨터가 필요하게 되고 만다. 그래서 생각된 것이 샘플링 방식(이산값)에 적합한 PID 연산 방식이다.

우선, 샘플링 방식의 PID 제어의 기본식은 다음과 같이 표현된다.

조작량 = Kp×편차 + Ki×편차의 누적값 + Kd×전회 편차와의 차

(비례항) (적분항) (미분항)

기호로 나타내면,

MVn = MVn-1 + ΔMVn

ΔMVn = Kp(en-en-1) + Ki en + Kd((en-en-1)-(en-1-en-2))

MVn, MVn-1: 금회, 전회 조작량

ΔMVn: 금회 조작량 미분

en, en-1, en-2: 금회, 전회, 전전회의 편차

이것을 프로그램으로 실현하기 위해서는 이번과 전회의 편차값만 측정할 수 있으면 조작량을 구할 수 있다.

9. 파라미터를 구하는 방법

PID 제어 방식에 있어서의 과제는 각 항에 붙는 정수, Kp, Ki, Kd를 정하는 방법이다.

이것의 최적값을 구하는 방법은 몇 가지 있지만, 어느 것이나 난해하며, 소형의 마이크로컴퓨터로 실현하기 위해서는 번거로운 것이다(tuning이라 부른다). 그래서, 이 파라미터는 cut and try로 실제 제어한 결과에서 최적한 값을 구하고, 그 값을 설정하도록 한다.

참고로 튜닝의 수법을 소개하면 스텝 응답법과 한계 감도법이 유명한 수법이다.

또, 프로세스 제어 분야에서는 이 튜닝을 자동적으로 실행하는 Auto tuning 기능을 갖는 자동제어 유닛도 있다. 이것에는 제어 결과를 학습하고, 그 결과로부터 항상 최적한 파라미터값을 구하여 다음 제어 사이클에 반영하는 기능도 실장되어 있다.

여기서 스텝 응답법에 있어서 파라미터를 구하는 방법을 소개한다. 우선, 제어계의 입력에 스텝 신호를 가하고, 그 출력 결과가 아래 그림이라고 하자(파라미터는 적당히 설정해 둔다).

위 그림과 같이 상승의 곡선에 접선을 긋고, 그것과 축과의 교점, 정상값의 63%에 해당하는 값으로 된 곳의 2점에서,

L: 낭비시간 T: 시정수 K: 정상값의 3가지 값을 구한다.

이 값으로부터, 각 파라미터는 아래 표와 같이 구할 수 있다.

제어 동작 종별 Kp의 값 Ki의 값 Kd의 값 비례 제어 0.3~0.7T/KL 0 0 PI 제어 0.35~0.6T/KL 0.3~0.6/KL 0 PID 제어 0.6~0.95T/KL 0.6~0.7/KL 0.3~0.45T/K

이 파라미터에 범위가 있지만, 이 크기에 의한 차이는 특성의 차이로 나타나며, 아래 그림과 같이, 파라미터가 많은 경우에는 미분, 적분 효과가 빨리 효력이 나타나므로 아래 그림의 적색선의 특성과 같이 overshoot이 크게 눈에 띈다. 파라미터가 작은 쪽의 경우는 하측 황색선의 특성과 같이 된다.

10. PID 게인 조정 및 제어 특성

PID 제어의 최적의 계수는 상태와 시스템에 따라서 달라진다. 이는 사용자의 시스템에 맞는 개별 제어 특성을 고려하여 게인 파라미터를 설정하는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 다음은 PID 제어에 요구되는 특성들이다.

· 안정된 성능

· 빠른 응답

· 아주 작은 정상상태 편차

안정된 성능 영역 내에서 Kp, Ki, Kd의 각 파라미터를 조정해야 한다. 일반적으로 각각의 게인(Kp, Ki, Kp) 파라미터를 증가시키면(적분시정수 Ti 는 감소), 빠른 응답을 얻을 수 있다. 그러나 너무 많이 증가시키면 제어가 불안정하게 된다. 왜냐하면 피드백 값이 연속적으로 증가하거나 감소하기 때문에 제어의 진동을 야기시키게 된다. 최악의 경우 시스템은 발산모드가 된다. 다음은 각각의 파라미터를 조정하기 위한 방법이다.

(1) 목표값을 변화한 후, 응답이 너무 느리다.

→ P-게인(Kp)을 올린다. 응답은 빠르나 불안정하다.

→ P-게인(Kp)을 내린다.

(2) 목표값과 피드백값이 같아지지 않는다.

→ 적분 시간 Ti를 감소시킨다. 불안정하게 진동하며 일치한다.

→ 적분 시간 Ti를 증가시킨다.

(3) Kp를 올린 후, 응답이 여전히 느리다.

→ D-게인(Kd)을 올린다. 여전히 불안정하다.

→ D-게인(Kd)을 내린다.

* 각 게인 조정의 예(Kp & Ti)

· 목표값에 스텝변화가 주었을 때 피드백 신호의 응답이나 인버터의 출력주파수를 확인하면 된다

· 오실로스코프나 기타의 측정장비를 사용하여 피드백값이나 인버터의 출력주파수의 파형을 관찰한다(주파수 모니터).

· 디지털 입력신호에 의해서 변하는 목표값을 먼저 비교하여, 스텝응답으로 목표값을 변화시킬 수 있다.

· 프로세싱 전에는 제어시스템이 안정화되어야만 한다.

* 비례게인의 조정(Kp)

I-제어와 D-제어 없이 P-제어에 의해서만 구동을 시작한다(나머지는 0으로 설정).

먼저 P-게인을 최소값으로 설정하고 어떻게 동작하는 가를 본다. 결과값을 보고서 P-게인을 점차적으로 증가시킨다. 아주 만족할 만한 성능을 발휘할 때까지 이러한 절차를 반복한다(또 다른 방법은 최대 P-게인을 설정하고 성능을 관측한다. 만약 시스템이 불안정하면 중간값을 설정하고 어떻게 동작하는가를 관측한다. 이러한 절차를 계속해서 반복하면 된다). 만약 시스템이 불안정하다면 P-게인을 줄인다. 만약 허용범위에서 정상상태 편차가 존재한다면 P-게인의 조정은 완전히 완료된 것이다.

– 적분시간의 조정(Ti) & Kp의 값의 재조정 최소 적분시간을 설정함으로써 조정을 시작한다. 만약 조정이 어렵다면 P-게인을 줄인다. 편차가 수렴하지 않는 경우에는 적분시간을 줄인다. 만약 이 시간 동안 제어가 불안정하다면 P-게인을 줄인다. 안정된 파라미터를 찾을 때까지 계속해서 이러한 절차를 반복한다.

(1) 비례동작 (Proportional action) – P 동작

제어기는 기준 입력과 현재값과의 편차를 줄이는 방향으로 제어한다. 그때, 제어장치에 동작신호 Z(t)가 주어졌을 때, 조작량 y(t)가 얻어지는 경우, 즉 조작량 y(t)가 동작신호 Z(t)에 비례하여 변할 때의 그 관계식은

y(t) = K Z(t)

가 된다. 이것을 비례동작이라 한다. 여기서 K는 비례정수로 비례동작을 강하게 할 것인가, 약하게 할 것인가를 결정한다. 비례정수의 크기가 크면 기준입력에 현재치가 빠르게 접근하나 출력이 진동하여 제어의 안정성에 악영향을 미칠 수 있고, 비례정수의 크기가 작으면 기준입력에 천천히 현재치가 접근하며 잔류편차가 생길 우려가 있다.

(2) 적분동작 (Integral control action) – I 동작

제어대상에 주어지는 조작량의 변화속도가 동작신호에 비례 하는 동작, 적분동작은 적분 시간을 조정하여 적분동작을 크게 또는 작게 한다. 즉 적분시간을 길게 하면 조작량이 적어지고 따라서 기준치에 접근하는 시간이 길어진다. 적분시간이 짧으면 조작량이 많아지게 되어 기준치에 접근하는 시간이 짧아진다. 적분동작의 관계식은

y(t) = K Z(t) dt

가 된다. 적분동작은 단독으로 사용되지 않으며 P동작이나 D동작과 결합하여 PI, PID동작에 사용한다. 적분동작은 P동작에서 발생할 수 있는 잔류편차를 없앨 수 있다. 적분시간이 너무 짧으면 제어 불능 상태에 빠질 수 있다.

(3) 미분동작 (Derivative action)

조작량 y(t)가 동작신호 Z(t)에 미분동작을 한다. 미분동작은 편차의 변화율에 상응하는 조작량을 연산하여 편차의 변화를 억제한다. 미분동작의 관계식은

y(t) = K dZ(t)/dt

가 된다. 미분동작은 단독으로 사용되지 않으며 P동작이나 D동작과 결합하여 PI, PID동작에 사용한다. 일반적으로 미분동작을 사용한 제어기는 기준 입력에 접근하는 속도가 빨라지고 현재치의 급변이나 외란을 억제하는 효과가 있다.

(4) PID 제어 유니트

비례 적분 미분 동작은 위에서 설명한 3가지 동작을 조합한 동작으로 관계식은

y(t) = K ( Z 1/Ti Z(t) dt Td dZ(t)/dt )가 된다.

키워드에 대한 정보 pid 제어 예시

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