자동제어 개념2 1 1.

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1 자동제어 개념2 1 1

2 목 차 1 제어란 무엇인가? 2 제어 시스템의 기본 구성 3 개루프제어와 폐루프제어 4 궤환제어 시스템의 시초 5 안정성이란?
목 차 1 제어란 무엇인가? 2 제어 시스템의 기본 구성 3 개루프제어와 폐루프제어 4 궤환제어 시스템의 시초 5 안정성이란? 6 서보제어 7 서보모터와 구동기 8 자동화를 위한 계측 9 시퀀스제어 10 간단한 제어기의 구성 11 디지털 제어 12. 센서 인터페이스 13.지능형 이동로봇 설계의 예 2 2

3 - PID 제어기(Proportional-Integrate-Derivative Controller) u ∑
PID제어기는 임의의 제어대상(Plant)에 대한 폐루프(Closed loop) 제어 시스템에서 원하는 값 R (Reference)에 대한 오차의 비례-적분-미분 값에 상수 배의 변수(KP, KI,KD)를 곱을 조합하여 제어 값을 출력(u)함으로써 유연한 제어기를 구현하는 방법이다. 실제 산업현장에서 가장 많이 사용되는 제어기법이다. R Plant u e - y ∑ PID Controller + P: Proportional(비례) I: Integral(적분) D: Derivational(미분) <페루프 궤환제어 시스템 >  위와 같은 폐루프 시스템에서 제어기부분은 PID 제어기이다. 그림에서 보듯이 제어기로 입력되는 값은 플랜트의 출력값과 플랜트가 출력해야 하는 값의 차인 오차신호(e ) 이다. 일반적으로 대부분의 제어기는 오차신호를 되먹임(feedback) 받아서 제어기 출력신호를 출력하도록 설계되어 진다. PID 제어기는 오차신호를 수학적으로는 식(1)과 같이 처리하여 제어신호(u )를 계산한다.   여기서   Kp 는 오차신호에 곱해지는 비례이득 이며 , Ki는 오차신호를 적분한 값에 곱해지는 적분이득 이며, KD는 오차신호를 미분한 값에 곱해지는 미분이득 이라고 한다. PID 제어기의 성능을 향상시키는 것은 이득들의 값을 어떻게 정하느냐에 따라 달려있다. 3

4 PID control의 단점과 과제 PID제어의 단점 strongly nonlinear system delay system
time-varying system에 성능이 급격히 저하, 재동조가 필요함. PID control의 단점 극복을 위한 방법 strongly nonlinear system ← PID + gain scheduling delay system ← PID + smith predictor => GPC control time-varying system ← Self-tuning control or Adaptive control PID control을 이용하는 환경이 복잡하고 Multi-loop임 Maintenance Tuning 사용의 편리성이 더 요구됨 4

5 11 디지털 제어 ⊙ 아날로그 제어 기본적인 PID 제어기 조합 ⊙ 디지털 제어
모든 정보 처리. 디지털 로직 & 마이크로 프로세서로 구현 이것이 주체인 것을 디지털제어라 한다. ⊙ 샘플링 제어 제어 신호를 출력하는데 걸리는 시간 5

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7 디지털 제어(Digital Control)의 필요성
수동제어,기계제어,전자회로 제어방식에 비해 융통성,제작의 용이성, 잡음에 대한 민감성, 경년 변화에 장점이 있는 디지털 제어기의 구성과 개념에 대해 알아본다. 제어 대상 공기 다이아프램(Diaphragm) 스프링(Spring) 공기식 조작기 압력측정기 유입가스(입력) 제어된 가스(출력) 벨브(Valve) A 제어방식의 개념을 이해 하기 위한 제어 대상(Control Plant)으로 제어공정에서 흔히 볼 수 있는 가스가 통과하는 관(Pipe) 내에 압력을 제어하는 문제에 대해 고찰한다. <동작설명> 공기 조작기는 조작에 유입된 압력에 의해 다이프램에 변형이 발생하고, 부착된 축(Shaft) 의 이동에 의한 벨브의 열림 정도를 조절하는 역할을 수행하며, 압력측정기는 A지점에서 도달된 공기의 압력을 측정해주는 계기이다. < 배관 내 가스 압력 제어 개념도> 7

8 수동 ,기계,전자식 제어기의 개념 수동 제어 방식 전자 제어 방식 Vcon KR R Vs VR 기계 제어 방식
제어된 가스(출력) 일정 압력의 공기 전자 제어 방식 공기식 조작기 압력센서 벨브(Valve) A 전동조작기 Vcon - + KR R VR Vs OP-AMP 비례제어기 Qair QReturn 유입가스(입력) 디지털 제어 방식 DAC ADC CPU CLK MEMORY 압력측정기 목표 값 수동조작기 (기계식/전자식) 관측 운전자 수동 제어 방식 기계 제어 방식 Pset : 배관내 목표 가스압력 벨로즈 이동판 압력검출 8

9 디지털 제어(Digital Control)기 설계
TI사의 DSP2812에 의한 MAINBOARD BLOCK DIAGRAM (CPU/AD/DA/FPGA) D-sub9 JACK I2C (SCL,SDA) TMS320F2812 (Main CPU) TLV5619 (12Bit DAC) MAX232C 24C16 (E2PROM) D0~D15 UART1 74HC138 (DE-MUX) Dac7724X2 A0~A19 16ch –AD IN 8ch –DA out IS61V25616AC (1Mb x4, SRAM) D0~31 A0~17 74HC541 (3-state buffer) B U S 확 장 P O R T BA0~15 D0~17 A19~23 CPLD H3,..ETC CS/ADC/DAC Select A0~A23 Cyeclone 1C6Q240C8N EPC2 D0~15 A0~A15 74LS244 26LS33 X 4 (d-Line RCV.) 6축 Encoder 입력,D/A출력,PWM/PFM, J-TAG TPS767D318 (Regulator IC) 5V 3.3V 1.8V CN15 전원 리셋 부 F G A D C 및 기 타 TPS76725Q 2.5V AD688 +-15V +-10V LCX00 RESET /RESET Motion Action Block PCF8584 MAX485C UART2 I2C FT245BL (USB)

10 디지털 제어(Digital Control)기 설계
Bluetooth 기반 모션제어 인터페이스 구성 모션제어기 구성을 위한 모터 위치 검출용 엔코더 인터페이스 설계  - 16bit 엔코더 위치 검출용 회로 설계  - 3차원 위치제어용 최적 프로파일러 설계 - 불루투스 모션제어를 위한 플렌트 제작 - 강인 모델제어 기법의 도입을 통한 오차계산 < 엔코더 인터페이스 하드웨어 개념도> 불루투스 데이터 송출력을 위한 Protocol 알고리즘 설계  - 송수신기계의 식별자 부여  - 제어명령의 속성과 데이터 표현  - 모니터링 데이터와 속성표  - 제어 대상 및 모니터링 대상의 구체적 표현  - 기기별 제어 및 모니터링 데이터 목록 확장성 고려 < 데이터 송출력을 위한 프로토콜 설계 개념도>

11 디지털 전자 제어(Digital Control)시스템 설계의 절차
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12 제어 시스템 개발 정립을 위한 프로세스 ( Fish Bone Diagram)
참고자료 회로 및 하드웨어개발 부품 Spec.확인 생산 장비 활용 Metal Mask 반자동 SMD MOUNTER BOM 반자동 스크린 프린터 OR-CAD Block Diagram구성 CAD-programming작업 신호계측장비 PCB검사 기본 동작 확인(Device Driver Level) 회로도 BOM획득 재 작업 및 Report 온도 Profile DB구축 및 운영 모듈형 통합 controller Engineering Report BGA Re-WORK station OVEN 동작설명서 구성 연구 개발 진행절차 정립 및 안정화 확보 DSP및 회로 개발장비 회로 불량 Check List 외부 Field문제점 Review User,s 메뉴얼 구성 SQA가동 S/W개발 순서 구성 동작 시나리오 구성 생산속도 유사 부품 선정 Line pilot체계 운영 시험성적표 작성 User,s 메뉴얼 확보 Engineering Report 재 작업 및 Report 시험성적서 User메뉴얼 다운로드 프로그램 Version관리 시험항목 구성 기본 동작 확인 (Firm Ware/UI Level) Cost절감 마이컴기반 HMI 시스템 ESD측정 생산 불량 Check 다채널 Encoder 모듈 식 Code 관리 FIELD CLAIM 대책 단위 생산품 검증 Zig system운영 ECO절차 확보 소프트웨어개발 항온 항습쳄버 생산시스템 체계화 노이즈 발생기 유무선센서네트워크 12

13 KOTMI-DSP33 MAINBOARD TEST (전체 측정 환경)
디지털제어기 설계 (필요 계측기) 6 5 3 1 2 4 MAIN POWER공급 을 위한 전원공급장치 개발된 DSP 제어 전자보드 ADC 및 DAC 기준 POWER 공급을 위한 전원전원공급 장치 6축 ENCODER COUNTER테스트를 위한 ROTARY ENCODER ADC입력 신호를 발생키 위한 FUNCTION GENERATER장치 신호 측정 분석을 위한 디지털 오실로스코프 장치

14 디지털제어기 설계 (6축 모션제어 ENCODER 테스트)
텍스트에 사용한 엔코더는 제품명: E4s l-5 MAKER:AUTONICS 사양:5V ∓ DC Motion Main보드 ROTARY ENCODER 다축 고속, 고정밀 모션제어용 FPGA -4618 S/W테스트 창에서 나타나듯이 정 방향과 역방향으로 COUNTER 가 됨을 알 수 있다. 1474 PWM출력파형 ENCODER 에서 입력되는 각상의 PULSE 신호를 오실로스코프를 통해 관측

15 디지털제어기 설계(ADC테스트) KOTMI-DSP33 MAINBOARD TEST (ADC테스트)
WAVETEK model25 FUNCTION GENERATER에서 -5VOLT ~-10VOLT의 사인파 출력을 발생하였으며, 오실로스코프로 관측결과 대한 파형을 관측할 수 있었다. 이신호를 개발된 DSP보드 CPU내부 ADC에 입력하였을 때 DGITAL DATA의 검출 성능 테스트를 위한 별도의 S/W테스트 창에서 나타나듯이 정확히 검출됨을 알 수 있었다. FUNCTION GENERATER 오실로스코프에 의한 입력신호 관측 -5.05 -9.50

16 디지털제어기 설계(DAC테스트) KOTMI-DSP33 MAINBOARD TEST (DAC테스트)
DAC의 출력은 모터 엔코더 값 및 제어 알고리즘에 근거하여 CPU의지령에 따라 FEEDBACK 지령신호를 하달하는 부분으로 -10VOLT 에서 +10VOLT까지의 톱니파 지령에대한 파형을 오실로 스코프에서 확인테스트 완료 하였다.

17 디지털제어기 설계 KOTMI-DSP33 MAINBOARD TEST (I2C테스트)
I2C통신을 통해 수행하는 내용은 기기의 최종 상태를 기억하여 상태 값을 E2PROM (24C16=2048BYTE)에 저장하였다가 POWER OFF후 다시 ON되었을 경우 상태값을 복원하며, 테스트 방법은 ROM에 특정 데이터를 써준 후 DSP보드 Power off 후 다시 Power on시 E2PROM의 상태값이 그대로 유지되는가를 테스트 한다. DATA의 검출 성능 테스트를 위해 KOTMI” 케렉터를 E2PROM저장 후 POWER OFF  ON하여 읽어 본 결과 S/W테스트 창에서 나타나듯이 정확히 Ascii문자열 KOTMI가 검출됨을 알 수 있었다