시스템 모델링: 1차와 2차 시스템
모터 속도, RC 회로, 온도는 1차 시스템으로, 스프링-질량과 위치 제어는 2차 시스템으로 표현합니다.
제어기를 설계하려면 플랜트가 입력에 어떻게 반응하는지 수식으로 알아야 합니다. 대부분의 실제 시스템은 1차나 2차 시스템으로 근사할 수 있습니다.
1차 시스템
τ·dy/dt + y = K·u
| 예 | K (이득) | τ (시정수) |
|---|---|---|
| RC 회로 | 1 | RC |
| DC 모터 속도 | 전압당 속도 | 기계적 시정수 J·R/(Kt·Ke) |
| 히터 온도 | 전력당 온도 | 열용량 × 열저항 |
계단 입력을 주면 τ에 63%, 5τ에 99% 도달합니다. 계단 응답 한 번만 측정하면 K와 τ를 바로 구할 수 있습니다.
2차 시스템
d²y/dt² + 2ζωn·dy/dt + ωn²·y = ωn²·K·u
- ωn (고유 주파수): 얼마나 빨리 움직이는가
- ζ (감쇠비): 1보다 작으면 출렁이며(오버슈트) 들어가고, 1 이상이면 출렁임 없이 들어감
모터 위치(속도를 적분), 스프링에 달린 물체, LC 필터가 2차 시스템입니다.
실무에서 모델 얻기
- 데이터시트 값으로 계산 (모터 R, L, Kt, J)
- 계단 응답 실측으로 맞추기 (시스템 식별)
- 두 결과가 크게 다르면 측정이나 가정을 의심합니다
모델이 대략만 맞아도 PID 초기 게인을 정하고 시뮬레이션으로 확인할 수 있습니다.