PID 시스템을 학부 캡스톤 2바퀴 로봇 평형 제어로 풀어 설명한 답변
약 90초
정의(P·I·D) → 실제 적용(로봇 평형) → 튜닝(Ziegler-Nichols) → 한계(비선형·windup) + 대안
PID(Proportional-Integral-Derivative) 시스템은 '목표값과 실제값의 차이를 비례·적분·미분 세 결로 묶어 제어 신호를 만드는 결'입니다. 학부 제어공학 수업과 캡스톤에서 손에 익힌 결입니다.
각 요소 쪽으로는 한 줄씩 풀면, P(비례) — 현재 오차에 비례하는 보정, I(적분) — 누적 오차를 줄여 정상 상태 오차를 0에 가깝게 만드는 결, D(미분) — 오차의 변화율을 보고 과도한 진동을 누르는 결입니다.
실제 적용 쪽으로는, 학부 캡스톤에서 '2바퀴 로봇의 평형 제어'에 PID를 직접 구현했습니다. 자세 센서(MPU6050)로 기울기를 측정해 모터 PWM을 PID로 출력하는 결이었고, P 단독으로는 진동, PI는 느린 정상화, PID로 가장 안정적인 결이 만들어졌습니다.
PID 튜닝 쪽으로는, 'Ziegler-Nichols 한계감도법'을 1차로 쓰고, 그 위에 손으로 미세 조정을 했습니다. Kp=12·Ki=4·Kd=0.8 같은 결로 닫혔고, 정착 시간이 4.2초 → 1.1초로 줄었습니다.
PID의 한계 쪽으로는 세 가지가 있습니다. 첫째, '비선형 시스템·시간 지연이 큰 시스템에서 결이 약해지는 자리'. 둘째, '노이즈에 D 항이 민감한 결'. 셋째, '외란이 큰 환경에서 적분 windup 현상'. 대안으로 'MPC(Model Predictive Control)·Fuzzy Logic·강화학습 기반 제어'가 자주 언급됩니다.