슬라이딩 모드 제어 기법(Sliding Mode Control, SMC)은 시스템이 불확실성을 갖거나 외란이 존재해도 상태 벡터가 슬라이딩 평면(Sliding Surface)에 도달하게 되면 안정한 성능을 보장하는 강인 제어 기법이다. 일반적으로 슬라이딩 모드 제어 기법은 시스템의 상태 공간에서 안정한 슬라이딩 평면을 설계하고 시스템의 상태가 슬라이딩 평면에 도달했을 때 평형점(Equilibrium Point)으로 수렴하도록 스위칭 하는 제어기를 설계한다. 일반적인 SMC의 슬라이딩 평면은 PD(Proportional-Derivation) 타입이 지만 본 연구에서 제안하는 슬라이딩 평면은 정상상태의 오차(Steady-State Error)를 줄일 수 있는 장점을 갖는 ...
슬라이딩 모드 제어 기법(Sliding Mode Control, SMC)은 시스템이 불확실성을 갖거나 외란이 존재해도 상태 벡터가 슬라이딩 평면(Sliding Surface)에 도달하게 되면 안정한 성능을 보장하는 강인 제어 기법이다. 일반적으로 슬라이딩 모드 제어 기법은 시스템의 상태 공간에서 안정한 슬라이딩 평면을 설계하고 시스템의 상태가 슬라이딩 평면에 도달했을 때 평형점(Equilibrium Point)으로 수렴하도록 스위칭 하는 제어기를 설계한다. 일반적인 SMC의 슬라이딩 평면은 PD(Proportional-Derivation) 타입이 지만 본 연구에서 제안하는 슬라이딩 평면은 정상상태의 오차(Steady-State Error)를 줄일 수 있는 장점을 갖는 PID(Proportional - Integral - Derivation) 타입으로 확장하고자 한다. 하지만 기존의 SMC는 슬라이딩 평면에 도달할 때까지(Reaching Phase) 강인한 성능을 보장받을 수 없고, PID 슬라이딩 평면을 갖는 SMC는 초기에 오차가 누적되어 과도한 오버슈팅(Overshooting)이 생긴다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 PID 슬라이딩 평면에 상태 벡터의 초기값을 가지는 함수를 추가함으로써 초기에 슬라이딩 평면에 도달하게 하여 reaching phase를 극복하였다. 한편, 제어 입력에 부호 함수(Sign Function)를 사용하여 입력이 스위칭 하게 되면 떨림 현상(Chattering)이 발생되어 기계적인 하드웨어에 손상을 일으킬 수 있다. 그래서 제어 입력을 부호 함수 대신, 포화 함수 (Saturation Function)로 대체하여 떨림 현상을 줄인다. 나아가 적분 제어기의 오버슈팅을 줄이기 위한 방법(Anti-Windup)으로 설정한 범위 안에 오차의 크기가 처음 진입한 이후부터 적분 제어기를 동작 시킴으로써 오버슈팅을 줄이면서 정상상태의 오차를 극복한다. 따라서 본 연구에서 제안된 SMC는 포화 함수를 사용하여 떨림 현상을 줄이고, reaching phase를 극복, anti-windup 방법을 적용하여 오버슈팅을 개선한 PID 타입의 슬라이딩 평면을 갖는 제어기를 제안한다. 또한, 제안된 방법에 대한 효과를 확인하기 위해 기존의 SMC와 PID 타입의 슬라이딩 평면을 갖는 SMC, 그리고 제안된 방법을 DC 모터 시스템에 실험적으로 비교하여 입증한다.
슬라이딩 모드 제어 기법(Sliding Mode Control, SMC)은 시스템이 불확실성을 갖거나 외란이 존재해도 상태 벡터가 슬라이딩 평면(Sliding Surface)에 도달하게 되면 안정한 성능을 보장하는 강인 제어 기법이다. 일반적으로 슬라이딩 모드 제어 기법은 시스템의 상태 공간에서 안정한 슬라이딩 평면을 설계하고 시스템의 상태가 슬라이딩 평면에 도달했을 때 평형점(Equilibrium Point)으로 수렴하도록 스위칭 하는 제어기를 설계한다. 일반적인 SMC의 슬라이딩 평면은 PD(Proportional-Derivation) 타입이 지만 본 연구에서 제안하는 슬라이딩 평면은 정상상태의 오차(Steady-State Error)를 줄일 수 있는 장점을 갖는 PID(Proportional - Integral - Derivation) 타입으로 확장하고자 한다. 하지만 기존의 SMC는 슬라이딩 평면에 도달할 때까지(Reaching Phase) 강인한 성능을 보장받을 수 없고, PID 슬라이딩 평면을 갖는 SMC는 초기에 오차가 누적되어 과도한 오버슈팅(Overshooting)이 생긴다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 PID 슬라이딩 평면에 상태 벡터의 초기값을 가지는 함수를 추가함으로써 초기에 슬라이딩 평면에 도달하게 하여 reaching phase를 극복하였다. 한편, 제어 입력에 부호 함수(Sign Function)를 사용하여 입력이 스위칭 하게 되면 떨림 현상(Chattering)이 발생되어 기계적인 하드웨어에 손상을 일으킬 수 있다. 그래서 제어 입력을 부호 함수 대신, 포화 함수 (Saturation Function)로 대체하여 떨림 현상을 줄인다. 나아가 적분 제어기의 오버슈팅을 줄이기 위한 방법(Anti-Windup)으로 설정한 범위 안에 오차의 크기가 처음 진입한 이후부터 적분 제어기를 동작 시킴으로써 오버슈팅을 줄이면서 정상상태의 오차를 극복한다. 따라서 본 연구에서 제안된 SMC는 포화 함수를 사용하여 떨림 현상을 줄이고, reaching phase를 극복, anti-windup 방법을 적용하여 오버슈팅을 개선한 PID 타입의 슬라이딩 평면을 갖는 제어기를 제안한다. 또한, 제안된 방법에 대한 효과를 확인하기 위해 기존의 SMC와 PID 타입의 슬라이딩 평면을 갖는 SMC, 그리고 제안된 방법을 DC 모터 시스템에 실험적으로 비교하여 입증한다.
The Sliding Mode Control (SMC) is a robust control technique that ensures stable performance when a sliding surface is reached even if there are uncertain parameters and disturbance of the system. In general, SMC technique designs a stable sliding surface in the system’s state space and ...
The Sliding Mode Control (SMC) is a robust control technique that ensures stable performance when a sliding surface is reached even if there are uncertain parameters and disturbance of the system. In general, SMC technique designs a stable sliding surface in the system’s state space and a controller that switches to converge into an equilibrium point when the state of the system reaches the sliding surface. The general sliding surface of SMC is a PD type. But the sliding surface proposed in this study extends to PID type, which has the advantage of reducing steady state error. However, traditional SMC cannot be assured of robust performance until the state of system reach to the sliding surface, and SMC with PID sliding surface has the disadvantage of accumulating initial errors and creating excessive overshooting. Therefore, this study overcame the reaching phase by adding an exponential function with an initial state vector value on the PID sliding surface, which led to a sliding surface initially. However, control inputs with sign function may cause chattering, causing damage to the control actuators. Therefore, instead of a sign function, the control input with the saturation function reduces chattering. However, the control input with the saturation function causes a steady state error in SMC with a PD sliding surface. This extends to SMC with a PID sliding surface that eliminates steady state error by adding an integral controller. Furthermore, a method to reduce overshooting of the integral controller is proposed to reduce overshooting and overcome steady state error by operating the integral controller after entering the specified error. In addition, SMC with PD sliding surface and PID sliding surface, and the proposed method are demonstrated by experimenting and comparing with DC motor system.
The Sliding Mode Control (SMC) is a robust control technique that ensures stable performance when a sliding surface is reached even if there are uncertain parameters and disturbance of the system. In general, SMC technique designs a stable sliding surface in the system’s state space and a controller that switches to converge into an equilibrium point when the state of the system reaches the sliding surface. The general sliding surface of SMC is a PD type. But the sliding surface proposed in this study extends to PID type, which has the advantage of reducing steady state error. However, traditional SMC cannot be assured of robust performance until the state of system reach to the sliding surface, and SMC with PID sliding surface has the disadvantage of accumulating initial errors and creating excessive overshooting. Therefore, this study overcame the reaching phase by adding an exponential function with an initial state vector value on the PID sliding surface, which led to a sliding surface initially. However, control inputs with sign function may cause chattering, causing damage to the control actuators. Therefore, instead of a sign function, the control input with the saturation function reduces chattering. However, the control input with the saturation function causes a steady state error in SMC with a PD sliding surface. This extends to SMC with a PID sliding surface that eliminates steady state error by adding an integral controller. Furthermore, a method to reduce overshooting of the integral controller is proposed to reduce overshooting and overcome steady state error by operating the integral controller after entering the specified error. In addition, SMC with PD sliding surface and PID sliding surface, and the proposed method are demonstrated by experimenting and comparing with DC motor system.
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