Fuzzy-PID 제어기를 이용한 이동체간 추적 안테나 시스템의 서보제어기 설계에 관한 연구 A Study On the Design of a Servo Controller for a Tracking Antenna System between Moving Vehicles by the Fuzzy-PID Controller원문보기
인공위성이나 무인기와 같은 이동체와 지속적인 통신을 위해서는 최소한 2축 이상의 안테나 시스템이 필요하다. 또한 안테나가 차량, 선박 등의 이동체에 탑재될 경우 이동체의 롤, 피치, 요 모션의 영향을 상쇄시킬 수 있는 안정화 시스템(Stabilization System)과 이동하는 추적 대상 이동체를 연속적으로 지향할 수 있는 추적 시스템(Tracking System)이 갖추어져야한다. 이동체 안정화 및 추적 시스템의 성능은 안테나 Pedestal을 구동하는 서보제어시스템에 주로 의존한다고 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 Fuzzy-PID 제어기를 이용하여 2축 안테나 시스템의 안정화와 이동체 추적시스템을 위한 제어기를 구성하여 그 성능을 검증하였다. 설계한 안테나 서보제어 시스템의 검증을 위해, 같은 PID게인으로 설계한 일반적인 PID 제어기와 Fuzzy-PID 제어기의 성능을 비교하였다.
인공위성이나 무인기와 같은 이동체와 지속적인 통신을 위해서는 최소한 2축 이상의 안테나 시스템이 필요하다. 또한 안테나가 차량, 선박 등의 이동체에 탑재될 경우 이동체의 롤, 피치, 요 모션의 영향을 상쇄시킬 수 있는 안정화 시스템(Stabilization System)과 이동하는 추적 대상 이동체를 연속적으로 지향할 수 있는 추적 시스템(Tracking System)이 갖추어져야한다. 이동체 안정화 및 추적 시스템의 성능은 안테나 Pedestal을 구동하는 서보제어시스템에 주로 의존한다고 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 Fuzzy-PID 제어기를 이용하여 2축 안테나 시스템의 안정화와 이동체 추적시스템을 위한 제어기를 구성하여 그 성능을 검증하였다. 설계한 안테나 서보제어 시스템의 검증을 위해, 같은 PID 게인으로 설계한 일반적인 PID 제어기와 Fuzzy-PID 제어기의 성능을 비교하였다.
For continuous communication between moving vehicles such as satellites and unmanned aerial vehicles, an antenna system having at least more than 2-axes is needed. When the antenna is mounted on a moving vehicle such as ground vehicle, ship and so on, a stabilization and tracking system must be equi...
For continuous communication between moving vehicles such as satellites and unmanned aerial vehicles, an antenna system having at least more than 2-axes is needed. When the antenna is mounted on a moving vehicle such as ground vehicle, ship and so on, a stabilization and tracking system must be equipped to compensate the roll, pitch and yaw motion of the vehicle. The performance of stabilization and tracking system mainly depends on the servo control system that driving the antenna pedestal. Therefore, in this paper, a Fuzzy-PID controller for a stabilization and tracking system of a 2-axes antenna was designed and the performance was verified. To verify the verification of designed servo control system, the performance of the conventional PID controller and that of the Fuzzy-PID controller, designed by the same PID control gains, was compared.
For continuous communication between moving vehicles such as satellites and unmanned aerial vehicles, an antenna system having at least more than 2-axes is needed. When the antenna is mounted on a moving vehicle such as ground vehicle, ship and so on, a stabilization and tracking system must be equipped to compensate the roll, pitch and yaw motion of the vehicle. The performance of stabilization and tracking system mainly depends on the servo control system that driving the antenna pedestal. Therefore, in this paper, a Fuzzy-PID controller for a stabilization and tracking system of a 2-axes antenna was designed and the performance was verified. To verify the verification of designed servo control system, the performance of the conventional PID controller and that of the Fuzzy-PID controller, designed by the same PID control gains, was compared.
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문제 정의
본 논문에서는 Fuzzy-PID 서보제어기를 이용하여 이동체간의 Data Link 안테나 시스템 개발을 목표로 하였고 이를 위해서 안정화 기능을 가진 2축 안테나 시스템을 위한 서보제어기를 Matlab Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 실시하고 그 성능을 검증하였다. 안테나가 탑재된 이동체의 운동 환경을 구현해 모의 성능 시험을 실시하여 성능을 분석하여 그 결과를 제시하였다.
안테나 Pedestal을 구동하는 서보 구동기로는 일반적으로 스테핑 모터, DC 모터, BLDC 모터 등의 전동기가 주로 사용되고 있으며, 대형 안테나 시스템의 경우 유압서보 시스템을 사용하기도 한다. 본 논문에서는 일반적으로 고정도 위치제어에 사용되는 DC 서보모터를 위한 제어기를 구성하였다.
본 연구에서는 Target 시스템으로 SeaTel 사의 1898모델을 중심으로 시스템 모델링, 안정화 시스템 및 서보 제어시스템의 알고리듬 개발을 목표로 하였다. 성능 검토의 자료로 삼고 있는 2축 안정화 추적 안테나 시스템의 사양은 그림 1과 같다.
제안 방법
성능 검토의 자료로 삼고 있는 2축 안정화 추적 안테나 시스템의 사양은 그림 1과 같다. 목표로 하고 있는 이동체용 안테나 기술의 모든 핵심기술을 포함하고 있으므로, 3축 안정화 안테나 시스템의 제어 알고리듬 설계기술 개발의 기반 기술이 될 것으로 판단되어 본 시스템을 Target 시스템으로 설정하였다.
본 논문에서는 2축 안테나 시스템의 안정화와 이동체 추적시스템을 위한 서보 제어기를 Fuzzy-PID 알고리듬을 이용하여 설계하였으며, 그 성능을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 일반적인 PID 제어기의 경우 제어 게인이 고정 되어 있으므로, 외부 환경 변화와 제어 파라메터의 시간적 변화와 같은 제어 대상의 비선형적 변화에 대하여서는 항상 좋은 결과를 내지는 못한다.
본 논문에서는 실제 임베디드 프로세서에 본 알고리듬을 탑재할 것을 목표로 간략화된 Fuzzy-PID 제어기를 설계하고 적용하였다. 이를 위해 퍼지 제어기의 입력 변수에 따른 멤버쉽 함수를 아래 그림 5와 같이 설정하였다.
본 논문에서는 Fuzzy-PID 서보제어기를 이용하여 이동체간의 Data Link 안테나 시스템 개발을 목표로 하였고 이를 위해서 안정화 기능을 가진 2축 안테나 시스템을 위한 서보제어기를 Matlab Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 실시하고 그 성능을 검증하였다. 안테나가 탑재된 이동체의 운동 환경을 구현해 모의 성능 시험을 실시하여 성능을 분석하여 그 결과를 제시하였다. 일반적인 고정 게인 PID 서보제어 알고리듬과 본 논문에서 설계한 Fuzzy-PID 제어 알고리듬을 적용한 안테나 서보제어 시스템을 비교하여 설계한 Fuzzy-PID 제어기가 같은 제어 게인으로 설계되었지만 기존의 PID 제어기보다 우수한 성능을 보임을 제시하였다.
성능/효과
이와 같이 설계한 Fuzzy Rule은 8개의 IF문의 수를 줄여 3개의 IF문과 3개의 최대치(Max)연산을 가진 선형식으로 구현되므로 매우 간략하게 표현된다. 따라서 실제 임베디드 프로세서에 구현 시 분기문의 수가 현격히 줄어드는 특성을 가질 것으로 판단된다.
반면, 같은 PID 게인으로 설계한 Fuzzy-PID 제어기는 제어 대상의 비선형적 특성에 제어 게인이 변하하여, 일반적인 PID 제어기보다는 우수한 성능을 보인다. 따라서, 본 연구에서 설계한 Fuzzy-PID 제어기가 일반적인 PID 제어기보다 외부환경 변화에 우수한 성능을 보임을 보였다.
또한 탑재 이동체의 Roll, Pitch, Yaw 운동 입력 주파수가에 관계없이 Fuzzy-PID 제어기가 더 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 또한 외부 환경의 변화에 의한 비선형성의 증가에도 불구하고 제안된 Fuzzy-PID 제어기가 요구된 시간내에 정확한 결과값을 산출함을 알 수 있다.
따라서 이동체의 운동이 안테나 서보 제어 시스템에 많은 영향을 줌을 알 수 있다. 또한 탑재 이동체의 Roll, Pitch, Yaw 운동 입력 주파수가에 관계없이 Fuzzy-PID 제어기가 더 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 또한 외부 환경의 변화에 의한 비선형성의 증가에도 불구하고 제안된 Fuzzy-PID 제어기가 요구된 시간내에 정확한 결과값을 산출함을 알 수 있다.
안테나가 탑재된 이동체의 운동 환경을 구현해 모의 성능 시험을 실시하여 성능을 분석하여 그 결과를 제시하였다. 일반적인 고정 게인 PID 서보제어 알고리듬과 본 논문에서 설계한 Fuzzy-PID 제어 알고리듬을 적용한 안테나 서보제어 시스템을 비교하여 설계한 Fuzzy-PID 제어기가 같은 제어 게인으로 설계되었지만 기존의 PID 제어기보다 우수한 성능을 보임을 제시하였다.
후속연구
차후 계속 수행되어질 연구에서는 3축 안테나 구동 시스템을 위한 서보시스템에 관한 연구와 개발한 알고리듬의 검증을 위한 시험 및 성능평가에 관한 연구가 계속 진행 될 것이다.
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