[논문]적응슬라이딩 모드 제어기를 이용한 공압굴삭기 시스템의 위치 제어

임태형; 천세영; 양순용; 최정주

적응슬라이딩 모드 제어기를 이용한 공압굴삭기 시스템의 위치 제어
Position Control of the Pneumatic Excavator System Using Adaptive Sliding Mode Controller 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.24 no.12 = no.201, 2007년, pp.82 - 87

임태형 (울산대학교 대학원 기계자동차공학과) , 천세영 (울산대학교 대학원 기계자동차공학과) , 양순용 (울산대학교 기계자동차공학부) , 최정주 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Excavator has been used in wide field since the attachment in the end effect can be changeable according to the purpose of working. However, efficiency of work using excavator mainly depends on an operator's ability. For the purpose of improving the efficiency of work and reducing the fatigue of operator, the automatic excavator system has been researched. In this paper, the tracking control system of each links of excavator is designed before developing the automatic excavator system. In order to apply the tracking control system, the pneumatic excavator system is developed and the tracking control system is applied. For designing the tracking control system, the adaptive sliding mode control algorithm is proposed. The performance of the proposed control system is evaluated through experiments using the pneumatic excavator system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 자동 굴삭기 시스템의 구축에앞서 소형 공압 굴삭기 시스템을 구성하고 이를 바탕으로 굴삭기 시스템의 각 구동부에 대한 위치추종 시스템을 구성하고자 한다. 추종 알고리즘은모델 불확실성과 외란에 강인한 제어시스템을 .
그러나 실제 굴삭기에는 각 링크 부에 많은검출 센서를 부착하기 힘들고 또한 험지 작업이많기 때문에 신뢰성과 안전성이 보장된 고가의 센서를 이용하여야 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 각 링크 부에 각도 검출 센서만을 부착하여 출력 정보만을 이용한 제어기를 설계했다. 출력 정보만을 이용한 제어기 설계에 앞서 굴삭기 시스템의 파라미터는 작업환경에 따라변하는 것으로 간주하여 식 (2)와 같이 AR(Auto Regression)모델을 고려했다.

제안 방법

공압 시스템의 구동은 N,I사의 6036E DAQ 장비를 이용하여 각 링크의 각도 및 공압 실린더의 구동 전압을 인가할 수 있도록 구성했다. 붐, 암, 버켓에 장착된 각도 검출 센서의 보정을 위해서 10 도 간격으로 각 링크의 위치를 변화시키고 이때검출된 각도 센서의 전압값을 이용하여 센서로부터의 각도 값을 일차 선형함수로 근사화했다.
추종 알고리즘은모델 불확실성과 외란에 강인한 제어시스템을 . 구성하기 위하여 각 링크부의 입출력 정보만을 이용하여 실시간으로 시스템의 모델을 파악하고 안정도 강인성이 보장되는 시스템을 구성했고, 제안된 제어시스템은 실험을 통해 그 성능을 검증했다.
,e)< 대신하여 각 링크부의 구동을 위한개별 유압회로를 구성하거나 MCV 구동을 위한 파일럿압력 제어밸브를 이용한 방법 등이 연구되고있다. 그러나 실험실 환경에서 실제 굴삭기 시스템을 이용하여 자동 굴삭기 시스템을 구축하는 것은각 개별 구동 유압라인을 구성하기 위한 많은 경제적 비용과 실험 중 발생할 수 있는 위험요소가 존재하므로 Fig. 1과 같이 소형 굴삭기 시스템을 제작하였고 각 링크 구동은 Fig. 2와 같이 각 링크별로 개별 공압 회로를 구성하여 작동되도록 설계하였다.
그러나 굴삭기 시스템의 다양한 작업환경은 제어시스템 설계를 위한 수학적 모델식에 많은 불확실성과 외란으로 작용하므로 이를 바탕으로한 제어시스템설계에는 많은 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 굴삭기 시스템의 수학적 모델식에 근거한 제어시스템을 설계하지 않고 입출력 정보를 이용한 이산 모델을 선정하여 이를 바탕으로 슬라이딩모드제어시스템을 설계했다. 제안된 제어시스템의 성능을 평가 하기 위해 소형 공압 굴삭기 시스템을 제작하여 산업현장에서 널리 사용되는 PID 제어기와 비교하여 그 성능을 검증하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 인공지능 알고리즘을 이용하여 굴삭기 시스템의 수학적 모델에 기반하지 않고 입출력 정보를 이용한 제어시스템이 제안되었다. 또한 실시간 추종알고리즘을 이용하여 굴삭기의 작업장치와 작업환경사이의 외란 및 굴삭기 시스템의 마찰을 추정하는 알고리즘이 제안되었다.
전압을 인가할 수 있도록 구성했다. 붐, 암, 버켓에 장착된 각도 검출 센서의 보정을 위해서 10 도 간격으로 각 링크의 위치를 변화시키고 이때검출된 각도 센서의 전압값을 이용하여 센서로부터의 각도 값을 일차 선형함수로 근사화했다. Fig.
식 (4), (5)와 같이 실시간으로 근사화된 3 차의이산 모델식을 바탕으로 본 논문에서는 슬라이딩모드 제어기를 설계하였다. 이를 위해 슬라이딩평면을 다음과 같이 선정했다.
출력 정보만을 이용한 제어기 설계에 앞서 굴삭기 시스템의 파라미터는 작업환경에 따라변하는 것으로 간주하여 식 (2)와 같이 AR(Auto Regression)모델을 고려했다. 이때 각 링크부는 1 차의 액츄에이터 동역학과 2 차의 굴삭기 동역학을 고려하여 3 차의 이산 모델식으로 간주하였다.
시스템을 구성하고자 한다. 추종 알고리즘은모델 불확실성과 외란에 강인한 제어시스템을 . 구성하기 위하여 각 링크부의 입출력 정보만을 이용하여 실시간으로 시스템의 모델을 파악하고 안정도 강인성이 보장되는 시스템을 구성했고, 제안된 제어시스템은 실험을 통해 그 성능을 검증했다.

데이터처리

5 의 결과에서와 같이 PID 제어기를 이용한 계단응답은 10% 범위의 정상오차를 가졌으나 제안된 제어기를 이용한 계단응답은 2%이내의 정상오차를 보임을알 수 있다. 또한, 제안된 제어기의 추종성능을 평가하기 위해서 lrad/s 의 정현파 기준신호에 대한 응답성능을 비교했다. Figs.
설계된 제어 시스템의 성능을 평가하기 위해서 N.I사의 Labview 소프트웨어를 이용하여 산업현장에서 널리 사용되고 있는 PID 와 제안된 슬라이딩 모드 제어기를 비교했다. 설계된 두 제어기의 구현을 위해 샘플링 주기는 5ms 가 유지되도록 프로그램의 루프타임을 설정하였다.
따라서 본 논문에서는 굴삭기 시스템의 수학적 모델식에 근거한 제어시스템을 설계하지 않고 입출력 정보를 이용한 이산 모델을 선정하여 이를 바탕으로 슬라이딩모드제어시스템을 설계했다. 제안된 제어시스템의 성능을 평가 하기 위해 소형 공압 굴삭기 시스템을 제작하여 산업현장에서 널리 사용되는 PID 제어기와 비교하여 그 성능을 검증하였다.

이론/모형

설계된 두 제어기의 구현을 위해 샘플링 주기는 5ms 가 유지되도록 프로그램의 루프타임을 설정하였다. 실험에 사용된 PID 제어기의 설계 파라미터는 안정한계에 기초한 Ziegler-Nichols 방법에 근거하여 추종성능이 뛰어난게인을 시행착오적으로 선정했다. Fig.
이때 각 파라미터는 실시간으로 추정할 수 있도록 식 (4)와 같이 recursive least square 알고리즘을 이용했다.

성능/효과

5 는 PID 제어기와 제안된 슬라이딩모드 제어기를 적용한 공압 굴삭기의 암에 대한 계단응답이다. Fig. 5 의 결과에서와 같이 PID 제어기를 이용한 계단응답은 10% 범위의 정상오차를 가졌으나 제안된 제어기를 이용한 계단응답은 2%이내의 정상오차를 보임을알 수 있다. 또한, 제안된 제어기의 추종성능을 평가하기 위해서 lrad/s 의 정현파 기준신호에 대한 응답성능을 비교했다.
6 과 7 은 정현파 입력에 대한 추종결과와 그때의 오차이다. Fig. 7 의 오차선도 결과에서 제안된 제어시스템은 15%이내의 오차 범위 내에서 작동하지만, PID 제어기의 경우는 25%범위 의 오차응답을 보였다. Fig.

참고문헌 (12)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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