본 논문에서는 모델기반의 제어기 설계 프로그램인 National Instruments(NI)사의 System Identification Toolkit과 Control Design Toolkit, Simulation module을 사용하여 기존의 제어기 설계방식보다 쉽고 편리하게 제어기를 설계할 수 있었다. 직류전동기의 속도제어시스템을 구현하기 위해서 하드웨어는 NI사에서 제공하는 실시간 제어기(Real-Time Controller:RT) CompactRIO를 사용하였다. 먼저는, 테스트 입력 신호를 전동기에 인가하고 얻은 출력신호를 통해 제어대상 플랜트인 직류전동기 구동시스템의 전달함수를 구할 수 있었다. 다음으로는 원하는 제어응답성능을 갖는 극점, 영점 제어기를 설계한 후, 모의실험을 통해 속도제어응답을 확인할 수 있었고, 실시간 프로그램으로 다운로드하여 실제 전동기 구동시스템의 실험을 통해서 설계된 속도제어기의 응답 결과를 모의실험과 비교하여 검증하였다.
본 논문에서는 모델기반의 제어기 설계 프로그램인 National Instruments(NI)사의 System Identification Toolkit과 Control Design Toolkit, Simulation module을 사용하여 기존의 제어기 설계방식보다 쉽고 편리하게 제어기를 설계할 수 있었다. 직류전동기의 속도제어시스템을 구현하기 위해서 하드웨어는 NI사에서 제공하는 실시간 제어기(Real-Time Controller:RT) CompactRIO를 사용하였다. 먼저는, 테스트 입력 신호를 전동기에 인가하고 얻은 출력신호를 통해 제어대상 플랜트인 직류전동기 구동시스템의 전달함수를 구할 수 있었다. 다음으로는 원하는 제어응답성능을 갖는 극점, 영점 제어기를 설계한 후, 모의실험을 통해 속도제어응답을 확인할 수 있었고, 실시간 프로그램으로 다운로드하여 실제 전동기 구동시스템의 실험을 통해서 설계된 속도제어기의 응답 결과를 모의실험과 비교하여 검증하였다.
This paper presents a controller implementation using model based controller design programs-System Identification Toolkit, Control Design Toolkit, Simulation module. This method is easier and simpler than conventional controller design method. To implement speed control system of DC motor, a Compac...
This paper presents a controller implementation using model based controller design programs-System Identification Toolkit, Control Design Toolkit, Simulation module. This method is easier and simpler than conventional controller design method. To implement speed control system of DC motor, a CompactRIO, Real-Time(RT) cntroller provided by NI(National Instruments), is used as hardware equipment. Firstly transfer function of DC motor drive system, which was a control target plant, can be acquired through System Identification Toolkit by using test input signal applied to motor and output signal from motor. And designing of pole-zero compensator satisfying desired control response performance through Control Design Toolkit, designed speed control response can be tested through Simulation Module. Finally LabVIEW program is converted to real-time program and downloaded to CompactRIO real-time controller Through experimental results to real DC motor drive system, designed speed control response is compared to simulation results.
This paper presents a controller implementation using model based controller design programs-System Identification Toolkit, Control Design Toolkit, Simulation module. This method is easier and simpler than conventional controller design method. To implement speed control system of DC motor, a CompactRIO, Real-Time(RT) cntroller provided by NI(National Instruments), is used as hardware equipment. Firstly transfer function of DC motor drive system, which was a control target plant, can be acquired through System Identification Toolkit by using test input signal applied to motor and output signal from motor. And designing of pole-zero compensator satisfying desired control response performance through Control Design Toolkit, designed speed control response can be tested through Simulation Module. Finally LabVIEW program is converted to real-time program and downloaded to CompactRIO real-time controller Through experimental results to real DC motor drive system, designed speed control response is compared to simulation results.
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제안 방법
cRIO 임베디드 시스템은 LabVIEW Real-Time 어플리케이션을안정적이고 결정적으로 실행하는 산업용 200MHz 펜티엄 클래스 프로세서를 포함하고, 내장된 수천 개의 LabVIEW 함수에서 선택하여, 실시간 제어, 분석, 데이터 로깅 및 통신용 멀티스레드 임베디드 시스템을 구축할 수 있게 하였다. 이러한 Real-Time시스템은 높은 신뢰성을 가지고 어플리케이션의 완성도를 높인다.
이와 같이 System ID로 구한 전달함수가 실제 플랜트인 직류 전동기의 실험결와 같은 결과를 보여 준다는 것을 알 수 있었다. 검증을 마친 직류전동기의 전달 함수를 sysID丄TI 파일로 저장하였다. 이는 나증-에 Simulation Module에서 시뉼레이션을 위한 데이터파인고 쓰인다.
이점은 어플리케이션에 따라 필드를 재구성할 수 있다. 본 연구에서는 NI 사에서 제공해 주는 cRIO의 FPGA를 사용하였다.[2]
이러한 요구 조건을 만족시키는 제어 시스템 설계도구로서 그래픽기 반 프로그램인 LabVIEW가 있고[1], 실시간 제어가능한 시스템으로서 NI사가 제공하는 CompactRIO(이하 cRIO)가 있다. 본 연구에서는 cRIO의 실시간 제어시스템과 LabVIEW 프로그램의 System Identification Toolkit 과 Control Design Toolkit, Simulation Module을 사용하여 쉽고 빠르게 직류전동기 구동 시스템의 속도제어기 설계 및 실시간 실험을 하였다.
이러한 Real-Time시스템은 높은 신뢰성을 가지고 어플리케이션의 완성도를 높인다. 본 연구에서는 실시간 시스템을 사용하여 직류 전동기를 실시간으로 제어 하였고, 실시간으로 모의실험과 비교할 수 있었다.
본 연구에서는 직류 전동기에 자극을 주고 그에 대한 응답을 받아 시스템 식별(System Identification; 이하 ID) 을 하였고 System ID로 추정하여 찾은 모델을 Control Design Toolkit# 사용하여 제어기를 설계한다. 설계된 제어기를 Simulation Module을 사용하여 시뮬레이션한 결과와 실제 직류 전동기의 실험결과를 비교 검증한다.
시뮬레이션을 하기 위하여 전동기 전달함수를 저장한 sysID.LTI 파일과 제어기를 저장한 conD.LTI 파일을 불러와서 시뮬레이션 모듈의 시뮬레이션 루프에 넣고 시뮬레이션을 하였다. 그림 15는 시뮬레이션 프로그램을 보여준다.
시스템 식별에서 모델의 전달함수를 구함으로써 상승 시간(rise time), 정착시간(Setting time), 오버슈트 (Overshoot)에 대한 요구조건에 맞는 제어기를 설계할 수 있게 되었다. 그림 14에서 보여지는 Control Design 프로그램의 프런트 패널은 종속제어기를 플랜트 앞에 놓는 방식에 따라서 폐루프시스템의 동작이 어떻게 결정되는지를 보여준다.
이 같은 제어기의 단점은 비례 제어기의 상태개선의 어려움과 낮은 차수의 전달함수의 형태로 표현되는 시스템에서만 극배치 설계방식이 적용될 수 있다는 것이다. 위의 시스템은 2차의 전달함수를 갖는 시스템으로써 계산하였고 좀 더 쉽게 제어기를 설계하기 위하여 극점 영점 상쇄 방법을 사용하였다.
입력으로 상승구간과 PWM의 주기를 받았고 출력으론 2개의 상반된 PWM 신호를 출력하였다. 그림 4는 직류 전동기의 속도검출을 위해 엔코더의 펄스를 받아 위치 값과 속도값을 구하는 FPGA 프로그램이다.
전동기를 테스트하여 자극에 대한 응답값을 받기 위해 전동기에 0과 12V의 입력값을 1초의 주기로 200번 반복하여 자극을 주었고 그에 대한 응답값을 보았다. 이 자극에 대한 응답값들은 배열로 sysIDdata.
대상 데이터
전압 제어 방식의 PWM 서보 증폭기는 전동기에 인가되는 전압을 제어함으로써 전동기를 제어하게 된다. 본 연구에서는 직류전동기 구동회로에 L298이라는 H-브리지 서보 증폭기를 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서는 직류 전동기에 자극을 주고 그에 대한 응답을 받아 시스템 식별(System Identification; 이하 ID) 을 하였고 System ID로 추정하여 찾은 모델을 Control Design Toolkit# 사용하여 제어기를 설계한다. 설계된 제어기를 Simulation Module을 사용하여 시뮬레이션한 결과와 실제 직류 전동기의 실험결과를 비교 검증한다.
System ID를 하기 위해 자극을 주고 받는 응답이 있어야 한다. 이 응답으로 추정한 모델의 모델식을 만들고 만들어진 모델 식은 시뮬레이션을 통해 검증과 분석을 한다.[3]
이론/모형
System ID를 사용하여 구해진 전동기의 전달함수와 Control Design을 사용하여 구해진 제어기를 가지고 Simulation Module을 사용하여 시뮬레이션을 하여 보았다[6]. 시뮬레이션을 하기 위하여 전동기 전달함수를 저장한 sysID.
본 연구에서는 직류전동기 구동시스템의 전달함수를 구하기 위해 System Identification Toolkit을 시용하였고, 속도제어기 설계를 위해 Control Design Toolkit을 사용하였다. System Identification Toolkil은 직류전동기의 정수와 시스템 파라미터를 몰라도 전동기 구동 시스템의 전달함수를 구할 수 있었고, Control Design Toolkit으로는 보다 쉽게 속도제어기를 설계할 수 있었다.
그림 4는 직류 전동기의 속도검출을 위해 엔코더의 펄스를 받아 위치 값과 속도값을 구하는 FPGA 프로그램이다. 엔코더의속도 검출방식은 펄스 카운트 방식을 사용하였고 A상, B 상을 받아 4체배를 한 후에 hns동안 카운트를 하였다.
성능/효과
System Identification Toolkil은 직류전동기의 정수와 시스템 파라미터를 몰라도 전동기 구동 시스템의 전달함수를 구할 수 있었고, Control Design Toolkit으로는 보다 쉽게 속도제어기를 설계할 수 있었다. 설계한 속도제어기를 Simulation module을 이용하여 시뮬레이션을 한 결과를 확인한 후, cRIO를 이용하여 실제 직류전동기를 구동한 실험결과와 일치함을 알 수 있었다 LabVIEW 프로그램과 NI사에서 제공해 주는 하드웨어인 cRIO 및 제어설계 소프트웨어인 Control Design을 이용할 경우 기존의 제어시스템 개발시보다 제어기의 설계 및 구현이 매우 쉽고 편리하며, 응답결과도 확인이 편리하여 제어시스템 해석 및 설계를 쉽게 이해하고 빠른 시간에 제어 시스템을 설계할 수 있었다.
System Identification Toolkil은 직류전동기의 정수와 시스템 파라미터를 몰라도 전동기 구동 시스템의 전달함수를 구할 수 있었고, Control Design Toolkit으로는 보다 쉽게 속도제어기를 설계할 수 있었다. 설계한 속도제어기를 Simulation module을 이용하여 시뮬레이션을 한 결과를 확인한 후, cRIO를 이용하여 실제 직류전동기를 구동한 실험결과와 일치함을 알 수 있었다 LabVIEW 프로그램과 NI사에서 제공해 주는 하드웨어인 cRIO 및 제어설계 소프트웨어인 Control Design을 이용할 경우 기존의 제어시스템 개발시보다 제어기의 설계 및 구현이 매우 쉽고 편리하며, 응답결과도 확인이 편리하여 제어시스템 해석 및 설계를 쉽게 이해하고 빠른 시간에 제어 시스템을 설계할 수 있었다.
있다. 이러한 제어기술은 오늘날의 복잡한 시스템을 제어 가능하게 만들었고 제어기의 성능을 향상시키었다. 그렇지만 이러한 제어기술의 향상에도 불구하고 아직도 복잡한 시스템을 제어하기 위해선 제어 대상을 해석적으로 표현할 필요가 있다.
실제 응답과 거의 비슷한 결과를 보여주고 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 System ID로 구한 전달함수가 실제 플랜트인 직류 전동기의 실험결와 같은 결과를 보여 준다는 것을 알 수 있었다. 검증을 마친 직류전동기의 전달 함수를 sysID丄TI 파일로 저장하였다.
참고문헌 (7)
곽두영, "컴퓨터 기반의 제어와 계측 LabVIEW", Ohm사, 2006.
National Instrument, FPGA Module User Manual, 2004.
National Instrument, LabVIEW System Identification Toolkit User Manual, 2006.
National Instrument, LabVIEW Control Design Toolkit User Manual, 2006.
National Instrument, LabVIEW 8.0 Simulation Module Help, 2006.
지준근, 전범수, 신현근, "MMI(Man Machine Interface)에 의한 DC 서보모터 속도제어", 순천향대학교 정보기술공학부 제어계측공학전공 학사학위논문, 2001.
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