[논문]퍼지제어기를 이용한 반사경의 초점 위치제어에 관한 연구

정회성; 김준수; 김혜란; 김관형; 이형기

doi:10.5391/jkiis.2011.21.5.645

문제 정의

본 논문에서는 태양의 자연광을 실내 및 기타 장소에 조명용으로 활용하기 위하여 태양광을 한곳으로 집광할 수 있도록 오목거울형 반사경(reflector)을 부착하여 태양광을 한곳으로 집광하도록 하였다. 집광된 태양광을 다시 광섬유(optical fiber) 다발을 통하여 원거리로 자연광을 전송할 수 있도록 시스템을 설계하였다.
본 논문은 태양광 추적 시스템과 태양광 집광장치를 이용한 태양광 조명장치 구현에 대한 논문으로 2축 제어가 가능한 오목거울형 반사광과 집광된 태양광의 초점을 이용하여 광섬유를 통하여 원거리에서 태양광을 활용할 수 있는 시스템을 제한하였다. 또한, 본 논문의 실험은 태양광 집광장치는 외부에 노출되어 있기 때문에 항상 비주기적이고 비선형적인 외란이 존재하는 환경에 있다.
집광된 태양광을 다시 광섬유(optical fiber) 다발을 통하여 원거리로 자연광을 전송할 수 있도록 시스템을 설계하였다. 이러한 시스템은 태양광을 조명용으로 활용할 수 있는 태양광 조명시스템을 제시하고자 한다. 특히, 이러한 태양광을 이용한 조명 시스템의 제어는 반사경의 정밀한 위치 제어 기술과 시간에 대한 태양의 고도각(elevation) 및 방위각(azimuth)을 계산하여 태양의 궤도를 추적할 수 있는 제어 기술이 필수적이다.
본 논문에서 제시한 시스템은 태양광을 한 점으로 집광하는 오목거울형 반사경을 포함하는 상부의 모듈은 정밀한 위치 제어를 위하여 기어를 포함한 2축 DC 모터를 이용하여 집광되는 초점을 정밀하게 제어 하도록 설계하였으며, 태양의 위치를 실시간으로 추적해 나가는 하부의 트래커 모듈은 실시간으로 변하는 태양의 위치를 추적하기 위하여 천문학적 알고리즘 방식을 활용하여 현재 태양의 방위각과 고도각을 실시간으로 계산하여 본 시스템을 제어하도록 하였다. 이러한 지능형 퍼지제어기(intelligent fuzzy controller)는 태양광 집광 시스템과 같은 정밀도를 요구하는 시스템과 다양한 외란이 존재하는 비선형적인 환경에서의 외란 제거에 대한 퍼지제어기의 장점을 실험 결과로 제시하고자 한다.
이상과 같이 설계된 태양 추적 시스템 및 반사경에 의한 태양광 초점 위치 제어에 대한 시스템에 제시하였다. 제시된 시스템의 초점 위치 제어에 대한 성능을 확인하기 위하여 약 2분(오후1:51:13초∼오후1:53:13초) 동안 외부에 비주기적인 외란을 가하여 실험을 하였으며, 주어진 외란에 대하여 퍼지제어기의 제어 성능을 실험을 통하여 확인하였다.

제안 방법

그림 3은 본 논문의 태양광 집광 제어장치의 블록 다이어그램을 제시하였다. PSoC(Programmable System on Chip) 기반으로 설계한 퍼지제어기는 수평축과 수직축의 ADC(Analog Digital Convertor) 값을 통하여 퍼지제어기의 입력으로 사용하였으며, 퍼지제어기의 출력은 비퍼지화(defuzzification) 과정을 거쳐 PSoC 내부에 있는 DAC(Digital Analog Convertor) 값과 모터 드라이브를 통하여 DC 모터를 제어할 수 있도록 설계하였다.
그림 12의 회로도는 본 논문에 사용된 센서의 감도를 조절하기 위하여 아날로그 스위치 회로를 첨가하여 약한 밝기의 조도에 대해서도 쉽게 포화되는 민감한 광량 센서를 활용하기 위하여 아날로그 스위칭회로를 첨가하여 쉽게 포화영역으로 들어가는 것을 조절하도록 하였다.
그림 2와 같이 설계된 하나의 모듈을 그림 1과 같이 복수개의 모듈을 설치하여 보다 강하고 자연광에 가까운 빛을 집광할 수 있도록 설계하였다. 또한, 태양광 센서 부분의 배치는 수직부분과 수평부분으로 각각 오차를 나누어 계산하여 상하, 좌우에 대한 보상량을 퍼지제어기의 추론을 통하여 보상하였다.
본 논문에서 구현한 태양광 추적시스템의 하부구조의 제어는 계산을 통한 방위각과 고도각을 구하였으므로 실제 태양의 위치와는 약간의 오차가 발생할 수 있다. 때문에 이러한 오차를 정밀하게 보상하고 기타 비선형적인 외란에 강한 제어기를 설계하기 위하여 상부구조에서는 다시 2-자유도의 2축 모터 제어시스템을 설계하여 하부 구조에서 발생하는 오차의 보정과 비선형적인 외란을 보상하도록 설계하였다. 본 논문에 적용한 상부구조의 제어 알고리즘은 비선형제어에 강인한 퍼지제어기를 설계하여 본 시스템에 적용하였다.
결론으로 본 논문을 통하여 태양광 집광장치 제어기의 설계에 필요한 ADC, 증폭기, DAC 회로와 같은 아날로그 회로와 마이크로프로세스로 구성되는 디지털 회로의 조합으로 구성된 시스템을 아날로그 모듈과 디지털 모듈을 단일 칩으로 구성할 수 있는 PSoC를 이용하여 복잡한 회로를 간단하게 구성할 수 있음을 보였다. 또한, PSoC 내부의 마이크로프로세서를 이용하여 퍼지제어기의 제어 알고리즘을 구현할 수 있었다.
그림 2와 같이 설계된 하나의 모듈을 그림 1과 같이 복수개의 모듈을 설치하여 보다 강하고 자연광에 가까운 빛을 집광할 수 있도록 설계하였다. 또한, 태양광 센서 부분의 배치는 수직부분과 수평부분으로 각각 오차를 나누어 계산하여 상하, 좌우에 대한 보상량을 퍼지제어기의 추론을 통하여 보상하였다.
이러한 하부 시스템은 태양에 대한 방위각과 고도각을 제어하도록 하였다. 방위각 제어는 원형 액추에이터를 사용하였으며, 고도각에 대한 제어는 리니어(linear) 액추에이터를 사용하여 태양의 위치를 추적하도록 하였다.
때문에 이러한 오차를 정밀하게 보상하고 기타 비선형적인 외란에 강한 제어기를 설계하기 위하여 상부구조에서는 다시 2-자유도의 2축 모터 제어시스템을 설계하여 하부 구조에서 발생하는 오차의 보정과 비선형적인 외란을 보상하도록 설계하였다. 본 논문에 적용한 상부구조의 제어 알고리즘은 비선형제어에 강인한 퍼지제어기를 설계하여 본 시스템에 적용하였다.
본 논문에서 제시한 시스템은 태양광을 한 점으로 집광하는 오목거울형 반사경을 포함하는 상부의 모듈은 정밀한 위치 제어를 위하여 기어를 포함한 2축 DC 모터를 이용하여 집광되는 초점을 정밀하게 제어 하도록 설계하였으며, 태양의 위치를 실시간으로 추적해 나가는 하부의 트래커 모듈은 실시간으로 변하는 태양의 위치를 추적하기 위하여 천문학적 알고리즘 방식을 활용하여 현재 태양의 방위각과 고도각을 실시간으로 계산하여 본 시스템을 제어하도록 하였다. 이러한 지능형 퍼지제어기(intelligent fuzzy controller)는 태양광 집광 시스템과 같은 정밀도를 요구하는 시스템과 다양한 외란이 존재하는 비선형적인 환경에서의 외란 제거에 대한 퍼지제어기의 장점을 실험 결과로 제시하고자 한다.
본 논문에서는 퍼지제어기의 출력 공간을 [-10∼+10]으로 정의하여 PSoC의 정수연산을 수행 하도록 하였다.
그림 16는 그림 14를 통하여 계측된 센서 데이터 사이의 오차를 나타낸 그래프로 점선은 input10과 input11의 차이 값으로 나타내었다. 이러한 오차를 바탕으로 퍼지제어기의 제어출력을 DAC1을 통하여 오차를 보상하도록 하였다. 그림 16에 제시한 그림과 같이 실험의 후반부에는 많은 양의 비주기적인 외란을 첨부하였을 때 많은 양의 제어 신호를 관찰할 수 있었다.
실제 상부 모듈의 제어는 오목거울형 반사경의 법선방향과 정확한 태양의 위치 사이에 작은 오차가 발생하여도 집광된 초점으로부터 광섬유로 투과되는 빛의 양이 현저하게 저하되므로 반사경에 의한 초점 위치를 정밀하고 정확하게 제어되어야 한다. 이러한 정밀제어를 위하여 초점을 검출할 수 있는 4개의 센서회로를 통하여 정확한 초점에 대한 오차를 보정과 외란을 제거하도록 퍼지제어기를 설계하여 시스템을 안정화 하였다.
제시된 시스템의 초점 위치 제어에 대한 성능을 확인하기 위하여 약 2분(오후1:51:13초∼오후1:53:13초) 동안 외부에 비주기적인 외란을 가하여 실험을 하였으며, 주어진 외란에 대하여 퍼지제어기의 제어 성능을 실험을 통하여 확인하였다.
본 논문에서는 태양의 자연광을 실내 및 기타 장소에 조명용으로 활용하기 위하여 태양광을 한곳으로 집광할 수 있도록 오목거울형 반사경(reflector)을 부착하여 태양광을 한곳으로 집광하도록 하였다. 집광된 태양광을 다시 광섬유(optical fiber) 다발을 통하여 원거리로 자연광을 전송할 수 있도록 시스템을 설계하였다. 이러한 시스템은 태양광을 조명용으로 활용할 수 있는 태양광 조명시스템을 제시하고자 한다.
한 점으로 태양광을 집광하기 위하여 그림 2와 같이 태양 집광시스템을 구성하였다. 태양의 빛을 오목거울형 반사경을 이용하여 한 지점으로 빛을 모았으며, 모아진 빛을 다시 광섬유를 통하여 광원을 외부로 유도하여 광원이 필요한 곳으로 유도할 수 있도록 하였다. 특히, 한 지점으로 모아진 광원의 초점 주위에 4개의 센서를 배치하여 태양의 움직임에 따라 광원의 초점이 시간에 따라 변화는 현상을 보정하도록 설계하였다.
그림 8의 아래 부분인 아날로그 블록은 왼쪽의 6개는 수평축의 제어에 사용되고, 오른쪽의 6개는 수직축의 제어에 사용된다. 특히, 디지털 값을 아날로그로 컨버터 하는 유저모듈인 DAC9 모듈은 2개의 아날로그 블록을 사용되지만 수평축과 수직축을 제어하기 위한 입력부분과 출력 부분을 모두 합하여 12개의 유저모듈을 사용하여 CY8C29466-24PXI의 아날로그 블록 12개를 모두 사용하여 설계하였다.
특히, 본 실험의 전제 조건은 1차적으로 하부시스템을 통하여 현재의 위치와 시간을 통하여 태양의 위치에 대한 방위각과 고도각을 계산하여 태양의 위치를 우선적으로 계산 한 다음 비주기적인 외란에 대하여 실험을 실시하였다.
태양의 빛을 오목거울형 반사경을 이용하여 한 지점으로 빛을 모았으며, 모아진 빛을 다시 광섬유를 통하여 광원을 외부로 유도하여 광원이 필요한 곳으로 유도할 수 있도록 하였다. 특히, 한 지점으로 모아진 광원의 초점 주위에 4개의 센서를 배치하여 태양의 움직임에 따라 광원의 초점이 시간에 따라 변화는 현상을 보정하도록 설계하였다.
표 2의 규칙은 그림 4와 표 1을 바탕으로 태양광 초점에 대한 x축 오차와 y축 오차에 대한 두 개의 퍼지입력과 수평축 모터와 수직축 모터에 해당하는 두 개의 퍼지제어 출력에 대한 퍼지제어규칙을 제시하였다.
하부 구조는 GPS 기반의 시간, 경도, 위도 정보를 이용하여 복잡한 천문학적 알고리즘을 LabView 기반으로 계산하여 RS-485 통신을 이용하여 원격으로 방위각(ρ)과 고도각(Θ)을 전송하도록 시스템을 설계하였다.
상부의 광량센서 모듈은 4개의 작은 구멍을 통하여 태양광 초점의 오차를 계측하도록 하였다. 하부의 반사경을 이용하여 만들어진 태양광의 반사 초점을 상부의 정 중앙에 정확하게 집중되도록 제어하는 하부의 2축 제어 모터의 내부를 제시하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 PSoC 내부 유저모듈은 12bit ADC 4개, 4개의 PGA 증폭기, 2개의 DAC로 구성하였으며 구성된 내용은 그림 9에 제시하였다. 이러한 유저모듈의 구성은 크게 수평축 제어에 관한 유저모듈과 수직축 제어에 관한 유저모듈로 구성된다.
퍼지제어기의 설계는 Cypress(사)의 PSoC 기반으로 설계하였으며, 선정한 칩은 CY8C29466-24PXI의 8bit 프로세서를 선정하여 설계하였다. 이러한 PSoC은 프로그램 가능한 20개의 디지털 블록과 12개의 아날로그 블록을 내장하고 있어 복잡한 회로의 설계를 칩 내부에서 간단하게 구현할 수 있다.

이론/모형

그림 5와 그림 6는 본 논문에 적용한 퍼지 입력 변수에 대한 멤버쉽 함수를 MatLab Fuzzy Tool Box를 이용하여 표현하였다. 특히, 그림 5의 퍼지 멤버쉽 함수는 퍼지 입력 공간을 그림 4에서 제시한 바와 같이 수평축과 수직축을 각각 3개의 퍼지 영역으로 분리하여 구성하였다.
)을 퍼지제어기의 입력으로 사용하였다. 출력의 경우는 PSoC 내부에 DAC(Digital Analog Convertor)를 활용하여 쉽게 시스템을 설계할 수 있어 본 논문의 제어 프로세서로 PSoC 사용하였다. 식 (1)에서 센서 입력에 대한 퍼지 크리스프 입력으로 표현하였다.
퍼지제어기의 추론방식은 일반적인 제어에 우수한 성능을 보이는 맘다니(Mamdani) 추론 방식을 “Max-min” 추론 방식을 사용하였으며, 비퍼지화(defuzz ify) 방법은 속도와 프로그램의 편리성을 위하여 최대값 선택 방법(maximum select method)을 사용하였다.

성능/효과

PSoC의 DAC를 통하여 만들어진 아날로그의 출력을 이용하여 비선형적인 외란에 대하여 반사경의 초점 위치를 일정하게 유지되고 있음을 확인 할 수 있었다.
결론으로 본 논문을 통하여 태양광 집광장치 제어기의 설계에 필요한 ADC, 증폭기, DAC 회로와 같은 아날로그 회로와 마이크로프로세스로 구성되는 디지털 회로의 조합으로 구성된 시스템을 아날로그 모듈과 디지털 모듈을 단일 칩으로 구성할 수 있는 PSoC를 이용하여 복잡한 회로를 간단하게 구성할 수 있음을 보였다. 또한, PSoC 내부의 마이크로프로세서를 이용하여 퍼지제어기의 제어 알고리즘을 구현할 수 있었다.
또한, 본 논문의 실험은 태양광 집광장치는 외부에 노출되어 있기 때문에 항상 비주기적이고 비선형적인 외란이 존재하는 환경에 있다. 이러한비주기적이고 비선형적인 외란을 제거하기 위하여 비선형 제어기로 활용도가 높은 퍼지제어기를 설계하여 주어진 비선형적인 외란을 제거할 수 있음을 보였다.
추가적으로 본 논문을 통하여 비선형적인 외란에 대하여 퍼지제어기의 성능을 확인할 수 있었으며, 복잡한 수식을 기반으로 하는 기타 제어기 설계를 대신하여 전문가의 제어 전략을 언어적 변수로 표현할 수 있는 퍼지제어기의 적용가능성을 확인할 수 있었다. 이렇게 설계된 태양광 집광 시스템은 순수한 태양광을 직접 이용할 수 있어 실내의 조명장치와 식물 재배용 조명장치로 충분히 활용할 수 있음을 보였다.
그림 17은 그림 15와 그림 16을 통하여 계측된 센서 데이터 정보에 대하여 시간 축을 확장시켜 1초당 10개의 샘플(10Hz)을 볼 수 있도록 제시하였다. 주어진 에러에 대하여 퍼지제어기의 DAC 출력 파형을 확인할 수 있었으며, +0.5 이상의 오차에 대하여 실시간으로 퍼지제어기가 보상해 나가는 것을 확인 할 수 있었다.
추가적으로 본 논문을 통하여 비선형적인 외란에 대하여 퍼지제어기의 성능을 확인할 수 있었으며, 복잡한 수식을 기반으로 하는 기타 제어기 설계를 대신하여 전문가의 제어 전략을 언어적 변수로 표현할 수 있는 퍼지제어기의 적용가능성을 확인할 수 있었다. 이렇게 설계된 태양광 집광 시스템은 순수한 태양광을 직접 이용할 수 있어 실내의 조명장치와 식물 재배용 조명장치로 충분히 활용할 수 있음을 보였다.
때문에 태양광 집광장치의 초점 제어에 대한 제어 전략을 쉽게 수립할 수 있고 간편하게 적용할 수 있다. 특히, 본 논문에서는 그림 2에서 제시한 바와 같이 4개의 센서가 각각 수평축 2개와 수직축 2개로 각각 짝을 이루고 있어 수평축에 대한 오차와 수직축에 대한 오차를 쉽게 판단할 수 있어 보상량을 쉽게 추론해 낼 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광을 이용한 조명 시스템의 제어에 필수적인 기술은 무엇인가?	이러한 시스템은 태양광을 조명용으로 활용할 수 있는 태양광 조명시스템을 제시하고자 한다. 특히, 이러한 태양광을 이용한 조명 시스템의 제어는 반사경의 정밀한 위치 제어 기술과 시간에 대한 태양의 고도각(elevation) 및 방위각(azimuth)을 계산하여 태양의 궤도를 추적할 수 있는 제어 기술이 필수적이다.
	태양광 추적시스템에 사용되는 구현 방식에는 무엇이 있는가?	태양광 추적시스템의 구현 방식은 광량센서를 이용하는 센서 방식과 천문학적 알고리즘을 이용하는 두 가지 방식이 사용된다. 센서 방식은 광량센서를 이용하여 태양광의 오차를 측정하여 계산하는 방식이며, 천문학적 알고리즘을 이용하는 방식은 연재의 시간 정보와 율리우스 일(JD:Julian Day Number)을 사용하여 태양의 위치를 계산하는 방식이다.
	태양광을 한 점으로 집광하기 위한 태양 집광시스템은 어떻게 설계되었는가?	한 점으로 태양광을 집광하기 위하여 그림 2와 같이 태양 집광시스템을 구성하였다. 태양의 빛을 오목거울형 반사경을 이용하여 한 지점으로 빛을 모았으며, 모아진 빛을 다시 광섬유를 통하여 광원을 외부로 유도하여 광원이 필요한 곳으로 유도할 수 있도록 하였다. 특히, 한 지점으로 모아진 광원의 초점 주위에 4개의 센서를 배치하여 태양의 움직임에 따라 광원의 초점이 시간에 따라 변화는 현상을 보정하도록 설계하였다.

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