[논문]피드백 선형화 제어기를 사용한 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터의 위치 제어

김태형; 이일영

doi:10.7839/ksfc.2012.9.3.008

[국내논문] 피드백 선형화 제어기를 사용한 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터의 위치 제어
Position Control of a 1/4 Car Suspension Simulator using a Feedback Linearization Controller 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.9 no.3, 2012년, pp.8 - 15

김태형 (부경대학교 기계자동차공학과) , 이일영 (부경대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the study, a control strategy using a feedback linearization compensator and a disturbance observer was suggested and applied to a hydraulic control system for a vehicle suspension simulator. Although the hydraulic system has comparatively big external loads composed by constant and varying loads...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

대표적인 선형 제어기인 PID 제어기를 사용한 경우의 실험 결과와 본 연구에서 설계한 제어기를 사용한 실험 결과를 비교·검토한다. 그리고 시스템의 운전 중에 발생할 수 있는 외란 입력 등에 의한 시스템의 안정성 및 제어 성능이 어떻게 변화하는지를 다양한 조건 하에서 고찰한다.
이 절에서는 피드백 선형화 기반의 상태 피드백 제어기(Feedback Linearization Based State Feedback Controller, FL-SFC)를 적용함으로서 서보 밸브의 비선형성을 극복하는 과정을 기술한다. 여기서는 FL-SFC를 적용한 위치 제어계의 실현을 간편화하기 위하여 식 (7)을 아래와 같이 근사화하기로 한다.

가설 설정

실린더 양쪽 체임버(chamber)에 연속 방정식을 적용하고, 피스톤이 실린더 중앙 위치 부근에 머무르고 있다는 가정 하에서 다음 식이 얻어진다.

제안 방법

(1) 복잡한 부하계를 가지는 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터를 대상으로 하여 FL-SFC를 설계하였다. 그 결과, 복잡한 구조의 부하계를 가지는 시스템을 대상으로 하는 경우에도 FL-SFC의 적용이 가능하고 그 과정이 비교적 간단함을 확인할 수 있었다.
(2) 대표적인 선형 제어기인 PID 제어기와 FL-SFC 및 FL-SFC-DOB를 적용하고 단위 계단 입력 및 정현파 입력 신호를 가했을 시의 실험 결과를 비교 · 고찰하였다.
실린더와 부하계 사이에는 로드셀을 설치하여 부하력을 계측하고 이로부터 부하 압력을 계산하였다. 또한 피스톤 변위 및 스프링 하부 질량의 변위는 가변 저항식 변위계로 계측하였다. 디지털 제어기 및 계측 시스템의 구현에는 PC 및 MATLAB/RTWT (Real Time Windows Target)¹⁰⁾을 사용하였다.
먼저, FL-SFC 및 FL-SFC-DOB의 제어 성능을 비교 · 평가하기 위해서 PID 제어기를 사용하였으며 PID 제어기의 게인 값들은 다음과 같다.
본 논문에서는 복잡한 부하계를 가지는 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터를 대상으로 하고, 유압 서보 시스템의 위치 제어계로서 PID 제어기를 사용한 경우와 피드백 선형화 기법을 적용한 상태 피드백 제어기 및 외란 관측기를 사용한 경우의 시스템의 응답성 및 외란 제거 성능을 비교・고찰하였으며 그 결과를 요약하면 아래와 같다.
본 논문에서는 시스템의 물리 인자값 변동 및 외란 입력이 존재하는 경우에도 제어 성능 저하를 막기 위해서 FL-SFC를 포함한 위치 제어계에 외란 관측기(Disturbance Observer, DOB)를 부가한 제어기(FL-SFC-DOB)를 적용한다.
6 및 7의 (a), (b)는 각각 1 Hz 및 4 Hz의 정현파 위치 신호를 가했을 때의 결과들이다. 승용차 현가장치의 제1차 고유 진동수는 보통 4 Hz 미만이기 때문에 기준 신호의 주파수를 1 Hz 및 4 Hz로 결정하였다.
실험에 사용된 서보 밸브(MOOG, J076 series)는 정격 유량은 38ℓ/min(밸브 압력 강하 70 bar일 때), 정격 전류 40 mA인 고응답형 밸브이다. 실린더와 부하계 사이에는 로드셀을 설치하여 부하력을 계측하고 이로부터 부하 압력을 계산하였다. 또한 피스톤 변위 및 스프링 하부 질량의 변위는 가변 저항식 변위계로 계측하였다.

대상 데이터

대상 시스템인 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터의 제어기로 PID 제어기, FL-SFC 및 FL-SFC-DOB를 적용하고 기준 신호로서 계단상 위치 신호를 가했을 때의 시간 응답 결과들을 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
본 논문에서 대상으로 하는 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터는 그 구조상 스프링 상부 질량 m_s 및 스프링 하부 질량 m_u 의 중량에 상당하는 부하가 항상 부하 외력으로 작용한다. 그리고 두 질량물 사이에 연결되는 유압식 완충 장치에서 발생하는 감쇠력은 유압식 완충 장치에 작용하는 속도의 크기에 따라서그 감쇠력의 크기가 다르고 속도의 방향에 따라서도 다르며 또한 비선형적으로 변한다.
본 연구에서 대상으로 하는 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터에서 피 구동체는 차량 질량의 1/4에 해당하는 중량체와 유압식 완충 장치(hydraulic shock absorber) 및 타이어로 구성되고, 수직 방향으로만 운동하도록 지지되어 있다. 그리고 타이어 하부에는 타이어를 가진(加振)시키기 위한 유압 실린더가 설치된다.
본 연구에서 대상으로 하는 서보 밸브는 서로 쌍을 이루고 대칭인 교축 유로를 갖는 임계 센터형 밸브이다. 서보 밸브의 부하 유량 Q_l은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이 시스템의 주요 구성 요소는 서보 밸브, 유압 실린더(양로드형) 및 부하계이다. 실험에 사용된 서보 밸브(MOOG, J076 series)는 정격 유량은 38ℓ/min(밸브 압력 강하 70 bar일 때), 정격 전류 40 mA인 고응답형 밸브이다. 실린더와 부하계 사이에는 로드셀을 설치하여 부하력을 계측하고 이로부터 부하 압력을 계산하였다.

데이터처리

대표적인 선형 제어기인 PID 제어기를 사용한 경우의 실험 결과와 본 연구에서 설계한 제어기를 사용한 실험 결과를 비교·검토한다.

이론/모형

본 연구에서는 시스템의 비선형성이나 시스템 부하계의 동특성 변화를 극복하면서도 사용자가 쉽게 선형 제어기를 설계할 수 있도록 하기 위해서 피드백 선형화 기법(feedback linearization)^6,7)을 바탕으로 한 상태 피드백 제어기(state feedback controller)를 저하를 막기 위해 외란 관측기(disturbance observer)를 사용한다. 대표적인 선형 제어기인 PID 제어기를 사용한 경우의 실험 결과와 본 연구에서 설계한 제어기를 사용한 실험 결과를 비교·검토한다.

성능/효과

(3) 일정한 크기의 부하 외력 및 시스템의 운전 방향 및 속도에 따라서 비선형적으로 변하는 부하 외력이 함께 존재하는 시스템에서는 종래의 PID 제어기에 비하여 FL-SFC-DOB의 외란 제거 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
Fig. 8에서 PID 제어기를 사용한 경우의 오차가 가장 작은 것으로 나타났으며, FL-SFC-DOB의 경우에는 절점 주파수가 높을 때에 더욱 큰 오차가 발생하는 것으로 나타났다.
(2) 대표적인 선형 제어기인 PID 제어기와 FL-SFC 및 FL-SFC-DOB를 적용하고 단위 계단 입력 및 정현파 입력 신호를 가했을 시의 실험 결과를 비교 · 고찰하였다. 그 결과, FL-SFC의 경우에는 시스템에 작용하는 강한 부하 외력으로 인하여 원하는 제어 성능을 얻을 수 없었으며, 모든 입력 신호에 대해서 FL-SFC-DOB의 제어 성능이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
(1) 복잡한 부하계를 가지는 1/4 차량 현가장치 시뮬레이터를 대상으로 하여 FL-SFC를 설계하였다. 그 결과, 복잡한 구조의 부하계를 가지는 시스템을 대상으로 하는 경우에도 FL-SFC의 적용이 가능하고 그 과정이 비교적 간단함을 확인할 수 있었다.
8과는 달리, FL-SFC- DOB 제어기의 경우가 PID 제어기의 경우에 비하여 더욱 작은 오차가 발생함을 나타낸다. 또한, 피스톤의 기준 위치(Fig. 9에서 0 mm 위치)를 중심으로 하여 상하 방향으로 오차의 불균형도 PID 제어기의 경우에 비하여 FL-SFC-DOB의 경우에서 더욱 작으며, 이는 FL-SFC-DOB 제어기가 현가장치 시뮬레이터에서 발생하는 외란(예: 1/4 차량의 중량 등)을 효과적으로 억제하고 있음을 나타낸다.
현가장치 시뮬레이터와 같은 시험기의 제어 성능은 입력 신호에 대한 출력신호의 파형 재현성(파형의 크기 및 형태의 재현성)에 따라서 평가되어야 할 것이므로, Fig. 9의 결과로부터 본 연구에서 적용한 FL-SFC-DOB 제어기는 현가장치 시뮬레이터의 제어기로서 비교적 우수한 제어 성능을 발휘하는 것으로 결론지을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압 시스템의 장점은?	일반적으로, 유압 시스템은 장치의 단위 체적당 출력이 큰 점, 제어 성능이 우수한 점 등의 장점으로 인하여 각종 시험기의 구동 장치로서 널리 사용되고 있다.1)∼4) 이러한 시험기 구동용 유압 시스템 중에서, 예를 들어 재료의 피로 시험기 등과 같이 피 구동체가 거의 고정된 상태로 구동되는 경우에는 부하의 동특성을 평가하기가 비교적 쉬워서 부하의 동특성을 함께 고려한 제어기의 설계가 용이한 편이라 할 수 있다.
	유압 시스템의 제어기로 사용되는 것은?	일반적으로, 각종 시험기의 구동 장치로 사용되는 유압 시스템의 제어기로는 선형 모델을 기반으로 하고 모델링 오차를 고려한 H∞ 제어기3)나 내부 모델과 안정화 필터로 구성된 외란 보상기4), 적응 제어기5) 등이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 제어기들도 내부 모델로 선형화 모델을 사용하기 때문에 시스템의 안정성 측면에서는 만족스러우나 제어 성능의 측면에서는 만족스럽지 못한 것이 현실이다.
	유압 시스템의 제어기가 갖는 장단점은?	일반적으로, 각종 시험기의 구동 장치로 사용되는 유압 시스템의 제어기로는 선형 모델을 기반으로 하고 모델링 오차를 고려한 H∞ 제어기3)나 내부 모델과 안정화 필터로 구성된 외란 보상기4), 적응 제어기5) 등이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 제어기들도 내부 모델로 선형화 모델을 사용하기 때문에 시스템의 안정성 측면에서는 만족스러우나 제어 성능의 측면에서는 만족스럽지 못한 것이 현실이다.

참고문헌 (10)

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Yamamoto A., Yokota S. and Tamura, Y., 1997, "Accurate Precision Control of Electrohydraulic Manipulator (Trajectory Control of a 6-Link Manipulator using Model Matching 2-DOFS Control Method with Disturbance Observer)", The Japan Hydraulics & Pneumatics Society, Vol. 28, No. 1, pp. 108-115.

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The Mathworks, Inc., 2006, "Real-Time Windows TargetTM User's Guide".

저자의 다른 논문 :

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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