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슬라이딩 모드 제어기법을 이용한 도립진자 시스템 제어
A Sliding Mode Control Scheme for Inverted Pendulum System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.2, 2014년, pp.1020 - 1026  

한상완 (충남도립청양대학 전기전자과) ,  박민호 (충남도립청양대학 전기전자과)

초록
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슬라이딩모드 제어의 문제는 제어입력에 포함된 알려지지 않은 외란 등 비선형 입력으로 인한 채터링의 발생이다. 본 연구는 채터링 발생의 문제를 해결하기 위한 제어 알고리듬에 대하여 고찰하고 채터링을 억제하는 슬라이딩모드 제어기를 설계하고자 한다. 슬라이딩모드 제어 시 발생하는 채터링을 억제하기 위해 알려지지 않은 외란을 포함한 비선형 입력에 대하여 평활함수를 적용한다. 이 방법에 의하여 도립진자 시스템의 동적 방정식에 포함된 비선형 요소와 외란에 의한 문제가 해결될 수 있음을 보인다. 또 슬라이딩모드 제어를 위한 제어 입력을 시스템에 적용하였고, 제안한 제어기의 제어성능을 검증하기 위하여 도립진자를 대상으로 컴퓨터 모의실험을 수행하였다. 모의실험 결과 제어입력에 포함된 큰 폭의 채터링이 제거되었음을 확인할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A problem of sliding mode control is chattering because of controle input signal included unknown disturbance and nonlinear input parameters. This paper presents a sliding mode controller design to inverted pendulum system. In this paper, a sliding mode control algorithm to reduce a chattering is pr...

주제어

#Chattering   #Decoupled   #Disturbance   #Inverted Pendulum   #Nonlinear Control Input   #Sliding Mode Controller   #Smoothing Function  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 직선운동형의 경우 직선운동의 거리에 제약을 갖는 단점이 있지만, 대부분의 도립진자 시스템은 직선운동형으로 운반체 위에 수직으로 진자를 세운 형태를 하고 있으며, 운반체의 직선 왕복 운동으로 진자를 안정하게 세우는 것이 목적이다. 마치 손위에 막대기를 올려놓고 쓰러지지 않도록 손을 움직이던 것을 기계적으로 구현하려는 것이다. 로켓을 바로 세워놓기 위한 연구에서 시작된 도립진자는 수중에서 발사된 어뢰의 자세제어나 보행 로봇의 관절제어, 주행하는 탱크에서 목표물을 조준하기 위한 포신제어 등에 응용할 수 있다[4-6,10].
  • 본 논문에서는 대차의 직선운동에 의하여 진자가 도립하는 직선운동형 도립진자시스템의 동역학 방정식과 상태방정식을 구하고 도립진자를 제어하기 위한 슬라이딩모드 제어기법을 제안하였다. 모의실험 결과 제안한 슬라이딩모드 제어기에서 비선형 제어입력에 의한 채터링이 발생함을 확인할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 대표적인 불안정한 시스템인 도립진자 시스템의 수식적 모델링을 행하고 그 모델을 대상으로 Sliding Mode Control에 기초한 강인제어기법을 제안한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제어대상으로 활용되는 도립진자의 종류는 무엇이 있는가? 대표적인 불안정한 시스템인 도립진자는 제어시스템의 제어 성능을 확인하기 위한 대상으로 널리 활용되고 있다. 제어대상으로 활용되는 도립진자의 종류는 직선운동형과 원운동형이 있다. 직선운동형의 경우 직선운동의 거리에 제약을 갖는 단점이 있지만, 대부분의 도립진자 시스템은 직선운동형으로 운반체 위에 수직으로 진자를 세운 형태를 하고 있으며, 운반체의 직선 왕복 운동으로 진자를 안정하게 세우는 것이 목적이다.
슬라이딩모드 제어의 문제는 무엇인가? 슬라이딩모드 제어의 문제는 제어입력에 포함된 알려지지 않은 외란 등 비선형 입력으로 인한 채터링의 발생이다. 본 연구는 채터링 발생의 문제를 해결하기 위한 제어 알고리듬에 대하여 고찰하고 채터링을 억제하는 슬라이딩모드 제어기를 설계하고자 한다.
도립진자 중 직선운동형의 단점은 무엇인가? 제어대상으로 활용되는 도립진자의 종류는 직선운동형과 원운동형이 있다. 직선운동형의 경우 직선운동의 거리에 제약을 갖는 단점이 있지만, 대부분의 도립진자 시스템은 직선운동형으로 운반체 위에 수직으로 진자를 세운 형태를 하고 있으며, 운반체의 직선 왕복 운동으로 진자를 안정하게 세우는 것이 목적이다. 마치 손위에 막대기를 올려놓고 쓰러지지 않도록 손을 움직이던 것을 기계적으로 구현하려는 것이다.
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참고문헌 (15)

  1. Utkin, V. I. "Variable Structure Systems with Sliding Modes", IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 22, no. 2, pp. 212-222, 1977. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TAC.1977.1101446 

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  2. Young, K. K. D., "Controller Design for Manipulator Using Theory of Variable Structure Systems", IEEE Transactions on System, Man and Cybernetics, vol. 8, no. 2, pp. 101-109, 1978. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TSMC.1978.4309907 

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  3. Slotine, J. J. and Sastry, S. S., "Tracking Control of Non-linear Systems Using Sliding Surface with Application to Robot Manipulators", International Journal of Control, vol. 38, pp. 465-492. 1983 DOI: http://dx.doi.org/10.1080/00207178308933088 

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  4. Gert-Wim van der Linden and Paul F. Lambrechts, " $H_{\infty}$ Control of an Experimental Inverted Pendulum with Dry Friction", IEEE Control Systems, pp.44-50, August 1993. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/37.229559 

  5. John Nelson and L. Gordon Kraft, "Real Time Control of Inverted Pendulum System Using Complementary Neural Network and Optimal Techniques", Proceedings of the American Control Conference Baltimore, Maryland, pp. 2553-2554, June 1994. 

  6. Choi, S. B., Park, D. W. and Jayasuriya, S., "A Time-Varying Sliding Surface for Fast and Robust Tracking Control of Second-Order Uncertain Systems", Automatica, vol. 30, no. 5, pp. 899-904, 1994. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0005-1098(94)90180-5 

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  7. Lee, M. C., Jin, S. Y. and Lee, M. H., "A Study on the Trajectory Control of a SCARA Robot Using Sliding Mode", Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 19, no. 1, pp. 99-110, 1995. 

  8. M. C. Lee, K. T. Shin, "Development of a Dynamic Simulator for SCARA Robot Using Sliding Mode Control", Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 21, no. 4, pp. 535-548, 1997 

  9. Bernhard Sprenger, Ladislav Kucera, and Safer Mourad,"Balancing of an Inverted Pendulum with a SCARA Robot", IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, vol.3, no. 2, pp.91-97, June 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/3516.686676 

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  10. Young, K. D., Utkin, V. I. and Ozguner, U., "A Control Engineer's Guide to Sliding Mode Control", Control System Technology, IEEE Transactions, vol. 7, no. 2, pp. 328-342, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/87.761053 

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  11. Park, D. W and Choi,, S. B., "Moving Sliding Surfaces for High-Order Variable Structure Systems", International Journal of Control, vol. 72, pp. 960-970, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/002071799220506 

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  12. J. W. Cheon, S. B. Choi, H. J. Song, J. H. Ham, "Position Control of AC Servo Motor Using Sliding Mode Control", Journal of The Korean Society of Precision Engineering, Vol. 12, No. 3, pp. 44-50, March, 2004 

  13. S. J. Lee, H. Park, K. S. Hong, "Sliding-Mode Control of Container Cranes", Journal of Korean Navigation and Port Research, vol. 29, no. 8, pp. 747-753, 2005 DOI: http://dx.doi.org/10.5394/KINPR.2005.29.8.747 

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  14. Lee, J. H., "Seismic Control of Tuned Mass Damper System with MDOF Sliding Mode Control Accounting for the Uncertainties", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 15, no. 1, pp. 235-242, 2011 

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  15. F. L. Lewis. "Applied Optimal Control & Estimation", Prentis Hall, 1992. 

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