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볼-빔 시스템에서 AC 와 DC 노이즈가 포함된 상태 궤환 제어기 설계 및 분석
Design and Analysis of a State Feedback Controller for a Ball and Beam System under AC and DC Noise 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.6, 2014년, pp.641 - 646  

오상영 (동아대학교 전기공학과) ,  최호림 (동아대학교 전기공학과)

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In this paper, we propose a controller for a ball and beam system which reduces the measurement error effect under AC and DC noise. The ball and beam system measures data through a sensor. If sensor noise is included in a controller via the feedback channel, the signal is distorted and the entire sy...

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  • 그리고 위치센서에 잡음이 포함되어 임의의 AC와 DC 측정 노이즈가 발생함을 가정하였다. AC 측정 노이즈는 미지의 정현파 함수로, DC 측정 노이즈는 알 수 없는 상수 값으로 나타남을 가정하고 볼-빔 시스템에 제안된 제어기를 적용하였다. 또한 추가적으로 스위칭 제어 기법을 적용하여 수렴속도를 개선하였다[10].
  • Remark 2: 일반적으로 AC 측정 노이즈는 정현파 함수에 대한 사례를 주로 가지고 있다[2,8]. AC 측정 노이즈는 미지의 정현파 함수로, DC 측정 노이즈는 임의의 상수 값으로 나타남을 가정하였다. 기존의 논문 [2,8] 에서는 알고 있는 외부 시스템으로부터 발생하는 정현파 AC 측정 노이즈를 가정하여 에러의 크기와 주파수를 알 수 있음을 가정한 반면, 우리의 경우는 미지의 α1, ω1 를 가정하고 추가적으로 DC 측정 노이즈로 인해 발생하는 알 수 없는 d1 를 더하여 노이즈에 대한 조건을 더 일반화시켰다.
  • Assumption 1: 볼-빔 시스템에서 위치센서의 오작동으로 상태변수 ξ1 에 포함되는 측정 노이즈를 다음과 같은 AC와 DC 성분으로 나타남을 가정한다.
  • 그리고 d1, α1, ω1 는 알 수 없는 임의의 값으로 가정한다.
  • 볼-빔 시스템에 입-출력 궤환선형화(input-output feedback linearization) 기법을 통하여 시스템의 비선형적인 요소를 선형화 시킨 후 이득조절 요소와 보상기를 적용한 제어기를 설계한다. 그리고 위치센서에 잡음이 포함되어 임의의 AC와 DC 측정 노이즈가 발생함을 가정하였다. AC 측정 노이즈는 미지의 정현파 함수로, DC 측정 노이즈는 알 수 없는 상수 값으로 나타남을 가정하고 볼-빔 시스템에 제안된 제어기를 적용하였다.
  • 따라서 위치센서에 측정 노이즈의 영향을 제어하고 제어기의 효과를 검증하기 위해 ξ1에 측정 노이즈가 포함되었음을 가정하였다.
  • 본 논문에서는 볼-빔 시스템의 위치 센서에 AC와 DC 측정 노이즈가 발생함을 가정한다. 볼-빔 시스템에 입-출력 궤환선형화(input-output feedback linearization) 기법을 통하여 시스템의 비선형적인 요소를 선형화 시킨 후 이득조절 요소와 보상기를 적용한 제어기를 설계한다.
  • 본 논문에서는 위치센서의 오작동으로 상태변수 ζ1 에 미지의 정현파 형태의 AC 측정 노이즈와 알 수 없는 DC 측정 노이즈가 볼-빔 시스템에 포함되었음을 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
볼-빔 시스템이란 무엇인가? 볼-빔(ball and beam) 시스템은 모터와 빔이 연결되어 모터의 제어를 통해 볼의 위치를 제어하는 시스템이다. 로봇, 선박 및 비행체의 자세 제어 등에 기본이 되는 볼-빔 시스템은 비선형적인 요소를 포함하고 있기 때문에 불안정한 시스템의 안정화에 다양하게 응용이 가능하다[7].
볼-빔 시스템이 불안정한 시스템의 안정화에 다양하게 응용이 가능한 이유는 무엇인가? 볼-빔(ball and beam) 시스템은 모터와 빔이 연결되어 모터의 제어를 통해 볼의 위치를 제어하는 시스템이다. 로봇, 선박 및 비행체의 자세 제어 등에 기본이 되는 볼-빔 시스템은 비선형적인 요소를 포함하고 있기 때문에 불안정한 시스템의 안정화에 다양하게 응용이 가능하다[7]. 볼-빔 시스템은 센서를 통해 데이터들을 측정하고 시스템이 동작하게 되는데 센서 잡음이 포함되면 궤환(feedback) 신호를 왜곡시키고 이로 인하여 볼-빔 시스템이 정상적으로 작동할 수 없게 만든다[5].
볼-빔 시스템에서 측정 노이즈에 대한 영향을 최소화 하기 위해 센서 잡음이 포함된 데이터들을 분석 처리하는 조치가 필수적인 이유는 무엇인가 로봇, 선박 및 비행체의 자세 제어 등에 기본이 되는 볼-빔 시스템은 비선형적인 요소를 포함하고 있기 때문에 불안정한 시스템의 안정화에 다양하게 응용이 가능하다[7]. 볼-빔 시스템은 센서를 통해 데이터들을 측정하고 시스템이 동작하게 되는데 센서 잡음이 포함되면 궤환(feedback) 신호를 왜곡시키고 이로 인하여 볼-빔 시스템이 정상적으로 작동할 수 없게 만든다[5]. 따라서 이러한 측정 노이즈에 대한 영향을 최소화 하기 위해 센서 잡음이 포함된 데이터들을 분석 처리하는 적절한 조치가 필수적이다[2,3,8].
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참고문헌 (11)

  1. C.-T. Chen, Linear System Theory and Design, 3rd Ed., Oxford University Press Inc., 1999. 

  2. Z. Chen, "A remark on sensor disturbance rejection of nonlinear systems," IEEE Transactions on Automatic. Control, vol. 54, no. 9, pp. 2206-2210, 2009. 

  3. S. Gayaka and B. Yao, "Global stabilization of a chain of integrators with input saturation and disturbances," American control conference, O'Farrell Street, San Francisco, CA, USA, Jun. 29-July 01, 2011. 

  4. H.-D. Kim and H.-L. Choi, "An output feedback controller for a ball and beam system under measurement noise of feedback sensor," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 10, pp. 955-959, 2011. 

  5. H. K. Khalil, Nonlinear Systems, 3rd Ed., Prentice Hall Inc., 2002. 

  6. S.-Y. Oh and H.-L. Choi, "Design and analysis of a switching state feedback controller to reduce the measurement error effect for a chain of integrators system under ac and dc noise," Journal of Institute of Control, Robotics and System, vol. 20, no. 1, pp. 12-17, Jov. 2014. 

  7. Quanser, "Ball and beam user manuals," 2008. 

  8. A. Serrani, A. Isidori, and L. Marconi, "Semi-global nonlinear output regulation with adaptive internal model," IEEE Trans. Autom. Control, vol. 46, no. 8, pp. 1178-1194, 2001. 

  9. J.-S. Youn and H.-L. Choi, "Fault-tolerant controller design for ball and beam system," Korea Automatic Control Conference, BEXCO, Busan, pp. 416-419, Sep. 02-Sep. 04, 2009. 

  10. D.-H. Yeom and J.-Y. Choi, "Switching control for second order nonlinear systems using singular hyperplanes," Journal of Control, Automation, and Systems Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 124-135, Feb. 2006. 

  11. W. Yu and F. Ortiz, "Stability analysis of pd regulation for ball and beam system," IEEE Conference on. Control Application, pp. 517-522, Aug. 28-Aug.-31, 2005. 

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