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유압실린더의 위치제어를 위한 시스템 인식을 통한 FRF 기반의 제어기 설계 방법
FRF based Position Controller Design through System Identification for A Hydraulic Cylinder 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.11, 2015년, pp.1113 - 1121  

서형규 (서울과학기술대학교 기계설계로봇공학과) ,  김동환 (서울과학기술대학교 기계설계로봇공학과) ,  박종원 (한국기계연구원)

초록
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본 논문은 소형 6축 가진기에 적용되는 유압 실린더의 위치제어를 위한 제어기 설계 방법을 제안하였다. 먼저, 가진기의 움직임을 정확히 제어하기 위해서 각각의 유압 실린더의 정확한 위치 제어가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 FRF(Frequency Response Function)을 적용한 시스템 인식 기법을 이용하여 유압 실린더의 위치 제어를 위한 제어기 알고리즘을 제안하였다. FRF는 액튜에이터의 입력에 따른 출력의 거동을 확인한 후, 전달함수를 계산하고 최종적으로 새로운 제어 입력을 생성하는 방법이다. 최종 결과는 PID 제어기와 비교하여 성능을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we have focused on the design of a controller and an operating program for the operation of the hydraulic actuators used in a shaker. To control the motion of the shaker accurately, the position of each hydraulic cylinder should be controlled precisely even under an uncertain environm...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 다음으로는 여러 가지 주파수가 혼합되어 있는 신호를 이용하여 FRF 알고리즘에 적용해 보았다. FRF가 주파수 분석을 통한 시스템 인식 기법이므로 다양한 주파수에 대해서 검증을 해 보았다.
  • 먼저 가진기의 움직임을 정확히 제어하기 위해서는 각축의 유압 실린더의 위치를 정확히 제어 할 수 있어야 한다. 만약 한 축의 위치에서 오차가 발생한다면 전체 움직임이 틀어지면서 정확한 운동을 구현할 수 없기 때문에 정확한 유압실린더의 위치제어를 최종 목표로 하였다. 유압실린더의 위치제어를 위한 제어알고리즘의 기본 개념은 FRF (Frequency Response Function)을 이용한 개회로 제어(Open Loop Control)이다.
  • 본 논문에서는 소형 6축 가진기에 사용되는 유압 실린더의 정확한 위치제어를 위하여 FRF를 이용한 시스템 인식기법의 제어 알고리즘을 제안하였다. 그리고 제안한 알고리즘을 실제 유압시스템에 적용시켜 그 결과와 성능을 확인하였다.
  • 본 연구는 유압 실린더의 입출력 신호를 FRF를 이용하여 시스템의 전달함수를 계산하는 것이 목적이다. 최종적으로 이를 통해 원하는 제어 목표를 그대로 추종할 수 있도록 하는 새로운 제어입력을 생성하는 것이다.
  • 본 연구에서 제안한 방식을 기초로 하여 빠른 시간 내(100~200 msec)에 목표 값을 추정하기 위한 제어시스템에 효과적인 제어 기법이 FRF 기반 제어 방식임을 추가적으로 제시하고자 한다. 실험은 서보모터를 사용하여 목표 가속도를 추종하는지 확인하는 실험이다.
  • 본 연구에서는 6 DOF 가진기에 사용되는 액튜에이터의 구동을 위한 제어기 설계와 시스템 제어 운영 프로그램 구현에 초점을 맞추었다. 먼저 가진기의 움직임을 정확히 제어하기 위해서는 각축의 유압 실린더의 위치를 정확히 제어 할 수 있어야 한다.
  • 본 연구에서 제안한 방식을 기초로 하여 빠른 시간 내(100~200 msec)에 목표 값을 추정하기 위한 제어시스템에 효과적인 제어 기법이 FRF 기반 제어 방식임을 추가적으로 제시하고자 한다. 실험은 서보모터를 사용하여 목표 가속도를 추종하는지 확인하는 실험이다. Fig.
  • 이번에는 제어 목표 신호의 주파수 성분보다 적은 수의 주파수 성분을 가진 신호를 이용하여 시스템 인식을 하였을 때의 결과를 알아보기 위하여 실험하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
FRF이란 무엇인가? 따라서 본 논문에서는 FRF(Frequency Response Function)을 적용한 시스템 인식 기법을 이용하여 유압 실린더의 위치 제어를 위한 제어기 알고리즘을 제안하였다. FRF는 액튜에이터의 입력에 따른 출력의 거동을 확인한 후, 전달함수를 계산하고 최종적으로 새로운 제어 입력을 생성하는 방법이다. 최종 결과는 PID 제어기와 비교하여 성능을 확인하였다.
시스템 인식 기법에 기반 한 제어방식의 장점은? 마지막으로 식 (19)의 신호를 푸리에 역변환을 통해 시간영역의 신호로 변환 한 후 실제 시스템에 적용시킨다. 이와 같은 시스템 인식 기법에 기반 한 제어방식은 특정 신호 (비교적 많은 주파수를 포함한 신호)를 플랜트에 인가시켜 입력과 출력의 측정값으로 Spectral density를 계산하기 때문에 전달함수의 계산이나 추정이 비교적 정확하고 간단해지는 장점이 있다.
6축 가진기는 어떤 시스템으로 구성되어 있으며, 어떤 운동을 구현할 수 있는가? 1과 같이 6개의 실린더를 사용하는 6축 가진기이다. 유압시스템(Hydraulic system) 으로 구성 되어 있으며, Roll, Pitch, Yaw 의 회전 운동과 X, Y, Z 축으로의 병진운동을 구현할 수 있다. 따라서 가진기의 기구학 및 동역학 모델링을 구현하고 이 결과로 부터 6 자유도 운동을 위한 각각의 유압 실린더의 입력을 결정해야 한다.
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참고문헌 (10)

  1. Cuyper, J. De, Coppens, D., Liefooghe, Swevers, C. J. and Verhaegen, M., 1999, "Advanced Drive File Development Methods for Improved Service Load Simulation on Multi Axial Durability Test Rigs," European Journal of Mechanical and Environment Engineering A, Vol. 44, No. 1, pp. 27-39. 

  2. Cuyper, J. De, Keersmaecker, H. De, Swevers, J. and Coppens, D., 1999, "Design of a Multivariable Feedback Control System to Drive Durability Test Rigs in the Automotive Industry," Proceedings of the European Control Conference, Aug 31-Sep 3, Karlsruhe, Germany, Vol. 40, No. 2, pp. 13-19. 

  3. Ljung, L., 1999, "System Identification : Theory for the User," Upper Saddle River. 

  4. Bendat, J. S. and Piersol, A. G., 1980, "Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis," Wiley. 

  5. Printelon. R. and Schoukens. J., 2001, "System Identification : a Frequency Domain Approach," Wiley-IEEE Press 

  6. Torii, T., 1997, "Measurement and Signal Processing," Corona Publishing Co. 

  7. Ogata, K., 1987, "Discrete Time Control Systems," Prentice Hall. 

  8. Cuyper, J. De, Verhaegen, M. and Swevers, J., 2002, "Off Line Feed Forward and $H_{\infty}$ Feedback Control on a Vibrating Rig," Control Engineering Practice, Vol. 11, Vol. 2, pp. 129-140. 

  9. Vaes, D., Smolders, K., Swevers, J. and Sas, P., 2005, "Multivariable Control for Reference Tracking on Half Car Test Rig," IEEE Conference on Decision and Control, Vol. 44, No. 7, pp. 6498-6503. 

  10. Merritt, H. E., 1967, "Hydraulic Control System," JOHN Wiley & Sons. 

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