[논문]새로운 구조의 강건한 외란관측기 설계

박주광

doi:10.9766/kimst.2016.19.3.387

[국내논문] 새로운 구조의 강건한 외란관측기 설계
A Design of the New Robust Disturbance Observer 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.19 no.3, 2016년, pp.387 - 394

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new disturbance observer(DOB). The purpose of the DOB is to realize the plant performing like a model in the presence of disturbances which come from external environment and inherent nonlinearities and uncertainties in the plant. It is shown that the proposed DOB compensates those disturbances, nonlinearities and uncertainties, effectively. And it is theoretically proved that the proposed DOB can be guaranteed its stability for the stable plant. Its availability is shown by applying the DOB to the stabilization platform for EOTS(Electro Optical Tracking System).

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AI 본문요약
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문제 정의

외란관측기는 외부에서 플랜트로 인가되는 외란과 플랜트 내부의 마찰 및 모델에 포함되지 못한 불확실성 등을 포함하는 경우에도 모델과 같이 동작하도록 하는 것이 목적이다. 외란관측기는 Inverse dynamic 제어이론을 기반으로 Ohnishi^[1]에 의하여 제안되었다.
본 논문에서는 새로운 강건한 외란관측기 구조를 제안하였으며, 주파수영역에서의 설계방법을 제시하였다. 외란관측기는 플랜트 불확실성을 관측하고 보상하는 내부루프 및 시스템 성능을 확장시키기 위한 외부루프로 구성된다.
본 논문에서는 새로운 구조의 강건한 외란관측기구조를 제안하였으며, 주파수영역에서 고전제어이론을 바탕으로 설계방안을 제시하였다. 제안된 외란관측기는 안정한 플랜트에 대하여 내부 안정도가 보장됨을 보였으며, EOTS의 안정화구동기에 적용하여 불확실성 보상 및 성능개선 결과를 보였다.

제안 방법

제안된 외란관측기로 구성된 내부루프는 플랜트에 발생하는 외란 및 불확실성을 감지하고 제어신호를 발생함으로서 제어성능을 개선한다. 또한 실제 플랜트 동특성이 모델 동특성으로 변환됨과 외란 감쇄효과를 전자광학추적기(Electro Optical Tracking System, EOTS)^[7,8]의 안정화구동장치(Stabilized Platform)에 적용하고 분석하였다.
본 절에서는 Fig. 2와 같은 새로운 구조의 외란관측기를 제안하였다. 여기서 K_g는 입력이득상수로서 외란관측기의 이득을 조절하는 요소이다.
본 논문에서 제안한 외란관측기는 Gc(s)의 설계에 따라 외란감쇄 특성이 변화한다. |G_c(s)P(s)|가 단위 이득보다 크도록 |G_c(s)|를 크게 선정한 경우를 가정하자.
제안된 DOB를 안정화루프(stabilization loop)에 적용하여 제어기를 구성하였다. 내부 짐발은 여러 가지 영상센서를 제한된 공간에 배치하여 큰 값의 관성행렬의 off-diagonal 항들이 존재한다.
6은 식 (21)과 식 (22)의 외란관측기를 블록도이다. 여기서 외란관측기 파라미터는 쌍선형변환(bilinear transformation)을 통하여 디지틀화하였다. 안정화 제어기 출력은 식 (21)의 플랜트 모델을 통하여 자이로 신호와 비교되고, 이 오차는 식 (22)의 외란관측기를 통하여 보상신호를 발생한다.
적분기에 포함되어있는 제한기는 적분기 anti-windup을 목적으로 설치하였다. 첫 번째 적분기의 제한기는 제어기 이득 K_DK 을 통과한 적분기 출력이 D/A 변환기를 포화시킬 수 있는 값으로 설정하였으며, 마지막 적분기의 제한기는 적분기 출력이 D/A 변환기를 포화시킬 수 있는 값으로 설정하였다.
외란관측기 도입으로 안정화구동기의 불확실성 보상 및 대역폭 증가로 기준입력에 대한 상승시간이 감소하며, 위상여유 증가로 인하여 오버슈트가 감소한다. 측정신호는 D/A 변환기에서 측정하였으며, DOB 보상신호로 인하여 잡음이 큰 것과 같이 측정되었다.

이론/모형

외란관측기는 외부에서 플랜트로 인가되는 외란과 플랜트 내부의 마찰 및 모델에 포함되지 못한 불확실성 등을 포함하는 경우에도 모델과 같이 동작하도록 하는 것이 목적이다. 외란관측기는 Inverse dynamic 제어이론을 기반으로 Ohnishi^[1]에 의하여 제안되었다. Umeno와 Hori^[2] 및 Shin과 Yamada^[3] 등은 2 자유도 제어이론을 이용한 외란관측기를 설계하였다.
내부 안정도 이론^[9]에 따라 제안된 외란관측기의 안정도를 분석하였다. Fig.

성능/효과

외란관측기는 플랜트 불확실성을 관측하고 보상하는 내부루프 및 시스템 성능을 확장시키기 위한 외부루프로 구성된다. 제안된 외란관측기로 구성된 내부루프는 플랜트에 발생하는 외란 및 불확실성을 감지하고 제어신호를 발생함으로서 제어성능을 개선한다. 또한 실제 플랜트 동특성이 모델 동특성으로 변환됨과 외란 감쇄효과를 전자광학추적기(Electro Optical Tracking System, EOTS)^[7,8]의 안정화구동장치(Stabilized Platform)에 적용하고 분석하였다.
또한 구동축의 베어링에서 발생되는 마찰과 외부에서 인가되는 진동에 의한 품질저하를 발생한다. 본 논문에서는 이러한 성능저하 요소가 존재함에도 안정하게 동작하면서 성능이 개선됨을 보였다.
따라서 위상은 더욱 높은 주파수에서 -180°를 통과한다. 이에 따라 제안된 외란관측기를 적용하므로서 더욱 높은 대역폭을 구현할 수 있었다.
본 논문에서는 새로운 구조의 강건한 외란관측기구조를 제안하였으며, 주파수영역에서 고전제어이론을 바탕으로 설계방안을 제시하였다. 제안된 외란관측기는 안정한 플랜트에 대하여 내부 안정도가 보장됨을 보였으며, EOTS의 안정화구동기에 적용하여 불확실성 보상 및 성능개선 결과를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자광학추적장비란?	전자광학추적장비(Electro Optical Tracking System, EOTS)[7,8]는 항공기나 함정, 차량 등에 탑재되며, 플랫폼의 운항이나 엔진 등에 의하여 발생하는 진동이 인가되어도 흔들림 없는 안정화된 영상을 획득하고, 표적을 자동추적하는 장비이다.
	제안된 외관관측기는 절점주파수 부근에서 어떤 역할을 하는가?	식 (24)로 보상한 경우 이득은 절점주파수(cutoff frequency) 부근에서 자이로의 영향으로 -20 dB/decade 이상의 기울기로 감소하지만, 제안된 외란관측기로 보상한 경우 절점주파수 부근에서 -20 dB/decade의 기울기로 감소한다. 여기서 제안된 외란관측기는 플랜트 동특성을 모델 동특성으로 변환시키기 위하여 일종의 진상 역할을 하게 된다. 따라서 위상은 더욱 높은 주파수에서 -180°를 통과한다.
	외란관측기의 목적은?	외란관측기는 외부에서 플랜트로 인가되는 외란과 플랜트 내부의 마찰 및 모델에 포함되지 못한 불확실성 등을 포함하는 경우에도 모델과 같이 동작하도록 하는 것이 목적이다. 외란관측기는 Inverse dynamic 제어이론을 기반으로 Ohnishi[1]에 의하여 제안되었다.

참고문헌 (9)

K. Ohnishi, "A New Servo Method in Mechatronics," Trans. Japanese Society of Electrical Engineers, Vol. 107D, pp. 83-86, 1987.
T. Umeno, T. Kaneko and Y. Hori, "Robust Servosystem Design with Two Degree of Freedom and its Application to Novel Motion Control of Robot Manipulator," IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 40, No. 5, pp. 473-485, 1993.

상세보기
H. S. Shin, K. Fujiune, T. Suzuki, S. Okuma, K. Yamada, "Positioning Control of Direct Drive Rorot with Two-degree-of-freedom Compensator," IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, pp. 3137-3142, 1995.
M. Tomizuka, "Robust Digital Motion Controllers for Mechanical Systems," Robotics and Autonomous System, pp. 143-149, .
Y. J. Choi, K. J. Yang, W. K. Chung, H. R. Kim, I. H. Suh, "On the Robustness and Performance of Disturbance Observer for Second-order System," IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 48, pp. 315-320, 2003.

상세보기
B. K. Kim, W. K. Chung, "Advanced Disturbance Observer Design for Mechanical Pointing Systems," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 50, pp. 1207-1216, 2003.

상세보기
J. K. Park, S. Jung, "An Experimental Study on Coordinates Tracker Realization for EOTS Slaved to the Radar of a Helicopter," ICASE, Vol. 11, pp. 369-377, 2005
J. K. Park, Y. G. Bae, and S. Jung, "Experimental Studies of a Time-delayed Controller to Stabilize Image Stabilization System," ICASE, Vol. 13, pp. 58-64, 2007.
John C. Doyle, Bruce A. Francis, Allen R. Tannenbaum, Feedback Control Theory, Macmillan Publishing Company, 1992.

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