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선형 및 비선형 시스템을 위한 외란 관측 기법 개관
Overview of Disturbance Observation Techniques for Linear and Nonlinear Systems 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.5, 2016년, pp.332 - 338  

이국선 (광운대학교 로봇학부) ,  하원석 (광운대학교 로봇학부) ,  백주훈 (광운대학교 로봇학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In industrial applications, there are disturbances and uncertainties that bring unfavorable effects to achieving the desired performance of a closed-loop system. Not surprisingly, many researchers have developed various techniques to attenuate influence of the disturbance. One intuitive idea is to d...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 기존에 제안된 다양한 외란 관측 기법들을 적용된 시스템의 종류(선형/비선형)와 외란 모델을 반영하는 방법에 따라서 소개하였다. 외란 모델을 특별히 언급하지 않는 논문들은 대게 외란의 미분가능성, 미분의 크기 등을 가정한다.
  • 본 논문에서는 대표적인 외란 관측 기법들의 기본 원리를 설명하고, 간단한 예제를 통하여 실제 설계 과정을 요약하고자 한다. 다양한 기법들이 제안되어 있지만 본 논문에서는 핵심 아이디어, 적용된 시스템의 종류, 그리고 외란 모델을 설계에 반영하는 방법에 따라서 분류하였다.
  • 이 기법들의 대표적인 초기 결과로 [1]을 들 수 있다. 이 연구에서는 상수인 외란이 시스템에 작용할 때 최적 제어기의 설계 방법을 다루며, 상수가 아닌 선형 외란 모델에 대한 결과가 후속 연구[2, 3]를 통해서 소개되었다. 위 방법들의 특징은 외란의 영향을 포함하는 상태변수들을 측정 가능한 상태 변수들의 미분으로 대체하고, 이를 관측기 설계 시에 직접 피드스루(f&d through) 한다는 점이다.

가설 설정

  • 그리고 지수함수를 표현할 수 있다. $郎2는 안다고 가정하며, 1차 다항식의 계수, 사인파의 크기 및 위상, 지수함수의 계수는 &의 초기치에 의해 결정되며, 이는 모른다고 가정한다.
  • 응용을 들 수 있다. 다만 이 결과들은 외란이 상수임을 가정하였다. 선형 모델을 갖는 외란에 대한 다른 결과로 [12]를 들 수 있는데, 시스템의 비선형성이 알려진 경우와 그렇지 않은 경우(이 경우 Lipschitz조건 가정)에 대하여 외란 관측기 기반 안정화 제어기를 제안하였고, 안정성을 보장하는 선형행렬부둥식(Linear matrix inequality) 조건을 제시하였다.
  • 많은 문헌에서 외란 衫를 미리 결정된 시간의 함수가 아닌, 시스템의 상태 변수까지 포함하는 덩어리 외란(lumped disturbance)이라 가정한다. 예를 들어 시스템 (1)에서 /(a:) 를 알려진 부분 亍S)와 불확실한 부분『S)로 나누어 쓴 후 (즉, 『伝) =亍(笏)+子(游) 외란을 d{t, x) =d(i) +fM 로 다시 정의한다.
  • 예를 들어 시스템 (1)에서 /(a:) 를 알려진 부분 亍S)와 불확실한 부분『S)로 나누어 쓴 후 (즉, 『伝) =亍(笏)+子(游) 외란을 d{t, x) =d(i) +fM 로 다시 정의한다. 본 논문에서는 특별한 언급이 없을 경우 /(c)를 안다고 가정한다.
  • 외란 d는 시간 t뿐만 아니라 시스템 상태 工에 의존하고 어떤 양수, 세 대하여 < L을 만족한다고 가정하자. 队를 출력 g에 대한 지령이라 하고 추종 오차를 e="c —3/라 흐卜자.
  • g는 출력, d는 외란이다. 외란 d는 시간의 함수로 측정 가능하지 않다고 가정한다.
  • 방법에 따라서 소개하였다. 외란 모델을 특별히 언급하지 않는 논문들은 대게 외란의 미분가능성, 미분의 크기 등을 가정한다. 최근에는 이러한 가정들 보다는 외란의 모델을 적극적으로 반영하는 연구들이 진행되고 있다.
  • 알려진 모델을 고려하는 경우 외란은 발산할 수도 있고, 초기 조건의 집합을 Bm 전체 집합으로 가정할 수도 있다. 특정한 모델을 가정하지 않는 경우에는 보통 외란이나 그 미분의 크기가 제한적이고 그 한계를 안다고 가정한다.
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참고문헌 (22)

  1. C. D. Johnson, "Optimal control of the linear regulator with constant disturbances," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 13, no. 4, pp. 416-421, Aug. 1968. 

  2. C. D. Johnson, "Further study of the linear regulator with disturbances-The case of vector disturbances satisfying a linear differential equation," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 15, no. 2, pp. 222-228, Apr. 1970. 

  3. C. D. Johnson, "Accommodation of external disturbances in linear regulator and servomechanism problems," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 16, no. 6, pp. 635-644, Dec. 1971. 

  4. W. H. Chen, "Disturbance observer based control for nonlinear systems," IEEE Transactions on Mechatronics, vol. 9, no. 4, pp. 706-710, Dec. 2004. 

  5. W. H. Chen, D. J. Ballance, P. J. Gawthrop, and J. O'Reilly, "A nonlinear disturbance observer for robotic manipulators," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no. 4, pp. 932-938, Aug. 2000. 

  6. A. Mohammadi, M. Tavakoli, H. J. Marquez, and F. Hashemzadeh, "Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators," Control Engineering Practice, vol. 21, no. 3, pp. 253-267, Mar. 2013. 

  7. K. Ohnishi, "A new servo method in mechatronics," Transactions of Japanese Society of Electrical Engineers, vol. 107-D, pp. 83-86 (in Japanese), 1987. 

  8. H. Shim and N. H. Jo, "An almost necessary and sufficient condition for robust stability of closed-loop systems with disturbance observer," Automatica, vol. 45, no. 1, pp. 296-299, Jan. 2009. 

  9. J. Back and H. Shim, "Adding robustness to nominal output-feedback controllers for uncertain nonlinear systems: a nonlinear version of disturbance observer," Automatica, vol. 44, no. 10, pp. 2528-2537, Oct. 2008. 

  10. J. Back and H. Shim, "An inner-loop controller guaranteeing robust transient performance for uncertain MIMO nonlinear systems," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 54, no. 7, pp. 1601-1607, Jul. 2009. 

  11. Y. Joo, G. Park, J. Back, and H. Shim, "Embedding internal model in disturbance observer with robust stability," IEEE Transactions on Automatic Control, In Press, 2016. 

  12. L. Guo and W. H. Chen, "Disturbance attenuation and rejection for systems with nonlinearity via DOBC approach," International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 15, pp. 109-125, Feb. 2005. 

  13. K.-S. Kim, K.-H. Rew, and S. Kim, "Disturbance observer for estimating higher order disturbances in time series expansion," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 55, no. 8, pp. 1905-1911, Aug. 2010. 

  14. J. Han, "Extended state observer for a class of uncertain plants," Control and Decision, in Chinese, vol. 10, no. 1, pp. 85-88, 1995. 

  15. H. K. Khalil, Nonlinear Systems, 3rd Ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2002. 

  16. L. B. Freidovich and H. K. Khalil, "Performance recovery of feedback linearization-based designs," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 53, no. 10, pp. 2324-2334, Nov. 2008. 

  17. S. Nazrulla and H. K. Khalil, "Robust stabilization of non-minimum phase nonlinear systems using extended high-gain observers," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 4, no. 56, pp. 802-813, Apr. 2011. 

  18. H. K. Khalil and L. Praly, "High-gain observers in nonlinear feedback control," International Journal of Robust Nonlinear Control, vol. 6, no. 24, pp. 993-1015, Apr. 2014. 

  19. V. I. Utkin, Sliding Modes in Control and Optimization, Springer-Verlag, Berlin, 1992. 

  20. Y. Shtessel, C. Edwards, L. Fridman, and A. Levant, Sliding Mode Control and Observation, Birkhauser, New York, 2014. 

  21. X. Chen, S. Komoda, and T. Fukuda, "Design of a nonlinear disturbance observer," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no. 2, pp. 429-437, Apr, 2000. 

  22. C. T. Chen, Linear System Theory and Design, 3rd Ed., Oxford University Press, New York, 2012. 

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