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고이득 외란 관측기에 기반한 입력 제약 조건이 있는 불확실한 선형 시스템의 강인 추종 제어
Robust Tracking of Constrained Uncertain Linear Systems using a High-gain Disturbance Observer 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.6, 2016년, pp.397 - 402  

윤문채 (고려대학교 전기전자공학부) ,  김정수 (서울과학기술대학교 전기정보공학과) ,  백주훈 (광운대학교 로봇학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a robust tracking control for constrained uncertain linear systems by combining a disturbance observer (DOB) and linear matrix inequality (LMI) based state feedback control. To this end, the state feedback control is designed for the nominal system and then a DOB based feed-forwa...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 제어 목표를 달성하기 위하여 외란 관측기 (disturbance observer)오I LMI (Linear Matrix Inequalities) 기반의 상태 변수 되먹임 제어 기법을 결합하는 제어 기법을 제안한다. 이를 위해 이 장에서는 외부 루프 제어에 이용되는 LNG (Linear Matrix Inequalities) 기반의 상태 변수 되먹임 제어 기법 [12]과 내부 폐루프 제어에 이용되는 외란 관측기[기를 간략히 소개한다.
  • 본 논문은 입력 제약 조건이 있으며, 불확실한 선형 시스템에 대한 강인 추종 제어기를 제안한다. 본 제어기는 외란 관측기 및 선형 부등식 기반의 상태 변수 궤환 제어기로 구성되어 있으며, 선형 부등식을 이용하여 제어기의 파라미터 및 제어기를 사용할 수 있는 초기값의 범위를 한 번에 계산한다.
  • 본 논문의 목표는 제약조건 (2)를 만족하면서 불확실성을 포함한 시스템 ⑴의 출력 y가 % 로 수렴하도록 하는 강인한 주종 제어기(tracking cor血oiler)를 설계하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위하여, 본 논문에서 다룰 시스템 (1)이 아래 가정 1을 만족한다고 가정한다.
  • 다시 말해서, 선형 부등식 기반의 상태 변수 되먹임 제어기와 외란 관측기의 상한의 합이 (2)를 넘지 않도록 결정하는 방법이 필요하다. 이번 절에서는 포화 함수 中(・)의 상한을 결정하기 위한 방법으로 LMI를 이용한 최적화 문제를 제시한다. 이 절에서 제시하는 최적화 문제를 이용하면, 두 제어기의 상한 및 파라미터 뿐만 아니라, 제어 가능한 상태변수의 초기값도 한 번에 결정할 수 있다.

가설 설정

  • 가정 1: 미지의 파라미터 -는 饥 £ [缶, 折' ]를 만족한다. 여기서, < 稅 (i = 이며, 알려진 상수이다.
  • 가정 2는 이차계획법을 통해 공칭 모델 (3)의 정상 상태 출력 y가 %일 때, 정상 상태 입력이 제약 조건을 만족하는지를 확인하는 것이다. 이 이차계획법을 통해 구한 升과은 외부 폐루프인 상태 변수 기반 궤환 제어에서 사용한다.
  • 여기서, < 稅 (i = 이며, 알려진 상수이다. 또한 외란 d와 그 미분 /는 유계이며 상한을 알고 있다고 가정한다.
  • e 眠"는 시스템의 상태 변수, d는 외란을 의미한다. 논문에서 X는 측정 가능하다고 가정한다. 또한 4B, C는 아래와 같다.
  • 제어기(tracking cor血oiler)를 설계하는 것이다. 목표를 달성하기 위하여, 본 논문에서 다룰 시스템 (1)이 아래 가정 1을 만족한다고 가정한다.
  • 증명한다. 정리 1: 가정 1과 가정 2가 성 립한다고 가정하자. 또한, 최적화 문제 (12)의 해가 존재하며, 외란 관측기와 시스템의 초기 상태가 p(0) = 0n , x(0), 以0), q(0) uX를 만족한다고 가정하자.
  • 폐루프 시스템 (14)는 특이 섭동 이剖 10])을 이용하여 안정도 해석을 하기에 적절한 형태이다. 특이 섭동 이론을 적용하기 위해, 느린 변수인 % 와 d가 고정되어 있다고 가정하고, 빠른 변수인 g와 〃에 대한 정상 상태를 구하면 아래와 같다.
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참고문헌 (13)

  1. K. Ohnishi, "New development of servo technology in mechatronics," Trans. of Japanese Society of Electrical Engineers (in Japanese), vol. 107-D, no. 1, pp. 83-86, 1987. 

  2. T. Umeno and Y. Hori, "Robust speed control of DC servomotors using modern two degrees-of-freedom controller design," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 38, no. 5, pp. 363-368, 1991. 

  3. T. Umeno and Y. Hori, "Robust servosystem design with two degrees of freedom and its application to novel motion control of robot manipulators," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 40, no. 5, pp. 473-485, 1993. 

  4. K. S. Eom, I. H. Suh, and W. K. Chung, "Disturbance observer based path tracking control of robot manipulator considering torque saturation," Mechatronics, vol. 11, no. 3, pp. 325-343, 2001. 

  5. S. Katsura, K. Irie, and K. Ohishi, "Wideband force control by position-acceleration integrated disturbance observer," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 4, pp. 1699-1706, 2008. 

  6. J. R. Ryoo, T. Y. Doh, and M. J. Chung, "Robust disturbance observer for the track-following control system of an optical disk drive," Control Engineering Practice, vol. 12, no. 5, pp. 577-585, 2004. 

  7. 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, 2008. 

  8. J. Back and H. Shim, "Deign of nonlinear disturbance observer guaranteeing global stability and robust stability condition," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 12, pp. 1188-1193, 2011. 

  9. J. W. Lee, W. H. Kwon, and J. Choi, "Exponential stability of constrained receding horizon control with terminal ellipsoid constraints," Automatic Control, IEEE Transactions on, vol. 45, no. 1, pp. 83-88, 1998. 

  10. H. K. Khalil, and J. W. Grizzle, Nonlinear Systems, Prentice hall, New Jersey, 1996. 

  11. D. E. Kirk, Optimal Control Theory: An Introduction. Courier Corporation. 

  12. S. Boyd, L. El Ghaoui, E. Feron, and V. Balakrishnan, Linear Matrix Inequalities in System and Control Theory, SIAM, 1994. 

  13. S. Li, J. Yang, W.-H. Chen, and X. Chen, Disturbance Observer-Based Control: Methods and Applications, CRC Press, 2014. 

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