디젤엔진 제어기 파라미터 최적화 알고리즘

강원모(Weonmo Kang),안창선(Changsun Ahn) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

내연기관은 최적의 효율을 내는 회전속도를 가진다. 회전속도를 외란에 대응하여 일정하게 유지시켜줄 수 있는 제어기를 가진다면 디젤엔진은 최적의 효율로 동작, 연료 사용량을 최소화하며 원하는 출력을 얻을 수 있다. 이를 위해 디젤엔진의 회전속도를 제어할 수 있는 제어기가 필요하다. 디젤엔진을 제어하는 PID 제어기의 파라미터 튜닝을 엔지니어가 직접 수행하는 방식이 아니라 자동화된 알고리즘으로 수행할 수 있다면, 목표 성능 이상의 엔진을 안정적으로 만들어 낼 수 있을 것이다. 이를 위해서 디젤엔진 제어기 파라미터 최적화 알고리즘을 연구했다. 이번 연구는 PID제어기의 파라미터를 특정 회전 속도, 입력되는 외란의 크기에 따라 파라미터를 구하고 파라미터 맵을 만들어 엔진을 제어하는 상황을 바탕으로 최적화 알고리즘(Fig. 1)을 연구하였다. 우선 PID제어기를 튜닝하기 전 디젤엔진의 특성과 외란에 의한 변화를 반영하는 모델을 구할 필요가 있다. 이를 위해 재귀 최소 제곱(RLS)방식을 사용하여 디젤엔진에 가해지는 외란의 크기에 따라 엔진의 모델을 구할 수 있었다. 이렇게 구한 시스템을 사용자가 원하는 성능을 만족하는 PID제어기를 튜닝하는 방법으로는 입자 군집 최적화(PSO)을 선택했다. PSO (Fig. 2) 불규칙하게 입자들을 뿌리고 입자들에 의한 결과값에 cost를 지정 최소의 cost를 가지는 위치로 입자들이 이동, 최적의 값을 찾아내는 방법이다. 한 입자가 거쳐온 위치 중 최소의 cost를 가지는 위치를 particle best, 모든 입자를 통틀어서 최소의 cost를 가지는 위치는 global best이다. 두가지 위치 값과 입자가 가지고 있는 기존의 속도를 반영하여 입자들의 속도를 새롭게 정해준다. 이를 통해 입자는 최소의 cost를 가지는 장소를 찾아 움직이게 되고 원하는 값을 찾을 수 있게 된다. 이번 연구에서는 외란이 엔진에 적용되더라도 엔진의 회전 속도를 일정하게 유지해주는 제어기를 설계하는 것을 목표로 하고 PSO의 cost를 설정했다. 연구의 결과 (Fig. 3)에서 볼 수 있는 것과 같이 외란에 대응하여 엔진회전속도를 일정하게 유지해주는 제어기 파라미터가 최적화가 잘 수행된 모습을 확인할 수 있다. 이번 연구를 활용한다면 디젤 엔진을 제어기의 파라미터를 자동으로 최적화하며 일정한 성능을 발휘하는 엔진을 생산하고 사용하는데 도움일 될 것이다.

이공학편 : 이산시간 시스템에서 경로점 추정기법을 적용한 비선형 최적제어 알고리즘

조동현 ( Dong Hyurn Cho ) 공군사관학교 2013 空士論文集 Vol.64 No.2

이 논문에서는 이산시간 시스템에서 비선형 최적제어기법 중 하나인 SBS(Successive Backward Sweep)알고리즘에 경로점 추정기법(Waypoints Scheme)을 결합하여 보다 안정적으로 수렴된 최적 해를 얻을 수 있는 비선형 최적제어 알고리즘을 제안하였다. 일반적으로 이산시간 시스템에서 최적 제어 알고리즘을 적용함으로써 적분기의 동특성과 이산화된 비선형 최적제어기법 사이의 불일치로 부터 발생하는 경계조건 오차를 감소시킬 수 있다. 그리고 최적제어기법 중 SBS 알고리즘이 쉽게 다른 알고리즘과 결합시켜 사용할 수 있다는 장점을 이용하여, 경로점 추정기법을 SBS 알고리즘에 적용하여 새로운 비선형 최적제어 알고리즘을 개발하였다. 경로점 추정기법을 통해 경로점들을 미리 생성한 후, 각 경로점 사이에서 SBS 알고리즘을 적용하기 때문에, 전체 시스템의 비선형성을 감소시키거나 장시간 시뮬레이션이 요구되는 최적제어 알고리즘에 보다 효율적으로 수렴된 최적해를 얻을 수 있다. 비선형성이 강하면서 장시간 시뮬레이션이 요구되는 Hypersensitive 최적제어 문제에 위 알고리즘을 적용함으로써 성능을 검증하였다. Generally, highly nonlinear optimal control problems posed over long time simulation are difficult to solved due to numerical sensitivity issues. However, Introduction of a waypoint scheme can reduce sensitivity by restricting the integration domain in each segment or stage and coupling of the discretization scheme to derivation the necessary conditions can reduce the terminal boundary error. I check the performance of this algorithm by simulating hypersensitive problem. Hypersensitive problem is difficult to solve by using a general optimal control algorithm because it involves a highly nonlinear system and a long time duration. The discretized SBS method with a waypoint scheme proves useful for solving this problem.

다단계 목표계획법을 이용한 복합구조제어시스템의 통합최적설계

박관순,고현무,옥승용 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.5

이 연구에서는 지진하중을 받는 빌딩구조물에 대한 복합구조제어시스템의 최적설계방법을 제시한다. 복합구조제어시스템의 설계는 구조물의 부재뿐만 아니라 수동제어시스템 및 능동제어시스템의 용량 및 위치 최적화 과정으로 정의된다. 최적설계는 이 연구에서 제안된 다단계 목표계획법(Multi-Stage Goal Programming)을 이용하여 최적화문제를 정식화하고 목표갱신 유전자알고리즘(Goal-Updating Genetic Algorithm을 적용하여 합리적인 최적화를 진행해가는 과정으로 구성된다. 다단계 목표계획법에서는 구조물의 층간 상대변위와 제어시스템의 용량에 대한 설계목표를 여러 단계로 선정하고, 각 물리량과 설계목표간의 정규화된 거리 합으로서 목적함수를 정의한다. 목표갱신 유전자알고리즘은 각 단계별 설계목표를 만족하는 최적해를 검색하고, 현 단계의 모든 설계목표를 만족하는 최적해가 존재할 경우 설계목표를 순차적으로 갱신함으로써 보다 상위수준의 설계목표로 접근해 나아간다. 지진하중을 받는 9층의 빌딩구조물에 대한 수치 예를 통하여 복합구조제어시스템의 통합최적설계 과정을 기술하였고, 구조부재, 수동 및 능동제어시스템이 균등분포된 구조물과 최적 설계결과를 비교하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다. An optimal design method for hybrid structural control system of building structures subject to earthquake excitation is presented in this paper. Designing a hybrid structural control system may be defined as a process that optimizes the capacities and configuration of passive and active control systems as well as structural members. The optimal design proceeds by formulating the optimization problem via a multi-stage goal programming technique and, then, by finding reasonable solution to the optimization problem by means of a goal-updating genetic algorithm. In the multi-stage goal programming, design targets(or goals) are at first selected too correspond too several stages and the objective function is th n defined as the sum of the normalized distances between these design goals and each of the physical values, that is, the inter-story drifts and the capacities of the control system. Finally, the goal-updating genetic algorithm searches for optimal solutions satisfying each stage of design goals and, if a solution exists, the levels of design goals are consecutively updated to approach the global optimal solution closest too the higher level of desired goals. The process of the integrated optimization design is illustrated by a numerical simulation of a nine-story building structure subject to earthquake excitation. The effectiveness of the proposed method is demonstrated by comparing the optimally designed results with those of a hybrid structural control system where structural members, passive and active control systems are uniformly distributed.

LQR 제어이득의 효율적 산정에 의한 능동텐던 구조물의 최적화

조창근,권준명,정인규,박문호,Cho, Chang-Geun,Kyun, Jun-Myong,Jung, In-Kju,Park, Moon-Ho 한국공간구조학회 2008 한국공간구조학회지 Vol.8 No.4

본 논문의 목적은, LQR 제어이득의 효율적 산정에 의한 지진하중을 받는 빌딩 구조물의 능동지진제어를 위하여 능동텐던 장치를 적용한 구조물의 지진응답제어를 위한 최적화 방법을 제시한 것이다. 텐던을 이용한 구조물 지진응답제어 문제의 정식화를 위해 Ricatti 폐회로 제어이론 및 위상보정에 의한 시간지연현상을 도입하였으며, 상태방정식의 해를 산정하기 위해 전달 행렬을 이용한 수치해석법을 이용 사다리꼴적분법에 의해 상태벡터의 해를 산정하였다. 성능지수의 최적화를 위해, 최소 가중행렬비를 설계변수로, IBC 2000의 허용층간변위 규정과 텐던의 최대제어력을 제약조건으로 하여, SUMT 기법에 의해 최적 해를 산정토록 최적제어 프로그램을 개발하였다. 8층 빌딩구조물에 대한 적용 예에서, 최적제어를 적용한 시스템이 비제어 시스템에 비해 층간제어효과가 우수하고, 일정 가중행렬비 적용 제어시스템에 비해 낮은 성능지수가 요구되었다. The objective of current study is to develop an optimization technique for the seismic actively controlled building structures using active tendon devices by an efficient solution of LQR control gain. In order to solve the active control system, the Ricatti closed-loop algorithm has been applied, and the state vector has been formulated by the transfer matrix and solved by a numerical technique of the trapezoidal rule. The time-delay problem has been also considered by phase compensation. To optimize the performance index, the ratio of the weighted matrix is the design variable, allowable story drift limits of IBC 2000 and tendon forces have been applied as restraint conditions, and the optimum control program has been developed with the algorithm of the SUMT technique. In examples of the optimization problem of eight stories shear buildings, it is evaluated that the optimum controlled building is more suitable in the control of earthquake response than the uncontrolled system and can reduce the performance index to compare with the controlled system with a constant ratio of the weighted matrix.

최적 제어 기반 자율 주행 차량의 최적 속도 프로파일 탐색 기법 연구

김택수(Tacksu Kim),박도현(Dohyun Park),이웅(Woong Lee),김남욱(Namwook Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

차량 산업의 지속적인 발전으로 차량은 일상적인 이동 및 운송수단으로서 매우 중요한 역할을 하고 있지만, 교통량 증가로 인한 교통 혼잡 문제, 배기 가스로 인한 대기 오염 및 에너지 고갈 문제 등과 같은 문제점들이 함께 수면위로 떠오르고 있다. 교통 혼잡 문제를 해결하기 위해서 교통공학에서의 신호 및 교통흐름과 관련된 연구도 진행이 되고 있지만, 자율주행차량에서의 차량이 능동적으로 주변 상황을 관측하고 판단하여 제어하는 기술을 적용하여 문제를 해결할 수 있다. 자율주행차량은 운전자의 주행 부담을 줄일 수 있으며, 산업적인 측면에서는 트럭 등과 같은 상용차의 무인화를 통해 인건비 절감, 운전자의 주행 피로로 인한 사고 증감 등의 문제를 해결할 수 있는 솔루션이 될 수 있다. 한편, 대기 오염 및 에너지 고갈 등과 같은 문제를 해결하기 위하여 차량의 전동화를 통해 CO2 배출 감소 등의 연구가 이루어지기도 하였지만, 차량 시스템 단위에서의 제어 최적화로 주행 효율을 향상시킴으로써 에너지 소모량을 감소하는 연구 또한 마찬가지로 진행되고 있다. 이 논문에서는 후자에 해당하는 연구방향으로 차량 주행 효율을 향상시키고자 하였으며, 주행 상황을 스스로 제어할 수 있는 자율주행차량을 대상으로 주행 시 에너지를 최소화할 수 있는 주행 속도 프로파일을 탐색해 봄으로써 특정 조건에 대한 자율 주행 차량의 제어 방법을 제시해보고자 한다. 차량 시스템 효율을 높이기 위한 방법으로 최적 제어 이론인 동적 계획법(Dynamic Programming)과 폰트리야긴 최소화 원리(Pontryagin’s Minimum Principle) 등과 같은 이론을 적용하여 최적화할 수 있는데, 이 연구에서는 동적 계획법을 적용하여 내연기관 자율주행차량의 주행 소모 에너지를 최소화하고자 하였다. 동적 계획법은 연산량이 많기 때문에 실시간 제어에는 적합하지 않은 방법이지만 주어진 제한 조건하에서는 최적의 제어방법을 도출할 수 있는 방법으로, 특정 주행 상황을 가정하여 최적화된 솔루션을 탐색하고 자율주행차량의 최적 주행경로를 제시해보고자 한다. 내연 기관 차량에서의 연료 소모량 최소화를 목적함수로 설정하여 제어 파라미터인 엔진 작동점과 변속단을 제어함으로써 특정 초기속도, 최종속도가 주어진 제한조건에서의 cost를 최소화할 수 있는 주행 경로를 동적 계획법을 적용하여 탐색해보는 연구를 진행하였다. 〈수식 본문 참조〉

라틴 하이퍼큐브 기반 신경망모델을 적용한 풍력발전기 피치제어기 최적화

이광기(Kwangk Ki Lee),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.9

풍력발전기의 안정적인 전력생산은 정격풍속 이상에서 피치제어와 스톨제어와 같은 일정속도제어로 이루어지고 있다. 최근, 효율적인 전력생산을 위하여 정격풍속 이하의 변동풍속 조건에서 최대 출력을 얻기 위한 가변 속도제어가 적용되고 있는 추세이다. 기존의 피치제어기에서는 지글러-니콜스 계단응답법에 의한 제어기 최적화가 이루어지고 있으나, 가변 속도제어의 요구로 보다 정확한 최적화가 필요하게 되었다. 본 연구에서는 기존의 지글러-니콜스 계단응답법을 개선하기 위하여 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 통한 신경망모델을 구축하고, 구축된 PID 제어 계수 신경망모델에 유전자 알고리즘을 적용하여 피치제어기를 최적화하였다. 유전자 알고리즘으로 구한 최적해가 지글러-니콜스 계단응답법의 초기해 보다 평균제곱근 오차가 13.4% 향상되었고, 응답특성을 나타내는 상승속도와 정착시간은 각각 15.8% 및 15.3%으로 개선되었다. Wind energy is becoming one of the most preferable alternatives to conventional sources of electric power that rely on fossil fuels. For stable electric power generation, constant rotating speed control of a wind turbine is performed through pitch control and stall control of the turbine blades. Recently, variable pitch control has been implemented in modern wind turbines to harvest more energy at variable wind speeds that are even lower than the rated one. Although wind turbine pitch controllers are currently optimized using a step response via the Ziegler-Nichols autotuning process, this approach does not satisfy the requirements of variable pitch control. In this study, the variable pitch controller was optimized by a genetic algorithm using a neural network model that was constructed by the Latin Hypercube sampling method to improve the Ziegler-Nichols auto-tuning process. The optimized solution shows that the root mean square error, rise time, and settle time are respectively improved by more than 7.64%, 15.8%, and 15.3% compared with the corresponding initial solutions obtained by the Ziegler-Nichols auto-tuning process.

고정된 최종시간 조건 및 추종제어 문제에 적용 가능한 수정 Φ-D 준 최적제어 알고리즘

조동현 ( Cho Dong Hyun ),이상현 ( Lee Sang Hyun ),김승필 ( Kim Seung Pil ) 공군사관학교 2017 空士論文集 Vol.68 No.1

본 논문은 시불변 시스템 뿐 아니라 고정된 최종시간이 구속조건으로 주어진 최적제어 문제와 추종제어 문제에도 적용가능 한 수정된 Φ-D 알고리즘을 제시하였다. 기존의 Φ-D 알고리즘이 대수방정식 형태의 Riccati 공식 및 Lyapunov 함수를 푸는 것이었다면, 수정된 Φ-D 알고리즘은 미분방정식 형태로 표현된 보조 상태변수를 멱급수 전개하여 푸는 방식이다. 수정된 Φ-D 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 일반적인 형태의 고정된 시간영역 조건이 구속조건으로 주어진 비선형 최적제어 문제와 지구-화성 간 궤도전이 추종제어 문제에 수정된 Φ-D 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 성능을 검증하였다. 성능 검증결과 수정된 Φ-D 알고리즘 상의 제어 상수행렬인 D, T 행렬의 멱급수의 차수를 올려줌으로써 수렴한 준 최적해의 정확성을 향상시킬 수 있고, 기존의 시불변 시스템 뿐 아니라 다양한 조건(고정된 최종시간 구속조건, 추종제어 최적제어)의 최적제어 문제에 적용가능 함을 확인하였다. This paper presents a modified Φ-D algorithm that can be applied not only to the time invariant system but also to the optimal control problem given the fixed final time constraint and the regulation control problem. If the existing algorithm was to solve the Riccati formula and the Lyapunov function of the algebraic equation form, the modified algorithm is a method of solving the auxiliary state variables expressed in the form of differential equations by power series expansion. In order to verify the performance of the Φ-D modified algorithm, a nonlinear optimal control problem, which is given by a fixed final time condition as a constraint and the control problem of the Earth to Mars orbit transfer, are applied. As a result of the performance verification, it is possible to improve the accuracy of the converged suboptimal solution by raising the order of the power series. Also, it is confirmed that it is applicable not only to the existing time invariant system but also to the optimal control problem of various conditions.

공사구간 교대통행 동적제어 알고리즘 개발

박현진,오철,문재필 한국ITS학회 2017 한국ITS학회논문지 Vol.16 No.2

교대통행은 2차로 도로에서 한 차로를 점용한 공사 시, 다른 한 차로를 교대로 사용하여교통류를 처리하는 공사구간 교통관리기법이다. 신호수를 이용한 교대통행 교통관리 방안은 작업자의 안전문제와 방향별 통과 교통수요에 능동적으로 대처하는데 한계가 있다. 이런 잠재적 문제점을 해결하기 위한 하나의 방안으로 이동식 교대통행 운영시스템을 개발ㆍ적용하는 것이다. 본 연구에서는 이 시스템의 교통제어 기법을 개발하였다. 검지기에서 수집되는 방향별 교통량을 이용하여 공사구간 교대통행에 적용 가능한 교통제어 운영변수를 도출하고, 공사구간 내 차량의 존재 유무를 고려한 알고리즘을 설계하였다. 또한 교대통행 제어시스템의 운영효율성 극대화를 위하여 제어변수 최적화를 실시하였다. 최적화방안으로 유전알고리즘 기법을 적용하였으며, 적용 유무에 따른 지체시간을 산출하여 운영효율성을 평가하였다. 그 결과, 최적화를 시행했을 때 총 지체시간과 차량 한 대당 지체시간 모두 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 제시한 교대통행 동적제어 알고리즘을 통하여 교대통행 공사구간을 통과하는 차량에게 지체시간 감소효과를 기대할 수 있다. Work zone traffic control is of keen interest because both traffic operations and safety performances are directly affected by traffic management methods. In particular, work zone traffic on two-lane roads needs to be managed in more efficient and safer manners due to its unique characteristics of alternative right-of-way assignment. This study developed a dynamic control algorithm that can be used for real-time operations of two-lane work zone traffic. The performance of the developed algorithm was evaluated by VISSIM microscopic traffic simulator. An applied programming interface (API) based program was developed to plug-in the control algorithm onto the simulator. The results demonstrated the feasibility of the proposed control algorithm for two-lane work zone.

등가정하중을 이용한 스프링-댐퍼 제어시스템 구조물의 최적설계에 관한 기초연구

유남선(Nam-Sun Yoo),정의진(Ui-Jin Jung),박경진(Gyung-Jin Park),김태경(Tai-Kyung Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.6

본 논문은 등가정하중을 이용하여 제어시스템을 포함한 구조물의 설계를 위한 최적화 방법을 제안한다. 지난 연구는 구조물과 제어시스템 최적설계를 독립적으로 분리하여 수행하였고, 구조물과 제어시스템을 동시에 최적화하여도 제어시스템의 제어변수는 정상상태에서만 최적화하여 성능을 향상시켰다. 하지만 제어변수는 모든 시간영역에서 최적화해야 한다. 즉, 제어시스템의 해석은 과도상태에서 수행해야 한다. 본 연구에서는 새로운 등가정하중을 이용하여 제어변수를 포함하는 제어시스템 구조물의 최적설계를 위한 방법을 제시하였다. 등가정하중은 동적하중이 구조물에 작용할 때 발생하는 임의 시간에서의 변위장과 동일한 변위장을 만들어내는 정하중을 의미한다. 이렇게 계산된 등가정하중을 이용하여 설계영역에서 선형정적응답 최적설계를 진행한다. 몇 가지 예제를 통해 새로운 등가정하중을 적용한 동적응답 최적설계방법의 유용성을 확인하였다. An optimization method is proposed for the simultaneous design of structural and control systems using the equivalent static loads. In the past researches, the control parameters of such feedback gains are obtained to improve some performance in the steady-state. However, the actuators which have position and velocity feedback gains should be designed to exhibit a good performance in the time domain. In other words, the system analysis should be conducted for the transient-state in dynamic manner. In this research, a new equivalent static loads method is presented to treat the control variables as the design variables. The equivalent static loads (ESLs) set is defined as a static load set which generates the same displacement field as that from dynamic loads at a certain time. The calculated sets of ESLs are applied as multiple loading conditions in the optimization process. Several examples are solved to validate the proposed method.

다개체 로봇 편대 제어를 위한 이동 구간 입자 군집 최적화 알고리즘의 통계적 성능 분석

이승목 한국산업정보학회 2019 한국산업정보학회논문지 Vol.24 No.5

본 논문에서는 이동 구간 입자 군집 최적화 (Receding horizon particle swarm optimization; RHPSO) 알고리즘 기반 다개체 로봇 편대 제어 알고리즘의 통계적 성능 분석 결과를 제시한다. 다개체 로봇의 편대 제어 문제는 로봇 간 충돌 회피를 고려할 경우, 구속 조건이 있는 비선형 최적화 문제로 정의될 수 있다. 일반적으로 구속 조건이 있는 비선형 최적화 문제는 최적해를 찾는데 많은 시간이 걸리는 문제점이 있다. 이동 구간 입자 군집 최적화 알고리즘은 로봇 편대 제어의 최적화 문제에 대한 준최적해를 빠르게 찾기 위해 제안된 알고리즘이다. 이동 구간 입자 군집 최적화 알고리즘은 알고리즘에 사용되는 후보해의 개수와 세대 수가 증가함에 따라 계산 복잡도가 증가한다. 따라서 최소의 후보해와 세대 수만으로 실시간 제어에 사용될 수 있는 준최적해를 찾는 것이 중요하다. 본 논문에서는 이동 구간 입자 군집 최적화 알고리즘의 후보해의 수와 세대 수에 따른 제어 오차를 비교하였다. 다양한 조건의 시뮬레이션 실험을 통해서 통계적으로 결과를 분석하고, 허용 가능한 편대 오차 범위 내에서 이동 구간 입자 군집 최적화 알고리즘의 최소 후보해의 수와 세대 수를 도출한다.