포스터 세션 2 : Session 2 ; 2-3 : 퍼지-뉴로 제어기법에 의한 이동 로봇의 제어기 설계의 무인항공기 적용 연구

김기우,지민석 한국항공경영학회 2015 한국항공경영학회 춘계학술대회 Vol.2015 No.-

이동 로봇이 사전 정보가 없는 임의의 공간에 위치하게 되었을 때 특정 목표점으로 자율 이동시키기 위해서는 로봇이 동작하는 환경 내에서 존재할 수 있는 여러 가지 형태의 장애물에 대한 정보가 없으므로 로봇이 지능적으로 장애물을 회피할 수 있게 하는 회피 기능이 필요하다. 또한 장애물 회피 동작 후 로봇이 목표점을 지향하도록 하고 그 이동 속도를 조정하여 목표점에 도달하게 하는 목표점 도달 기능이 필요하다. 이동 로봇을 임의의 공간에서 목표점에 도달하기 위해서는 지능제어가 필요하다. 지능제어 시스템에는 크게 퍼지제어와 신경망 제어가 있다. 퍼지 제어는 동적 시스템의 수적인 표현을 사람의 언어로 표현하는데 있어 매우 유용한 방법으로 알려져 있다. 그러나 퍼지 제어에 미숙한 이가 잘못된 퍼지 규칙을 작성함으로써 조작자의 경험에 의지하는 퍼지 제어의 성능을 저하 시킬 수 있다. 신경망 제어 방법은 입출력 정보가 불확실 할 지라도 학습기능을 통해 역 동역학적 효과를 얻을 수 있다. 퍼지제어의 단점을 개선하고자 신경망 제어 기법의 특징인 학습기능을 함께 사용한 퍼지-뉴럴 제어 방법이 있다. 퍼지-뉴럴 제어 방법의 기본 원리는 신경단위 세포의 학습함수를 이용한 퍼지 제어 법칙과 맴버쉽 함수를 자동적으로 조정하는 제어 방법이다. 퍼지-뉴럴 제어 방법은 선형시스템과 비선형시스템 모두 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있어 파라미터의 동특성이 복잡한 비선형시스템을 제어하기에 적절한 방법이다. 이동 로봇이 목표에 도달하게 하는 퍼지 알고리즘과 주행 중 만날 수 있는 장애물들에 대한회피를 수행하는 퍼지-뉴럴 알고리즘을 사용하면 목표에 도달하는데 좀 더 안정적일 것으로 예상된다. 이동로봇의 개발은 앞으로의 우주 탐사 및 우주개발 등 항공 우주분야에서도 매우 중요한 역할을 차지 할 것으로 생각된다.

퍼지논리제어기 설계를 위한 새로운 비퍼지화 방법과 수치 예를 통한 성능 분석

곽상필(Sangfeel Kwak),최병재(Byung-Jae Choi) 한국지능시스템학회 2018 한국지능시스템학회논문지 Vol.28 No.4

최근 우주항공분야 등과 같이 제어대상 시스템은 점점 더 복잡하고, 요구되는 제어 성능의 우수성은 더욱 강화되고 있다. 이러한 요구조건에 부합하는 제어기로 퍼지논리 기반의 지능제어기가 널리 활용되고 있다. 퍼지논리 기반의 지능제어기를 퍼지논리제어시스템이라고 부르며, 퍼지논리제어시스템은 크게 3가지의 구성 요소로 이루어진다. 퍼지화기, 지식베이스와 추론엔진, 그리고 비퍼지화기이다. 여기서 비퍼지화기는 퍼지논리제어시스템에서 추론한 최종 제어 입력인 퍼지 신호를 제어대상 플랜트가 이해할 수 있는 보통 신호 형태의 제어 입력으로 변환하는 기능을 담당한다. 현재 비퍼지화를 위한 알고리즘으로 무게중심법과 간략화된 무게 중심법이 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 퍼지논리제어기를 위한 기존의 주요 비퍼지화 방법을 분석하고, 이를 기반으로 새로운 비퍼지화 방법을 제안한다. 그리고 수치 예제를 통하여 제시한 비퍼지화 방법의 유용성을 확인한다. Recently, control target systems such as an aerospace field are becoming more complicated, and the required control performance is further enhanced. Fuzzy logic based control systems are widely used as controllers that meet these requirements. The fuzzy logic based control system consists of three components: fuzzifier, knowledge base and inference engine, and defuzzifier. Here, the defuzzifier is responsible for converting a fuzzy value, which is the final controlled input inferred from the fuzzy logic control system, into a crisp controlled input which can be understood by the controlled plant. The center of gravity (COG) and the simplified COG methods are widely used as algorithms for the defuzzification scheme. In this paper, we analyze the existing defuzzification schemes for the fuzzy logic based control system and propose a new defuzzification method. And then we confirm the usefulness of the proposed method through a numerical example.

TSK 퍼지 시스템을 이용한 퍼지 PID 제어기 설계

강근택(Geuntaek Kang),오갑석(Kabsuk Oh) 한국지능시스템학회 2014 한국지능시스템학회논문지 Vol.24 No.1

TSK 퍼지 시스템의 뛰어난 성능을 일반 산업 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 PID 제어기에 접목시켜, 비선형 시스템의 제어가 가능하고 강인성이 뛰어난 퍼지 PID 제어기의 설계를 제안한다. TSK 퍼지 제어기는 TSK 퍼지 모델로부터 극 배치법을 이용하여 설계되며, 비선형 시스템의 제어에서 시스템의 응답이 원하는 응답과 같아지도록 하는 뛰어난 능력이 있으나 구조가 복잡하여 산업 현장에서 사용되기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 구현하기 간편한 PID 제어기의 형태를 하면서, TSK 퍼지 제어기의 도움을 받아 설계되는 퍼지 PID 제어기를 제안한다. 즉, 먼저 비선형 시스템의 TSK 퍼지 제어기를 설계하고 그 TSK 퍼지 제어기의 제어 시뮬레이션으로부터 얻은 데이터를 이용하여 제안하는 퍼지 PID 제어기를 설계한다. 제안하는 제어기를 연속시간 비선형 시스템과 이산시간 비선형 시스템의 예제에 적용시켜 제어 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 기존의 선형 PID 제어기로는 제어가 원만하지 않았으나 제안하는 제어기로는 원하는 응답 형태와 거의 같은 응답을 보이는 제어가 가능함을 알 수 있었다. In this paper, an algorithm to design fuzzy PID controllers is proposed. The proposed controllers are composed of fuzzy rules of which consequences are linear PID controllers and are designed with help of TSK fuzzy controllers. TSK fuzzy controllers are designed from TSK fuzzy model using pole assignment and have outstanding ability making the output response of nonlinear systems similar to the desired one. However, because of its structure complexity the TSK fuzzy controller is difficult to be used in industry. The proposed controllers have PID controller structure which can be easily realized, and are designed by using the data obtained from control simulations with TSK fuzzy controllers. To verify the proposed algorithm, two example simulations are performed.

단순 퍼지 제어기법을 이용한 온실의 천창환기에 의한 냉방제어

민영봉 ( Young Bong Min ),윤용철 ( Yong Cheol Yoon ),허무룡 ( Moo Ryong Huh ),강동현 ( Dong Hyun Kang ),김현태 ( Hyeon Tae Kim ) 경상대학교 농업생명과학연구원(구 경상대학교 농업자원이용연구소) 2010 농업생명과학연구 Vol.44 No.4

온실의 환기제어시 외기온도와 풍속변화에 보다 유연하게 대처하면서 온실내 온도제어성능을 향상시키기 위해서 퍼지제어가 많이 이용되고 있지만, 제어로직이 복잡하여 대용량 메모리를 갖는 컨트롤러가 필요하다. 본 연구에서는 소용량의 마이크로 컨트롤러에서 프로그램이 가능한 단순퍼지제어 알고리즘을 개발하여 시험하였다. 개발한 단순퍼지 제어 알고리즘의 성능을 비교하기 위하여 기존의 스텝제어 알고리즘을 도입한 제어프로그램으로 온실의 천창환기에 의한 온도제어를 실시하여 두 알고리즘의 성능을 직접 비교하고, 또 PID 및 표준 퍼지제어 성능과는 기존의 연구 결과와 비교하여 상대적 성능을 평가하므로써 온실의 환기냉방제어의 유리한 제어기법을 확립할 수 있는 기초자료를 얻고자 수행하였다. 단순 퍼지제어에 의한 실내온도 최대 제어오차는 1.2℃, 1시간동안의 평균환기창 적산열림량과 조작회수는 각각 84%, 13회로 나타났으며, 문헌조사에 의한 퍼지제어에서 각각 1.3℃, 75% 및 12회에 비해 동등한 제어성능을 보였다. 본 연구에서 개발한 단순퍼지제어는 제어로직이 PID제어보다 단순함에도 불구하고 스텝제어와 PID제어보다 성능이 우수하고, 퍼지제어와 동등한 제어성능을 갖는 것으로 나타났다. Fuzzy control is widely used for improving temperature control performance as controlling ventilation in greenhouse because the technique can respond more flexibly to the outside air temperature and wind speed. By pre-studied PID and normal fuzzy control this study was performed to obtain the fundamental data that can be established in better greenhouse ventilation control method. The temperature control error by the simple fuzzy control was 1.2℃. The accumulated operating size of the window and the number of operating were 84% and 13, respectively. These showed equivalent control performance with pre-studied result that control error. The accumulated operating size of the window and the number of operating were 75% and 12, respectively. The proposed fuzzy technique was simple control logic method compared with step and PID control methods, but it showed equivalent performance. Therefore, the proposed simple fuzzy control method could be used in micro controller of small programmable memory size and many applications.

뉴트럴 타입 시간 지연을 갖는 네트워크 제어 시스템의 안정도 분석 및 퍼지 제어기 설계

송민국(MIn Kook Song),김종선(Jong Sun Kim),주영훈(Young Hoon Joo),박진배(Jin Bae Park) 한국지능시스템학회 2009 한국지능시스템학회 학술발표 논문집 Vol.19 No.2

본 논문은 뉴트럴 타입 시간 지연을 갖는 네트워크 제어 시스템의 안정도 분석 및 제어기 설계에 대해서 논의한다. 네트워크 상에서 발생하는 뉴트럴 타입 시간 지연을 모델링하며, 전체 네트워크 제어 시스템은 뉴트럴 타입 시간 지연을 가지는 비선형 시스템이 된다. 네트워크 제어 시스템을 타카기-수게노(Takagi-Sugeno) 퍼지 시스템으로 모델링한다. 제안하는 퍼지 제어기를 모델링하는 네트워크 제어 시스템과 같은 멤버쉽 함수를 가지게 설계한다. 전체 폐루프 시스템의 안정도를 시간 지연 간격에 종속적이게 분석하고, 네트워크 제어 시스템을 안정화 시키는 퍼지 제어기 설계를 위한 충분 조건을 유도한다. 제안된 필요 충분 조건을 선형 행렬 부등식의 형태로 나타내고, 해를 통하여 퍼지 제어기의 이득값을 설계한다. 예제를 통하여 제안된 이론의 타당성을 확인한다.

퍼지제어 셀을 이용한 퍼지논리제어기의 조직적인 설계방법

남세규,김종식,유완석 대한기계학회 1992 대한기계학회논문집 Vol.16 No.7

본 연구에서는 국부적인 퍼지제어 셀(fuzzy control cell:cell)을 도입하여 계산량 감소를 달성하고, 추론과정을 선형근사화한 조직적인 설계를 통하여 선형제어 이론을 FLC의 실용적인 면에 접목하고자 한다. 이를 위하여, 확률밀도함수 형태의 멤버쉽함수(membership function)와 선형화된 제어공간이 얻어지도록 전반적인 제어방 책을 결정한 다음, 주어진 상태에 가장 지배적(dominant)인 규칙을 갖는 몇 개의 대표 점을 찾아서 그 점들로 구성된 퍼지제어 셀을 생성하고, 퍼지연산을 생성된 셀에서만 수행하여 알고리즘과 계산을 단순화시킨다. 평가기준을 공평함에 두어서 조건부연결 어 'AND'에 T-norm인 대수곱을 적용하여 적합도를 취하고, 규칙들의 작용이 병렬발화 라는 관점으로 규칙연결어 'ALSO'는 'AND'의 공액인 'OR'에 해당되는 대수합연산 대신 에 확률측도와 유사한 산술평균을 적용하여 퍼지추론을 한다. 그리고, 각각의 제어 규칙에 대하여 퍼지추론한 결과와 그것의 평균중심을 곱하여 통합한 후, 무게중심법으 로 역퍼지화하여 일반화된 제어값을 얻는다. 이 값을 PID제어기를 이용하여 구현한 디지틀 보상기를 통과시켜 시스템에 한 제어를 얻는 조직적인 방법을 제안한다. A systematic procedure to design fuzzy PID controllers is developed in this paper. The concept of local fuzzy control cell is proposed by introducing both an adequate global control rule and membership functions to simplify a fuzzy logic controller. Fuzzy decision is made by using algebraic product and parallel firing arithematic mean, and a defuzzification strategy is adopted for improving the computational efficiency based on nonfuzzy micro-processor. A direct method, transforming the typical output of quasi-linear fuzzy operator to the digital compensator of PID form, is also proposed. Finally, the proposed algorithm is applied to an DC-servo motor. It is found that this algorithm is systematic and robust through computer simulations and implementation of controller using Intel 8097 micro-processor.

뉴트럴 타입 시간 지연을 갖는 지능형 네트워크 제어 시스템의 퍼지 제어기 설계

주영훈(Young Hoon Joo) 한국지능시스템학회 2009 한국지능시스템학회논문지 Vol.19 No.2

본 논문은 뉴트럴 타입 시간 지연을 갖는 네트워크 제어 시스템의 안정도 분석 및 제어기 설계에 대해서 논의한다. 네트워크상에서 발생하는 뉴트럴 타입 시간 지연을 모델링하며, 전체 네트워크 제어 시스템은 뉴트럴 타입 시간 지연을 가지는 비선형 시스템이 된다. 네트워크 제어 시스템을 TS(Takagi-Sugeno) 퍼지 시스템으로 모델링한다. 제안하는 퍼지 제어기를 모델링하는 네트워크 제어 시스템과 같은 멤버쉽 함수를 가지게 설계한다. 전체 폐루프 시스템의 안정도를 시간 지연 간격에 종속적이게 분석하고, 네트워크 제어 시스템을 안정화 시키는 퍼지 제어기 설계를 위한 충분조건을 유도한다. 제안된 필요 충분조건을 선형 행렬 부등식의 형태로 나타내고, 해를 통하여 퍼지 제어기의 이득 값을 설계한다. 예제를 통하여 제안된 이론의 타당성을 확인한다. We consider the stabilization problem for a class of networked control systems with neutral type of time delays. The neutral type of time-delays occur in controller-to-actuator and sensor-to-controller. The Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy model is employed to represent a nonlinear system with neutral type of time-delays. The stabilization via state-feedback is first addressed, and delay-range-dependent stabilization conditions are proposed in terms of linear matrix inequalities (LMIs). Finally, an application example will be given to show the merits and design a procedure of the proposed approach.

단일 입력 퍼지가변구조제어기에 의한 BLDC 모터의 위치제어

배준성(Joon-Sung Bae),최병재(Byung-Jae Choi),이대식(Dae-Sik Lee) 한국지능시스템학회 2001 한국지능시스템학회논문지 Vol.11 No.1

브러쉬없는 직류전동기의 위치제어를 위한 퍼지가변구조제어기를 설계한다. 특히 본 논문에서는 기존의 퍼지제어 기법에서 얻을수 있는 특징으로부터 하나의 전건부 변수만을 가지는 간단한 퍼지논리제어기의 설계를 기술한다. 가변구조제어는 시스템의 파라메터 변화나 외란에 둔감한 특성을 갖는다. 하지만 리칭페이스에서는 문제가 된다. 이를 개선하기 위하여 본 논문에서는 지수항을 추가한 비선형 슬라이딩면을 구성한다. 그리고 나서 비선형 슬라이딩 면과 슬라이딩 면의 변화율을 입력으로하는 퍼지 제어기를 설계한다. 이러한 2-입력 퍼지가변구조제어기의 제어 규칙표로 부터 하나의 전건부 변수만을 가지는 단일 입력 퍼지가변구조제어기를 설계한다. 이들 제어기의 성능을 입증하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 수행한다. The conventional variable structure controller(VSC) has some advantages including that the system response is robust to parameter variations and external disturbances. But it has some problems such as the reaching phase and the chattering control input. In order to reduce these problems a fuzzy VSC is designed. And the VSC uses a nonlinear sliding surface of an exponential function. Also we design a single-input fuzzy VSC. It decreases the number of tuning factors as well as simplifies the design of a fuzzy logic controller. Finally we presents the results of computer simulations and experiments for the position control of a BLDC(Brshless DC) motor.

선박자동조타를 위한 RCGA기반 T-S 퍼지 PID 제어

이유수,황순규,안종갑 한국수산해양기술학회 2023 수산해양기술연구 Vol.59 No.1

In this study, the second-order Nomoto’s nonlinear expansion model was implemented as a Tagaki-Sugeno fuzzy model based on the heading angular velocity to design the automatic steering system of a ship considering nonlinear elements. A Tagaki-Sugeno fuzzy PID controller was designed using the applied fuzzy membership functions from the Tagaki-Sugeno fuzzy model. The linear models and fuzzy membership functions of each operating point of a given nonlinear expansion model were simultaneously tuned using a genetic algorithm. It was confirmed that the implemented Tagaki-Sugeno fuzzy model could accurately describe the given nonlinear expansion model through the Zig-Zag experiment. The optimal parameters of the sub-PID controller for each operating point of the Tagaki-Sugeno fuzzy model were searched using a genetic algorithm. The evaluation function for searching the optimal parameters considered the route extension due to course deviation and the resistance component of the ship by steering. By adding a penalty function to the evaluation function, the performance of the automatic steering system of the ship could be evaluated to track the set course without overshooting when changing the course. It was confirmed that the sub-PID controller for each operating point followed the set course to minimize the evaluation function without overshoot when changing the course. The outputs of the tuned sub-PID controllers were combined in a weighted average method using the membership functions of the Tagaki-Sugeno fuzzy model. The proposed Tagaki-Sugeno fuzzy PID controller was applied to the second-order Nomoto’s nonlinear expansion model. As a result of examining the transient response characteristics for the set course change, it was confirmed that the set course tracking was satisfactorily performed. 본 연구에서는 Nomoto 2차 비선형 확장모델을 선수 각속도를 기준으로 T-S 퍼지모델로 구현하였으며, 이 때 적용된 퍼지멤버십함수를 사용하여 T-S 퍼지 PID 제어시스템을 설계하였다. 주어진 비선형 확장모델의 각 동작점 별로 선형 모델과 퍼지 멤버십 함수들은 RCGAs를 사용해 동시에 탐색되었다. 이렇게 구현된 T-S 퍼지모델은 Zig-Zag 실험을 통해 주어진 비선형 확장모델을 근사하게 묘사할 수 있는 것을 확인하였다. 주어진 시스템의 T-S 퍼지모델에 동작점 별 sub-PID 제어기는 동일한 기준입력에 대해 RCGAs를 사용하여 최적으로 동조하였다. 최적 동조를 위한 평가함수는, 침로편차를 일종의 저항증가라는 측면에서 침로편차에 의한 항로의 연장, 조타에 의한 저항성분을 고려하였으며, 변침시 오버슈트 없이 설정침로를 추종하도록 벌점함수를 추가하여 선박자동조타기의 성능이 평가될 수 있도록 구성하였다. 각 동작점 별 sub-PID 제어기는 변침시 오버슈트 없이 평가함수가 최소가 되도록 설정침로를 추종해 가는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 동조된 sub-PID 제어기의 출력은 T-S 퍼지 모델의 멤버십함수를 이용하여 가중평균법으로 결합하였다. 제안된 T-S 퍼지 PID 제어시스템을 Nomoto 2차 비선형 확장 모델에 적용하여 설정 침로 변경에 대한 과도응답 특성을 살펴본 결과 설정 침로 추종을 만족스럽게 수행하고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 RCGAs 기반의 T-S 퍼지 PID 제어기의 성능을 살펴보기 위해 Nomoto 2차 비선형 확장 모델을 사용하였다. Nomoto 2차 비선형 확장 모델은 선박의 동특성을 표현하기에는 많은 부분이 부족한 것이 사실이다. 따라서, 이후에는 선박의 6자유도 비선형 모델로부터 동작점 별 선형 상태방정식 모델과 퍼지멤버십함수로 이루어진 퍼지모델을 직접 구하고, 이를 이용해 퍼지상태관측기 및 퍼지최적제어기를 설계하는 연구를 수행하고자 한다. 특히, 모델링오차, 불확실성, 측정 센서 잡음, 환경적 외란 등에도 강인할 수 있도록 고려하고, LOS (Line Of Sight) 가이던스 시스템을 추가하여 계획된 항로로 선박이 운항되도록 유도하는 알고리즘을 추가하고자 한다.

퍼지를 이용한 연료전지 시스템의 온도제어

Fei-Fei Qin,Ya-Xiong Wang,Young-Bae Kim 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.춘계 No.-

고분자 전해질 연료전지의 열관리는 연료전지 작업 효율을 향상시키고 수명을 연장시키기는 매우 중요한 역할을 한다. 스택 온도가 너무 낮으면 전기 화학 반응의 속도가 늦어지고 반응에 의해 생성되는 물의 증발을 방해 한다. 그러나, 너무 높으면 온도는 촉매 낭비, 열 손실, 폐기물 방출 등 연료 전지의 수명을 줄인다. 본 논문은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 열 관리를 위한 연구이다. 우선, 연료전지의 열역학 이론에 기초하여, MATLAB / Simulink를 통해 연료전지의 동적 모델을 만들었다. 실험을 통해 수학적인 시뮬레이션 모델링을 검증했다. PEMFC 동적 모델에 기초하여, 본 연구는 퍼지 논리 전략을 통하여 열 관리 제어 시스템을 설계 하였다. 이상적인 온도(PEMFC 효율 최적의 온도 곡선)와 스택 실제 온도의 오차, 그 오차의 미분 항, 및 외부 간섭 조건 전류(PEMFC 현재 스택)로 퍼지 제어기의 입력으로 구성 되었으며, 제어기의 출력은 냉각 팬의 제어전압이다. 본 연구는 열 관리를 위한 처음으로 외부 간섭 조전, 즉, 스택 전류를 제어기에 도입하여 복잡한 한 퍼지 제어기를 만들었다. 3차원 퍼지 제어기는 간단한 퍼지 제어기를 통해 발생한 정적 오류를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 제어 최적화 성능을 향상시켰다. 퍼지 논리 제어방법을 통해 연료전지 열 관리를 빠른 응답 시간과 작은 오차의 오버 슈트를 얻을 수 있다. 즉, 더 효율적으로 제어 성능을 향상시켰다.