LMI 기법에 의한 도립 진자 시스템의 H_∞제어기 설계

이상효 광운대학교 신기술연구소 1998 신기술연구소논문집 Vol.27 No.-

이 논문에서는. 도립 진자(inverted pendulum)의 선형 시불변 모델에 대하여, 진자의 질량 변화를 불확실성의 주된 성분으로 설정하여 확대된 일반화 제어 대상을 구성하고. 이에 대해 강전 안정하고 성능이 개선된H_∞ 강건 제어 시스템을 설계하였다. H_∞ 강건 제어기의 설계는 LMI (선형 행렬 부등식, Linear MatrixInequality) 기법을 사용하였다. 모의 실험에서. 공칭 제어 대상에 대한 H_∞ 제어기의 성능을 LQ 제어기와 비교하였다. 이 경우. H_∞ 제어기는 안정성의 개선 효과가. LQ 제어기는 극점 배치에 따른 제어 성능의 향상이 관찰되었다. 실물 실험에서는. 디지털 제어기로 실현한 H_∞ 제어기로써 실물 도립 진자 시스템을 제어하여, H_∞ 제어기의 강건 안정성 및 강건 제어 성능을 확인하였다. In this paper, the variation of mass was considered as a principal component with uncertainties for a linear time invariant nominal plant model of an inverted Pendulum on a cart system. An augmented plant model was derived from the nominal plant model with its mass variation. For the augmented plant. an H_∞ controller was designed by the LMI (Linear Matrix Inequality) method. In the computer simulation, the characteristics of the H_∞ controller is compared with those of an LQ controller While the H_∞ controller has a robust stability, the LQ controller has a performance enhancement with the pole placement. The algorithm for controlling a Proposed inverted pendulum is consisted of a state feedback control and a fuzzy logic controller The fuzzy controller keeps the center of gravity of the biped within the specified range through the nonlinear feedback compensator. The state feedback control takes over the role to maintain a desired posture regardless the disturbance at the link top. Simulations with a mathematical model are conducted to show the validity of the proposed controller. With the experiment, it is showed that the H_∞ controller has both the robust stability and the robust performance for the physical plant.

기하학적 제어 기법을 이용한 쿼드로터의 강건 경로 제어

이현범,김현진 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

이 논문에서는 기하학적 제어 기법을 이용한 쿼드로터의 강건 경로제어기를 소개한다. underactuated 시스템의 제어를 위해 고안된 기하학적 제어 기법은 오일러 각에 기반을 둔 제어기에서 나타나는 특이점 현상을 방지하여 복잡한 기동이 가능하게 한다. 본 논문에서는 이러한 기하학적 제어 기법을 바탕으로 적분기의 anti-windup의 추가를 통해 모델의 불확실성이 존재할 때에 대한 추종 성능을 높여주는 자세 제어기를 제안한다. 시뮬레이션을 통해 시스템 모델의 불확실성을 가지는 쿼드로터의 경로추정 결과를 확인한다. In this paper, we present a robust controller using geometric control for trajectory tracking of a quadrotor UAV. Geometric control enables complex maneuvers of underactuated systems such as quadrotors, by preventing singularities which appear in Euler-angle approaches. The proposed controller based on geometric control techniques improves tracking performance against model uncerainty using anti-windup integrator techniques. Tracking simulation results show satisfactory performance when the quadrotor model has uncertainties in motor dynamics and inertia.

High-Performance Tracking Controller Design for Rotary Motion Control System

Youngduk Kim(김영덕),Su Hyeon Park(박수현),Seonghyun Ryu(류성현),Chul Ki Song(송철기),Ho Seong Lee(이호성) 한국기계가공학회 2021 한국기계가공학회지 Vol.20 No.11

A robust tracking controller design was developed for a rotary motion control system. The friction force versus the angular velocity was measured and modeled as a combination of linear and nonlinear components. By adding a model-based friction compensator to a nominal proportional–integral–derivative controller, it was possible to build a simulated control system model that agreed well with the experimental results. A zero-phase error tracking controller was selected as the feedforward tracking controller and implemented based on the estimated closed-loop transfer function. To provide robustness against external disturbances and modeling uncertainties, a disturbance observer was added in the position feedback loop. The performance improvement of the overall tracking controller structure was verified through simulations and experiments.

인공위성 자세제어를 위한 H-infinity 제어기 설계 알고리즘 비교 연구

이승우(Seung-Wu Rhee) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.1

폐루프 기준으로 H<SUB>∞</SUB> 제어기를 설계하는 알고리즘에는 3가지(2-ARE, mu-synthesis, LMI) 방법이 있다. 본 논문에서 3가지 H<SUB>∞</SUB> 제어기 설계 알고리즘에 대한 기초 이론을 종합하고, Matlab<SUP>TM</SUP>에 구현된 함수가 사용될 경우, 실무입장에서 가장 적절하다고 판단되는 H<SUB>∞</SUB> 제어기 설계 알고리즘 제시를 위해 인공위성 자세 제어기 설계 후 결과를 비교·분석하였다: 2-ARE 방법과 LMI 방법은 robust stability, robust performance 및 control authority 측면에서 거의 유사하였으나, LMI 방법에 비해 2-ARE 방법이 weighting 함수설계에 더 민감하였고, mu-synthesis 방법은 다른 2가지 설계 방법에 비해 성능면에서 다소 떨어지고, control authority가 크게 나타났다. 따라서 인공위성 자세제어 설계를 위해 실무 관점에서 LMI 방법이 더 편리한 설계 알고리즘이라는 결론을 얻었다. There are three kinds of algorithms(2-ARE, mu-synthesis, LMI) for H<SUB>∞</SUB> controller design using closed-loop shaping method. This paper provides the summary of background theory of three algorithms and H<SUB>∞</SUB> controller design results for spacecraft attitude control using the three controller design tools of Matlab<SUP>TM</SUP> Toolbox for comparison. As a result, it reveals that LMI design method is more reliable as well as easier than others for spacecraft attitude control design. Comparison results are as follow: 2-ARE method and LMI method provide almost same results in robust stability, robust performance and control authority level. But 2-ARE method is more sensitive than LMI method with respect to proper design of weighting functions: 2-ARE method is more difficult than LMI method in weighting function design. The design result of mu-synthesis method shows worse performance and requires bigger control authority than others.

피치 모멘텀 바이어스 위성시스템의 롤/요축 모멘텀 제어방식

이승우(Seung-Wu Rhee),고현철(Hyun-Chul Ko),장우영(Woo-Young Jang),손준원(Jun-Won Son) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.7

일반적으로 롤/요 평면상의 nutation 운동이 있는 피치 모멘텀 바이어스 시스템을 정지궤도 위성인 통신위성에서 주로 사용되어 왔으나 본 논문에서는 저궤도 위성의 경우에 대해 최소 휠 개수인 2개 반작용휠로 구성된 피치 모멘텀 바이어스 시스템을 휠 모멘텀 제어방식으로 피치축과 롤축 자세제어를 수행하는 방안을 살펴보았다. PI-제어기를 사용한 휠 모멘텀 제어 방식의 경우 휠 베어링 마찰 등 반작용휠에 가해지는 외란에 대한 강건성 보장을 해석적으로 분석하였으며, 롤축 자세에러 측정치와 요축 모멘텀 선형 제어기설계를 위한 전달함수를 제시하였고, 시스템에 대한 이해도를 높이고, 외란 영향 및 모멘텀 바이어스 크기 등 필요한 설계 인자 선정을 위해 시스템에 대한 분석을 수행하였다. 아울러 요축 모멘텀 PID-제어기를 사용한 모멘텀 바이어스 시스템의 롤/요축 자세제어 설계결과 및 시뮬코타키나발루레이션 결과를 제시하였다. In general, the pitch momentum biased system that induces inherently nutational motion in roll/yaw plane, has been adapted for geosynchronous communications satellites. This paper discusses the method of roll attitude control using yaw axis momentum management method for a low earth orbit(LEO) satellite which is a pitch momentum biased system equipped with only two reaction wheels. The robustness of wheel momentum management method with PI-controller is investigated comparing with wheel torque control method. The transfer function of roll/yaw axis momentum management system that is useful for attitude controller design is derived. The disturbance effect of roll/yaw axis momentum management system for attitude control is investigated to identify design parameters such as magnitude of momentum bias and to get the insight for controller design. As an example, the PID controller design result of momentum management system for roll/yaw axis control is provided and the simulation results are presented to provide further physical insight into the momentum management system.

LMI 방법을 이용한 방사형 인공위성 제어로직 설계 및 강건성 분석

이승우(Seung-Wu Rhee) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.11

방사형 인공위성 경우, 관성곱이 커서 단일 입·출력 가정이 불가능하기 때문에 고전적 제어기 설계방법을 사용하기 어렵다. 본 논문에서 현대 제어 이론인 H<SUB>∞</SUB> 제어기 설계이론을 사용하여 방사형 인공위성의 자세 제어기 설계를 수행하였다. 설계 알고리즘으로 보다 안정적인 LMI 방법이 사용되었고, 설계 결과에 대한 안정성과 성능에 대한 강건성 해석을 위해μ-해석 방법이 적용되었다. 설계 결과, 일반적인 경우와 다르게 제어기가 포함되지 않은 개루프보다 제어기가 포함된 개루프의 cross-over frequency가 더 낮게 설계되는 것이 관측되었다. 즉 상대적으로 큰 관성곱 영향 때문에 단지 weighting 함수 조정으로 위성 기동성을 증가시키는데 한계가 있는 것으로 해석된다.μ-해석을 위해 +/-5%의 관성모멘트 변화를 가정하였다. 안정성 및 성능에 대한 강건성 해석결과, +/-7% 관성모멘트 변화까지 시스템 안정성 및 성능이 보장됨이 확인되었고, 관성곱 변화보다 주관성모멘트 변화가 안정성 및 성능 저하에 더 영향을 주는 것으로 확인되었다. The H<SUB>∞</SUB> control theory using LMI method is applied to design an attitude controller of radial type satellite that has strongly coupled channels due to the large product of inertia. It is observed that the cross-over frequency of open-loop with H<SUB>∞</SUB> controller is lower than that of open-loop without controller, which is not typical phenomenon in an optimal control design result: it is interpreted that due to a large product of inertia, there is certain limit in increasing agility of satellite by just tuning weighting function. μ-analysis is performed to verify the stability and performance robustness with the assumption of +/-5% MOI variation. μ-analysis result shows that the variation of principal MOI degrades the stability and performance robustness more than the variation of POI does.

백스테핑제어기를 이용한 전기유압액추에이터의 위치제어

도안녹치남(D. N. C. Nam),윤종일(J. I. Yoon),안경관(K. K. Ahn) 유공압건설기계학회 2012 드라이브·컨트롤 Vol.9 No.3

Nowadays, electro hydrostatic actuator (EHA) has shown great advantages over the conventional hydraulic actuators with valve control system. This paper presents a position control for an EHA using a modified back stepping controller. The controller is designed by combining a backstepping technique and adaptation laws via special Lyapunov functions. The control signal consists of an adaptive control signal to compensate for the nonlinearities and a simple robust structure to deal with a bounded disturbance. Experiments are carried out to investigate the effectiveness of the proposed controller.

퍼지-슬라이딩모드제어기를 이용한 터보제트엔진의 강건제어

김중회(Jung hoe Kim),김동춘(Dongchoon Gim),이상정(Sang jeong Lee) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

본 연구의 제어 대상 시스템인 터보제트엔진은 다양한 조건에서의 높은 기동성이 요구되며 구조모델을 단순히 하여 연료유량의 제어만을 이용하여 엔진의 회전속도를 제어할 수 있다. 제어 측면에서는 연료유량을 통한 추력제어와 엔진에 대한 보호를 동시에 수행하여야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 전통적인 PID, LQG/LTR, 퍼지, 가변구조, H∞ 등의 제어이론이 연구 및 적용되어 왔다. 본 연구에서는 엔진서지를 방지하기 위하여 기준 가속 및 감속도를 설정하고, 이를 퍼지-슬라이딩 모드 제어기로 연료유량을 제어하여 엔진의 가감속이 기준 가감속도 내에서 정밀하게 추종하여 과도 상태 및 정상상태 오차를 개선됨을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. Turbojet engine are required to have high maneuverability in a variety of flight conditions, and their rotational speed of the engine can be controlled by varying the fuel flow due to their structural simplicity. In term of the control strategy, thrust control by the fuel flow and engine protection should be carried out at the same time. In order to achieve these objectives, the traditional PID, LQG/LTR, fuzzy, variable structure, H∞ control theories have been applied in many research papers. In this study, the fuel flow is controlled by the fuzzy-sliding mode controller and the standard acceleration/ deceleration speed rate is also set to prevent engine stall by the fuzzy-sliding mode controller. Simulation confirmed that the engine"s acceleration and deceleration speed followed the preset standard and thereby transient and steady state error were improved.

PMSM의 강건한 속도 제어

김문수,원태연,이동희,이용길 동의공업대학 2001 論文集 Vol.27 No.1

In this paper, a robust speed control is proposed for Permanent Magnet Synchronous Motor system. PMSM without reduction gear has been widely used in high performance application such as robots and machine tools. It is well known that the control performance of the PMSM is very sensitive to load disturbance and system parameter variation. The idea of the proposed speed controller based on combination of sliding mode control. The sliding mode controller leads to fast system dynamics of slight sensitivity to the load disturbance and system parameter variations. The simulation results have proved that the proposed control scheme provides a robust control performance under load disturbance and system parameter variation.

광 디스크 드라이브 서보 설계를 위한 강건 제어 이론의 적용 및 평가

이광현(Lee, Kwang-Hyun),양현석(Yang, Hyunseok),박노철(Park, No-Cheol),박영필(Park, Young-Pil),최진영(Choi, Jin-Young) 한국소음진동공학회 2005 한국소음진동공학회 논문집 Vol.15 No.10

In this paper, the various uncertainties generated in an optical disk drive (ODD) and the robust servo designs considering the uncertainties are studied. First, the brief introduction an ODD and the servo error tolerance of it are discussed. Then, the classifications of uncertainty and the concept of relative stability are introduced. Considering the uncertainty of an ODD, two robust control approaches are applied: (i) mixed sensitivity approach in H$\infty$ control theory for unstructured uncertainty, (ii) QFT for structured uncertainty Finally, the designed controllers are realized by DSP, and these controllers are applied to a commercial DVD-ROM drive. From these experiments, we prove that the designed robust controllers have more good disturbance rejection performance and robustness when it is compared to the conventional lead-lag controller.