동적 보상기를 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 출력궤환 강인제어

전영범 한국항공대학교 대학원 2013 국내석사

본 논문에서는 파라미터 불확실성을 가지는 로봇 매니퓰레이터 제어를 위한 동적 보상기를 포함하는 영상기반 출력궤환 강인제어기를 제안하였다. 로봇 관절이 추종하는 위치, 속도 궤적은 영상 정보의 특징점 속도와 로봇 관절 속도의 변화 관계를 나타내는 자코비안을 이용해 생성한다. 정상상태 오차 개선을 위한 적분기 추가로 인하여 저하되는 과도응답 특성을 개선하기 위해 동적 보상기를 포함하는 영상기반 강인제어기가 제안 되었다. 동적 보상기를 이용한 제어기는 로봇 동역학 불확실성에도 점근적 안정을 만족하면서 과도응답 특성을 개선한다. 상태궤환 강인제어에 필요한 관절의 속도 상태변수 측정 시 발생할 수 있는 잡음에 대한 문제점 개선을 위해 속도 상태변수를 추정하는 고이득 관측기를 도입하였다. 동적 보상기와 고이득 관측기를 포함하는 영상기반 출력궤환 강인제어기를 설계하였고 전체 제어시스템의 안정도는 Lyapunov 안정도 판별법으로 입증하였다. 제어기의 성능 검증을 위해 5-링크 2 자유도의 로봇 매니퓰레이터를 대상으로 모의 실험과 실험을 수행하였다. 실험결과 로봇 관절의 오버슈트와 정착시간을 감소시키고, 빠른 시간 안에 속도 변수를 추정하며 제안한 제어기가 과도응답 특성과 불확실성에 강인한 것을 입증하였다.

건물구조물의 지진 응답의 강인제어에 대한 실험적 연구

주석준 서울大學校 大學院 2000 국내박사

소형 쿼드로터 비행체의 모델식별 및 강인 제어 시스템 설계

김병하 건국대학교 대학원 2011 국내석사

오늘날 무인항공기의 요구조건이 다양해지고 활용 분야가 확대됨에 따라 여러 종류의 무인 항공기의 연구가 진행되고 있다. 특히 센서의 소형화로 인하여 소형 무인 항공기의 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근의 경향은 도심과 같은 복잡한 환경에서 수행되는 임무가 증가됨에 따라 공간의 제한을 적게 받는 무인 수직 이착륙기의 관심이 높아지고 있다. 로터의 반 토크 상쇄가 가능하며 단순한 로터 구조를 갖는 쿼드로터가 대안으로 제시된다. 본 논문은 쿼드로터의 모델 식별 및 최적제어시스템과 강인제어시스템 설계를 위한 논문이다. 먼저 쿼드로터의 구조적 설계부터 시작하여, 데이터 획득 및 제어신호출력을 위한 임베디드 시스템을 구성하였다. 이 과정을 통해 시스템의 구성을 이해함으로써 문제가 발생하였을 때 수정 및 분석이 쉬워졌다. MCU로 Atmega2560를 이용한 1차 FCC 보드를 사용한 시스템의 한계를 느껴 DSP2812를 이용한 2차 FCC보드를 설계하여 고차를 가지는 강인제어기의 적용에 이용하였다. 두 번째로 쿼드로터의 동역학 분석 및 실험데이터를 통한 모델링을 하였다. 비행 동역학 모델은 간단하면서 실제 제어시스템 설계의 목적에 충족하도록 설계하려고 노력하였다. 모델의 변수들은 실제 비행데이터를 PEM(Prediction Error Method)을 이용하여 얻었다. LQR 제어기의 모델로는 각속도항과 수신기입력을 이용해 식별한 선형모델을, H-infinity 제어기의 모델로는 각속도항과 각도항, 수신기입력을 이용해 식별한 선형모델을 사용하였다. 각각의 선형모델은 측정된 비행데이터와 높은 일치성을 보였다. 세 번째로 앞에서 구한 쿼드로터의 모델을 통한 최적제어기와 강인제어기를 설계하여 시뮬레이션 실험을 하였다. 최적제어기로는 LQR 제어기를 사용하였고, 강인제어기로는 H-infinity 제어기를 사용하였다. 그리고 LQR 제어기를 이용한 비행 실험을 하여 시뮬레이션으로 검증하였던 제어기의 자세 제어 능력과 외란제거 성능을 검증하였다. The use of micro UAVs has been widely well known. An interesting type to be developed is quadrotor UAV. A quadrotor is small, agile four-rotor system which is suitable for suveillance, remote inspection and disaster support missions. This kind of vehicle has nonlinear behavior, yet it is not as complex as an unmanned small scale helicopter. In this research, linear quadrotor model were done. There dynamic system and linear model were carried out to develop an autonomous control system. This paper focuses on the development of a quadrotor control system which was validated through simulation and flight test. ATmega2560 and DSP2812 were chosen to accomplish the trajectory following mission. LQR Optimal control and H-infinity Robust control were chosen to accomplish the trajectory following mission. This control design was applied on the quadrotor linear model based on Matlab/Simulink Environment. simulation was developed to validate the control system. Final quadrotor LQR control system was validated through flight test.

H-infinity 노옴을 利用한 强靭制御器 設計에 關한 硏究

김영일 서울大學校 大學院 1990 국내석사

H_(∞) 强靭制御理論을 適用한 長大構造物의 振動制御

박관순 서울大學校 大學院 1998 국내박사

로봇 매니퓰레이터의 강인 제어

김태균 울산대학교 대학원 2000 국내석사

로봇 매니퓰레이터의 운동은 관절에서의 마찰력, 하중의 변화 등과 같은 모델링하기 어려운 항들과 관절 상호간 운동의 연성에 의한 비선형 항들로 표시된다. 따라서, 외란이나 하중의 변화 등이 있을 경우나, 또 고속으로 운동할 경우에는 선형제어기로는 로봇을 정확히 제어하기가 어렵다. 로봇 매니퓰레이터 제어에 관한 연구들 중의 한 연구분야가 강인제어이다. 강인제어는 모델링하기 힘든 항이나 모델링 오차 등이 있을 경우에, 동적인 최대 값의 범위를 구하고 그 범위내에서 계가 안정되게 제어되도록 하는 것이다. 본 연구에서는 먼저 정확히 모델링하기 어려운 동적 항이나 비선형 항의 제한 범위를 구한다. 구한 제한 범위를 이용하여 간단하고 비교적 계산량이 적은 강인제어기를 유도한다. 제안된 제어기의 안정성을 증명하기 위해 리아푸노프(Lyapunov) 이론을 적용한다. 전산 모의 실험에서 제어계의 점근 안정도, 즉, 위치오차 및 속도오차가 점근적으로 수렴함을 확인하고, 이것으로 본 연구에서 제시한 비선형 항들이 존재하는 값의 범위를 구하는 방법이 유효함을 확인한다. 또, 전산 모의 실험을 통하여 제안된 제어기가 제어기 성능비교를 위해 선정한 PD제어기보다 그 성능이 우수함을 보였다. Robot manipulator dynamics contain system parameters which are difficult to model such as joint friction, payload and nonlinear parameters by coupled dynamics. When there are external forces or payload in robot manipulators, or there is fast motion of robot manipulators, it is difficult to control the system accurately using linear controller. In the case of the system which has unmodelled dynamics or modeling errors, a controller with excellent performance is needed. In this paper, a robust control is proposed to derive the maximum bounds of the dynamic values and to make the system stable within the bounds. First we calculate the bounds of unmodelled dynamics or modeling errors. The robust controller is derived from the calculated maximum bounds of these dynamic values. The stability of the system with the controller is proved by Lyapunov theory. Computer simulation shows that the controller tracks more accurately a reference trajectory compared to PD controller and that the system with the controller is stable.

의자 진동감쇄 시스템의 강인제어 연구

안병일 서강대학교 대학원 2002 국내석사

운전석의 진동 감쇄와 같은 시스템은 운전자의 몸무게 변화에 따라 설계된 제어기의 성능이 변화하게 된다. 기존의 의자 시스템은 수동 댐퍼와 스프링으로 구성되어 이러한 불확실성에 따른 진동 감쇄 성능의 변화를 효과적으로 감쇄시키지 못하였다. 또한 수동 댐퍼를 대신하여 제어가능한 자기유변유체(Magneto Rheological Fluid) 댐퍼를 부착한 의자 시스템에서 스카이훅, 연속 스카이훅과 같은 제어기를 사용하였을 때도 운전자의 몸무게 변화에 따른 성능의 변화가 존재하였고 이러한 운전자의 몸무게 변화에 따라 제어기를 설계할 수 없는 단점이 있었다. 본 논문에서는 이러한 운전자의 몸무게 변화와 같은 모델의 불확실성이 존재할 때 변화하는 모델에 대해 일정 성능을 보장하고 운전자의 몸무게 변화시에 진동 감쇄 성능을 효과적으로 제어하기 위하여 리아프노프 안정성에 기초한 강인 제어기를 의자 진동감쇄 시스템에 적용하였다. 제안된 리아프노프 강인 제어기의 성능과 스카이훅, 연속 스카이훅 제어기와의 성능을 비교하기 위하여 불규칙 도로면과 둔턱 도로면에 대하여 각각 VDV, SEAT 값, ISO 2631을 사용하여 성능을 비교하였으며 실험결과 리아프노프 강인 제어기는 운전자의 몸무게 변화시의 성능이 스카이훅 제어기에 비하여 크게 변화하지 않았으나 약간의 성능 변화가 존재하였다. 리아프노프 강인제어기는 이러한 운전자의 몸무게 변화에 따른 불확실성에 대하여 동일한 성능을 보장하지 못하였으나 일정 범위의 몸무게 변화에서 비슷한 성능을 보이므로 운전자 몸무게 변화에 대하여 크게 3부분으로 나누어 제어기를 구성한다면 거의 모든 운전자에게서 동일한 성능을 보장할 수 있을 것이다. The controller performance of vibration suppression driver s seat system is changes when driver s weight changes. The existent vibration suppression driver s seat system composed of a passive damper and spring did not suppress change of the vibration suppression performance by this uncertainty. Also, the change of performance by driver's weight change exists when the vibration suppression driver s seat system composed of MR damper is controlled by skyhook, continuous skyhook. And there was a shortcoming that it is impossible to design a controller according to driver s weight change. In this thesis, the robust control based on lyapunov stability is designed to vibration suppression driver s seat system to guarantee constant performance when model uncertainty such as driver s weight change exists. The proposed robust control is compared with skyhook and continuous skyhook using VDV, SEAT value and ISO 2631 about irregular road profile and bumped road profile. In experiment results, the lyapunov robust control does not change more than skyhook control when driver s weight changes. This lyapunov robust control did not secure equal performance about uncertainty by these driver's weight change but show similar performance in weight change of a limit extent. Therefore, most driver feel similar vibration suppression effects if lyapunov control is designed by dividing to several cases about driver weight change.

2自由度 플랫폼의 H_(∞) 强靭制御에 關한 硏究

서송호 忠南大學校 大學院 2001 국내박사

This experimental study on the H_∞ robust control of two degree-of-freedom(2 DOF) platform is to design the controller to maintain the robust horizontal stabilization performance against various modeling uncertainties and disturbances. A transmitting antenna mounted on the naval vessels can be easily exited by exogenous disturbances such as wave and impact. 2 DOF transmitting antenna platform, gimbal system, needs for the controller to maintain the robust performance against various modeling uncertainties and disturbances. The PI controller, however, cannot supply good robust performance under those situation, so that a robust H_∞ control scheme is used to ensure a specified dynamic response under above conditions. In this study we can get some results and derive conclusion as follows. Antenna platform, gimbal system, is simplified as 2 DOF system that ignored coordinate co-relations of each direction and hydraulic system is linearly modelled. We have presented dynamic equation of 2 DOF gimbal system, mathematical model of hydraulic driving gimbal system, derive the procedure to decide the weighting value and design the robust H_∞ controller. We compared those of simulation to the results of experimental tests and this H_∞ controller, proposed, showed faster time response, better stability and robustness of 2DOF platform horizontal stabilization performance than classical PI controller. In the step input, square input and sinusoidal input response, there's no vibration and shows no undesirable symptom and less angular error in H_∞ controller. But in the case of PI controller showed vibration response and greater angular error to the unbalanced load situation. It is not easy to design the loop shaping precisely and exactly, but we can get weighting function by considering the qualitative frequency bandwidth characteristics. By using this H_∞ robust control design techniques we can design robust controller that showing good robust platform stabilizing characteristics against various modeling uncertainties and disturbances. Further study on systematic approach to design loop-shaping and selection of weighting function may be necessary.

특이 섭동 쌍일차 시스템에서의 강인제어에 관한 연구 : Robust control for singularly perturbed bilinear systems

김범수 高麗大學校 大學院 2002 국내박사

Bilinear systems represent many real physical processes, so that it is important to understand their real properties or to guarantee the global stability or to improve the performance without losing its nature property. We study the equivalent mathematical bilinear models, stabilization problem, optimal control, robust H_(∞) control, singular perturbation control for a class of bilinear systems, namely general bilinear systems, and also the singularly perturbed bilinear systems for both continuous and discrete-time. The main tools used in this dissertation are Lyapunov's stability method, the successsive approximation method, composite control method, and the equivalent mathematical bilinear models. In case of continuous-time bilinear systems, the optimal control problems are solved by iterative numerical methods since the obtained nonlinear Riccati equation depends on the state variable. For the singularly perturbed bilinear systems, the near optimal control problems are solved by composite control method and the successive approximation to overcome the numerical stiffness and an ill-condition of Riccati equation arising on the optimization process. The stabilizing nonlinear state feedback control methods for both the discrete-time multi-input bilinear systems and the singularly perturbed discrete-time multi-input bilinear systems are presented using the Lyapunov stability theorem and the properties of equivalent mathematical bilinear models. The robust H_(∞) control problem based on the L_(2) gain concept for the continuous-time bilinear systems with an additive external disturbance is numerically solved by using the successive approximation method. Along the same line of approach, we solve the robust H_(∞) control problems of the singularly perturbed continuous-time bilinear systems including the additive external disturbance. The numerical stiffness of the Riccati equation is removed by using the composite control method and the successive approximation.

다이나믹 인버전 방법으로 결정한 우주발사체의 H^(∞)제어기 설계 : The H^(∞) controller design of space launch vehicle determined by dynamic inversion methods

안효성 연세대학교 대학원 2000 국내박사

제어기를 설계하기 위해서는 우선 Bode plot이나, 안정여유, 위상여유, 이득여유 등에 대한 이해가 선행되어야 한다. 이런 고전적 지식을 가지고 PID 와 같은 제어기를 설계해왔으며, 아직도 실제 비행체에 적용은 PID에서 벗어나지 못하고 있다. 그러나 고전제어는 시스템에 대한 일반적인 선형화 방정식을 요구하며, 대부분의 논문들 역시 선형화에 대한 가정을 전제로 제어문제에만 초점을 맞추는 경향이 있다. 현대 제어는 비선형 방정식을 직접 공략하기도 하지만, 강인제어를 적용시킬 경우 대부분은 시스템의 선형화된 방정식을 요구한다. 이 논문은 제어의 결과에 대한 물리적 해석을 시도하기 위해서 비행체에 상당히 근사한 방정식인 6자유도를 유도하는 것부터 논의를 시작한다. 논문은 크게 4 부분으로 나뉘어진다. 첫번째로 우주 발사체의 6 자유도를 유도하고, 두 번째로 6 자유도에 다이나믹 인버전 방법을 적용한다. 셋째는 선형화이고, 마지막은 강인제어의 적용이다. 강인제어를 이용한 의도는 비행체의 불확실한 모델에도 불구하고 안정적인 제어기를 설계하기 위함이다. 설계는 MATLAB을 이용했다. To design a controller, one must know various classical concepts such as Bode plots, stability margins, gain margins, and phase margins. So with above knowledge, one can design controller like PID. But classical control needs a linearizied equation. And most papers dealing with the control assume the given system dynamic which is linear. Therefore papers only dealing the control area are short of catching the physical meaning of the results. So this paper will deal from the system dynamics to the control. The processes divided into four parts. The first is 6 Degree Of Freedom system dynamics, the second is dynamic inversion methods, and the third is the linearization of the nonlinear equations. The last part is the robust control. The robust control was selected to overcome the model uncertainity. The object applied by the above processes is the 4-stage space launch vehicle. MATLAB was used to design the controller.