KR0123713B1 - Apparatus and method for proportional differential and integral control by fuzzy theory - Google Patents
Apparatus and method for proportional differential and integral control by fuzzy theoryInfo
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Abstract
본 발명은 퍼지 추론을 이용한 강력한 비례 적분 미분 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 시스템의 급작스런 변화에 대응하여 비례 적분 미분(PID) 제어 장치로도 대응이 곤란할 경우 퍼지 추론을 이용하여 PID 제어 장치의 파라미터를 적절하게 바꾸어 주어 안정된 제어를 함으로써 시스템의 급작스런 변화에 대응할 수 있도록 한 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치 및 방법은 퍼지 추론을 하는 퍼지 이득 제어기를 폐루프와 다른 별도의 경로를 통해 PID 제어기를 제어하도록 함으로써, 제어 대상 시스템의 오차와 오차의 변화율이 어느 정도인지를 먼저 판단한 다음 오차의 정도에 따라 퍼지 이득 제어기를 정지 또는 작동시켜 PID 제어기 고유의 강력한 제어를 실행할 수 있고, 파라미터가 일정 수준 이상 벗어나더라도 퍼지 추론에 의해 전문가의 견지에서 이득 조정을 할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a powerful proportional integral derivative control device and method using fuzzy inference, and in detail, PID control using fuzzy inference when it is difficult to cope with a PID control device in response to a sudden change of the system. The present invention relates to a proportional integral differential control device and method using fuzzy inference that can be changed to a sudden change of the system by changing the parameters of the device to perform a stable control. That is, the PID control apparatus and method using fuzzy inference according to the present invention control the PID controller through a separate path from the closed loop to the fuzzy gain controller for fuzzy inference, so that the error and the rate of change of the control target system are increased. First, determine how much, and then stop or operate the fuzzy gain controller according to the degree of error to execute the powerful control unique to the PID controller, and even if the parameter is out of a certain level, it is possible to adjust the gain from the expert's point of view by fuzzy inference. There are advantages to it.
Description
제1도는 종래의 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 블록도이고,1 is a block diagram of a PID control apparatus using a conventional fuzzy inference,
제2도는 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 블록도이며,2 is a block diagram of a PID control apparatus using fuzzy inference according to the present invention,
제3도는 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 제어 순서도이다.3 is a control flowchart of a PID control apparatus using fuzzy inference according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 퍼지 튜너 2 : PID 제어기1: fuzzy tuner 2: PID controller
3 : 시스템 11 : 퍼지 튜너3: system 11: fuzzy tuner
12 : PID 제어기 13 : 시스템12: PID controller 13: system
14 : 평방 에러 적분기14: square error integrator
본 발명은 퍼지 추론을 이용한 강력한 비례 적분 미분 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 시스템의 급작스런 변화에 대응하여 강력한 비례 적분 미분(PID) 제어 장치로도 대응이 곤란할 경우 퍼지 추론을 이용하여 PID 제어 장치의 파라미터를 적절하게 바꾸어 주어 안정된 제어를 함으로써 시스템의 급작스런 변화에 대응할 수 있도록 한 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a powerful proportional integral derivative control device and method using fuzzy inference, and in detail, it is difficult to cope with a strong proportional integral differential (PID) control device in response to a sudden change of a system by using a fuzzy inference PID. The present invention relates to a proportional integral derivative control device and method using fuzzy inference that can be changed to a sudden change of the system by changing the parameters of the control device to perform a stable control.
제1도는 종래의 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 블록도이다. 여기서 그 구성을 살펴보면 다음과 같다.1 is a block diagram of a PID control apparatus using conventional fuzzy inference. The configuration is as follows.
제어 대상이 되는 시스템(3)과 이 시스템(3)을 비례, 적분 및 미분 제어하는 강력한 비례 적분 미분(PID) 제어기(2) 및 PID 제어기의 파라미터를 미리 파악된 양 만큼 변화시키는 퍼지 튜너(이득 결정기, 1)로 이루어져 있다. 이와 같이 구성된 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치는 다음과 같이 동작한다.Fuzzy tuner (gain) for varying the parameters of the system (3) to be controlled, the powerful proportional integral derivative (PID) controller 2 which controls the system 3 proportionally, integrally and differentially and the PID controller by a predetermined amount It consists of a crystallizer, 1). The PID control apparatus using the fuzzy inference configured as described above operates as follows.
먼저, 오차와 오차의 변화율을 퍼지 이득 결정기(1)가 관찰하여 현재 설정된 PID 제어기(2)의 피라미타를 얼마나 변화시켜야 하는가를 결정한다.First, the error and the rate of change of the error are observed by the fuzzy gain determiner 1 to determine how much the parameter of the currently set PID controller 2 should be changed.
다음에 앞서 결정된 양 만큼 PID 제어기(2)의 파라미터를 변화시키고, 그 다음으로 변화된 파라미터에 의해서 결정된 제어 입력을 대상시스템(3)에 인가하는 방식으로 동작을 한다.It then operates in such a way as to change the parameters of the PID controller 2 by the amount previously determined and then apply the control input determined by the changed parameters to the target system 3.
이와 같은 동작 방식을 요약하면, 퍼지 이득 결정기(1)가 없는 일반적인 PID 제어 시스템과 동일한 동작을 하지만, 항상 오차와 오차의 변화율에 따라서 늘 PID 제어기의 PID 파라미터를 어느 정도 변화시키는 방식으로 설명할 수 있다.In summary, the operation is the same as a general PID control system without the fuzzy gain determiner 1, but it can always be explained by changing the PID parameters of the PID controller to some extent according to the error and the rate of change of the error. have.
그러나 이상과 같은 동작의 퍼지 추론 이용한 PID 제어 장치는However, the PID control device using fuzzy inference of the above operation
1. 일반적으로 퍼지 추론을 하는데 많은 프로그램 코드와 많은 계산시간이 요구되는 문제점이 있다. 즉, 제1도에 도시된 바와 같이 퍼지 이득 결정기(1)가 폐회로 내에 있어서, 항상 PID 이득을 변화시켜주게 되면 많은 시간이 소요된다.1. Generally, fuzzy inference requires a lot of program code and computation time. That is, as shown in FIG. 1, since the fuzzy gain determiner 1 is in a closed circuit, it will take a lot of time if the PID gain is always changed.
2. 제1도에 도시된 바와 같이 퍼지 이득 결정기(1)가 PID 제어기(2) 및 제어 대상 시스템(3)과 동일 폐회로 내에 있어서, PID 제어기(2)의 강력한 제어 능력을 충분히 발휘하지 못하게 하므로, 실제 생산 라인에서는 사용하기가 어렵고, 또한, 파라미터가 어느 정도를 벗어나서 변화하게 되면, 오히려 시스템의 안정성에 악영향을 미치게 되어 시스템이 불안해 질 수 있다.2. As shown in FIG. 1, the fuzzy gain determiner 1 is not in the same closed circuit as the PID controller 2 and the control target system 3, so that the powerful control capability of the PID controller 2 is not sufficiently exhibited. It is difficult to use in actual production line, and if the parameter is changed to some extent, it may adversely affect the stability of the system and the system may become unstable.
3. 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 변화의 정도를 아주 미세하게 하려면 그 만큼 정밀하게 측정을 하여야만 하게 되므로, 더욱 정밀한 센서 시스템이 필요하게 되는 문제점이 발생한다. 이와 같이 되면 전체 시스템의 가격이 비싸지게 된다.3. In order to solve the above problems, a very small degree of change has to be measured precisely, and thus a problem of requiring a more precise sensor system occurs. This makes the overall system expensive.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 오차와 오차의 변화율이 전문가가 판단하기에 PID 제어기로도 극복하기 어려운 상황에 이르게 될 때에만 퍼지 이득 결정기가 동작하도록 하여, PID 제어기 고유의 강력한 제어 능력을 충분히 활용할 수 있고, 제어에 소요되는 시간을 최소화한 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and the fuzzy gain determiner operates only when the error and the rate of change of the error are difficult to overcome even by the PID controller, which is determined by the expert. The object of the present invention is to provide a PID control apparatus and method using fuzzy inference that can fully utilize the powerful control capability and minimize the time required for control.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치는, 제어 대상이 되는 시스템을 구비한 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 장치에 있어서, 상기 시스템을 소정의 파라미터 값으로 비례, 적분 및 미분 제어하는 비례 적분 미분 제어 수단; 상기 시스템 및 비례 적분 미분 제어 수단의 폐 제어 루프에 별도의 제어 루프를 형성하도록 상기 비례 적분 미분 제어 수단에 접속되어, 상기 시스템의 제어 오차 및 오차의 변화율이 그 이전의 오차 및 오차의 변화율 보다 소정값 이상 차이가 나는가를 판단하고, 상기 소정값 이상 차이가 날 경우 상기 비례 적분 미분 제어 수단의 상기 파라미터 값을 소정의 양 만큼 변화시키는 퍼지 이득 결정 수단; 그리고 상기 제어 오차 및 오차의 변화율을 검출하는 오차 검출 수단;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 상기 오차 검출 수단은 적분 평방근 에러(ISE)법을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 오차 검출 수단 및 상기 퍼지 이득 결정 수단은 상기 비례 적분 미분 제어 수단을 피드 포워드 방식으로 제어하도록 접속된 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, a PID control apparatus using fuzzy inference according to the present invention is a proportional integral differential control apparatus using fuzzy inference having a system to be controlled, and proportionally scales the system to a predetermined parameter value. Proportional integral derivative control means for controlling integration and derivative; Connected to the proportional integral differential control means to form a separate control loop in the closed control loop of the system and the proportional integral differential control means, so that the control error and the rate of change of the error of the system are less than the previous error and rate of change of the error Fuzzy gain determining means for determining whether there is a difference more than a value and changing the parameter value of the proportional integral derivative control means by a predetermined amount when the difference is greater than or equal to the predetermined value; And error detection means for detecting the control error and the rate of change of the error. In the present invention, the error detecting means preferably uses an integrated square root error (ISE) method, and the error detecting means and the fuzzy gain determining means are connected to control the proportional integral differential control means in a feed forward manner. It is preferable.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 장치는, 제어 대상이 되는 시스템을 구비한 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 장치에 있어서, 상기 시스템을 소정의 파라미터 값으로 비례, 적분 및 미분 제어하는 비례 적분 미분 제어수단; 상기 시스템 및 비례 적분 미분 제어 수단의 폐 제어 루프에 별도의 제어 루프를 형성하도록 상기 비례 적분 미분 제어 수단에 접속되어, 상기 시스템의 제어 오차 및 오차의 변화율이 그 이전의 오차 및 오차의 변화율 보다 소정값 이상 차이가 경우 상기 비례 적분 미분 제어 수단의 상기 파라미터 값을 소정의 양 만큼 변화시키는 퍼지 이득 결정 수단; 그리고 상기 제어 오차 및 오차의 변화율을 검출하는 동시에 이 검출된 제어 오차 및 오차의 변화율이 그 이전의 오차 및 오차의 변화율보다 소정값 이상 차이가 나는 가를 판단하여 상기 비례 적분 미분 제어 수단의 상기 파라미터 값을 변화시키는 상기 퍼지 이득 결정 수단을 작동시키는 오차 검출 판단 수단;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the proportional integral differential control device using another fuzzy inference according to the present invention, in the proportional integral differential control device using a fuzzy inference provided with a system to be controlled, the predetermined system Proportional integral derivative control means for controlling proportional, integral and derivative with a parameter value of the? Connected to the proportional integral differential control means to form a separate control loop in the closed control loop of the system and the proportional integral differential control means, so that the control error and the rate of change of the error of the system are less than the previous error and rate of change of the error Fuzzy gain determining means for changing the parameter value of the proportional integral derivative control means by a predetermined amount when there is a difference of a value or more; And detecting the control error and the rate of change of the error, and determining whether the detected control error and the rate of change of the error differ by more than a predetermined value from the previous error and the rate of change of the error to determine the parameter value of the proportional integral derivative control means. And error detection judging means for operating the fuzzy gain determining means for varying the value.
본 발명에 있어서, 상기 오차 검출 판단 수단은 적분 평방근에러(ISE)법을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 오차 검출 수단 및 상기 퍼지 이득 결정 수단은 강기 비례 적분 미분 제어 수단을 피드 포워드 방식으로 제어하도록 접속된 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the error detection determining means uses an integrated square root error (ISE) method, and the error detecting means and the fuzzy gain determining means are connected to control the force proportional integral differential control means in a feed forward manner. Is preferred.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 방법은, 제어 시스템을 작동시키는 단계; 상기 시스템의 비례 적분 미분 제어의 수행을 감시하여 제어 오차 및 오차의 변화율을 검출하는 단계; 상기 검출된 제어 오차 및 오차의 변화율이 소정값 이하인 조건을 만족하는 가를 판단하는 단계; 상기 판단 결과가 상기 조건을 만족하면 상기 시스템 작동 단계를 다시 시작하고, 상기 조건을 만족하지 않으면 퍼지 추론을 이용하여 상기 비례 적분 미분 제어를 위한 파라미터를 소정값 만큼 변경하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 비례 적분 미분 제어 장치 및 방법을 설명한다.In order to achieve the above object, the proportional integral derivative control method using fuzzy inference according to the present invention comprises the steps of: operating a control system; Monitoring the performance of the proportional integral derivative control of the system to detect a control error and a rate of change of the error; Determining whether the detected control error and the change rate of the error satisfy a condition equal to or less than a predetermined value; Resuming the system operation step if the determination result satisfies the condition and changing the parameter for the proportional integral derivative control by a predetermined value using fuzzy inference if the condition is not satisfied; Characterized in that it comprises a. Hereinafter, a proportional integral derivative control apparatus and method using fuzzy inference according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 블럭도이다. 여기서 그 구성을 살펴보면 다음과 같다. 제어 대상이 되는 시스템(13), 이 시스템(13)을 적절하게 설정된 일정한 파라미터 값으로 비례, 적분 및 미분 제어하는 PID 제어기(12)가 구비된다. 이들 시스템(13) 및 PID 제어기(12)로 구성된 제어용 폐루프에 별도의 피드 포워드 방식의 제어 루프를 형성하도록 상기 PID 제어기(12)에 접속되는 퍼지 이득 결정 수단(퍼지 튜너, 11)이 마련되어, 상기 시스템(13)의 제어 오차 및 오차의 변화율이 그 이전의 오차 및 오차의 변화율 보다 30% 이상 차이가 나는가를 판단하여, 30%이상 차이가 날 경우 상기 PID 제어기(12)의 파라미터 값을 일정량 변화시킨다. 그리고 시스템 제어 오차 및 오차의 변화율을 적분 평방근에러(ISE; integral square error) 방법으로 검출하는 오차 검출기(14)가 퍼지 튜너(11) 앞에 구비된다.2 is a block diagram of a PID control apparatus using fuzzy inference according to the present invention. The configuration is as follows. A system 13 to be controlled is provided, and a PID controller 12 which controls the system 13 proportionally, integrally and differentially with a constant parameter value set appropriately. Fuzzy gain determining means (purge tuner) 11 is provided which is connected to the PID controller 12 to form a separate feed forward control loop in a control closed loop composed of these systems 13 and PID controller 12, It is determined whether the rate of change of the control error and the error of the system 13 differs by more than 30% from the rate of change of the previous error and the error, and when the difference is 30% or more, the parameter value of the PID controller 12 is fixed by a certain amount. Change. In addition, an error detector 14 for detecting a system control error and a rate of change of the error by an integral square error (ISE) method is provided in front of the fuzzy tuner 11.
여기서 PID 제어 장치는 일반적으로 산업체에서 많이 사용되는 제어 장치로서, 다음 식과 같은 전달 함수 U를 가진다.Here, the PID control device is a control device generally used in industry and has a transfer function U as shown in the following equation.
여기서 b는 설정점 가중값(set point weight)으로 통상 0.75 정도의 값을 사용한다.Where b is a set point weight, usually around 0.75.
퍼지 이득 결정기(퍼지 튜너, 11)는 시스템의 이득을 재결정해야 하는지에 대한 판단을 하는 부분과 이 판단에 의해 이득을 재결정하는 부분으로 나뉘며, 이는 PID 제어기(12)의 파라미터 값을 일정한 값 만큼 변경함으로써 이루어진다. 다른 실시예에는 시스템의 이득을 재결정해야하는 지에 대한 판단을 하는 부분은 적분 평방근 에러(ISE; integral square error)법에 의한 오차 검출기(14)에 둔다.The fuzzy gain determiner (fuzzy tuner 11) is divided into a part of judging whether the gain of the system should be re-determined and a part of re-determining gain by this judgment, which changes the parameter value of the PID controller 12 by a constant value. By doing so. In another embodiment, the part of determining whether the gain of the system should be re-determined is placed in the error detector 14 by integral square error (ISE) method.
이와 같이 구성된 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 제어 방법을 제3도를 참조하면서 설명하면 다음과 같다.The control method of the PID control apparatus using the fuzzy inference configured as described above will be described with reference to FIG.
상기와 같은 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치의 제어 방법은 제3도의 순서도에 도시된 바와 같다.The control method of the PID control apparatus using the fuzzy inference as described above is as shown in the flowchart of FIG.
먼저 시스템(13)을 작동시키면, 그 출력값(y)의 일부가 페루프에 의해 피드백되어 적분 평방근 에러(ISE)에 의한 오차 검출기(14)에 인가되어 시스템의 수행 상태가 감시된다. 시스템의 정상적으로 동작하고 있으면 즉 오차 검축기(14)에서 검출된 오차값이 바로 이전의 오차값보다 30% 미만이면 퍼지 튜너(13)는 동작을 하지 않아 순수하게 PID 제어에 의해서만 시스템이 제어되며, 상기 검출된 오차값이 상기 조건을 만족시키지 못하면(30% 이상이면) 퍼지 튜너(이득 결정기, 11) 동작하여 시스템의 이득을 재결정하게 된다. 물론 여기서 시스템의 동작에 큰 영향을 미치지 않게 이득의 변화가 일어나도록 PID 제어기(12)의 파리미터를 조금만 변경한다. 즉, 이득이 재결정 되면 PID 제어기의 파라미터를 변화시켜 새롭게 개선된 시스템의 이득을 얻게된다.When the system 13 is first operated, a part of its output value y is fed back by the Peruf and applied to the error detector 14 due to the integral square root error ISE to monitor the performance of the system. If the system is operating normally, that is, if the error value detected by the error detector 14 is less than 30% of the previous error value, the fuzzy tuner 13 does not operate and the system is purely controlled by PID control. If the detected error value does not satisfy the condition (more than 30%), the fuzzy tuner (gain determiner) 11 operates to re-determine the gain of the system. Of course, the parameters of the PID controller 12 are changed a little so that a change in gain may occur so as not to greatly affect the operation of the system. In other words, if the gain is re-determined, the parameters of the PID controller are changed to obtain the gain of the newly improved system.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 퍼지 추론을 이용한 PID 제어 장치 및 방법은 퍼지 추론을 하는 퍼지 이득 제어기를 폐루프와 다른 별도의 경로를 통해 PID 제어기를 제어하도록 함으로써, 제어 대상 시스템의 오차와 오차의 변화율이 어느 정도인지를 먼저 판단한 다음 오차의 정도에 따라 퍼지 이득 제어기를 정지 또는 작동시켜 PID 제어기 고유의 강력한 제어를 실행할 수 있고, 파라미터가 일정 수준 이상 벗어나더라고 퍼지 추론에 의해 전문가의 견지에서 이득 조정을 할 수 있는 장점이 있다.As described above, the PID control apparatus and method using the fuzzy inference according to the present invention to control the PID controller through a separate path from the closed loop to the fuzzy gain controller for fuzzy inference, the error and error of the control target system First, determine how much the rate of change is, and then stop or operate the fuzzy gain controller according to the degree of error to execute the powerful control unique to the PID controller, and gain from the expert's point of view by fuzzy inference even if the parameter is out of a certain level. There is an advantage to making adjustments.
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1995
- 1995-05-24 KR KR1019950013081A patent/KR0123713B1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR960042277A (en) | 1996-12-21 |
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