KR0155804B1

KR0155804B1 - 통합시뮬레이션장치

Info

Publication number: KR0155804B1
Application number: KR1019950004142A
Authority: KR
Inventors: 안성호
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1998-11-16
Also published as: KR960032187A

Abstract

서로 다른 목적으로 개발된 복수의 시뮬레이션툴(simulation tool)들을 하나의 통합된 환경으로 구축하여 제품의 개발기간을 단축하게 하는 장치가 개시된다.

이에 따라서 본 발명에 따른 통합시뮬레이션장치는 기계장치의 복잡한 비선형 운동방정식을 일일이 풀지 않고 실제 기계장치와 유사하게 모델링된 플랜트에 원하는 명령을 다양하게 줄 수 있고, 그 결과를 받아 해석을 하여 필요시에는 제어기를 수정하거나 기계장치의 모델을 수정할 수 있는 효과가 있다.

Description

통합시뮬레이션장치

제1도는 일반적인 제어시스템의 블럭도이다.

제2도는 본 발명의 일 실시예를 보이는 도면이다.

제3도는 본 발명의 다른 실시예를 보이는 도면이다.

제4도는 본 발명의 또 다른 실시예를 보이는 도면이다.

제5도는 제4도에 도시된 장치를 상세히 보이는 블럭도이다.

제6도는 일반적인 2링크 매니퓰레이터를 보이는 도면이다.

본 발명은 서로 다른 목적으로 개발된 복수의 시뮬레이션툴(simulation tool)들을 하나의 통합된 환경으로 구축하여 제품의 개발기간을 단축하게 하는 장치에 관한 것이다.

제품개발에 있어서 시뮬레이션은 필수적인 요소이다. 종래에는 제품설계의 중요한 단계인 구조설계, 기구설계, 제어기 설계 등 각각의 단계에서 독자적으로, 부분적인 시뮬레이션만을 수행하였다. 예를 들어 제어기의 설계자는 기본적으로 플랜트의 모델을 필요로 하는데, 이를 기구설계용 시뮬레이션 시스템에서 모델을 가지고 있는 것이 아니라 제어기 설계자가 근사적인 플랜트모델에 대한 수식을 세워서 설계하게된다. 즉, 각 설계단계에서의 데이타 공유가 이루어지지 않는다.

이러한 방법에 의해서는 시제물을 만든 후에야 제품의 설계타당성을 검증하게 되고, 문제점 발생시에는 다시 제작하게 됨으로써 제품의 개발기간이 지연되고 개발비가 증대된다.

다시 말해서 종합적인 최적설계가 이루어지지 않은 상태에서의 제품개발은 경쟁력을 약화시키고 개발자들에게 창조적인 면보다 제품시험에 지나치게 많은 시간을 소비하게 한다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적을 서로가 다른 목적으로 개발된 시뮬레이션툴들을 통합시켜 통합된 환경에서 제품을 개발할 수 있는 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 통합시뮬레이션장치는 기구설계용 시뮬레이션툴과 제어기설계용 시뮬레이션툴을 하나로 통합시켜 제어기 및 플랜트를 설계할 수 있는 통합시뮬레이션 시스템에 있어서, 센서모델 라이브러리; 구동원모델 라이브러리; 입력되는 플랜트 제어명령을 해석하기 위한 명령해석기; 플랜트의 목표데이타를 유입하고, 상기 구동원모델 라이브러리를 참조하여 상기 플랜트 제어데이타를 발생시키며, 기구설계용 시뮬레이션툴의 실행데이타를 유입하여 상기 센서 라이브러리를 참조하여 플랜트의 계측데이타를 발생시키기 위한 제어기설계용 시뮬레이션툴;

상기 제어데이타를 워크스테이션 측으로 전송하기 위한 기구설계용 시뮬레이션툴의 네특웍 드라이버;

워크스테이션 측으로 전송된 제어데이타에 따라 상기 플랜트의 모델변경 및 시뮬레이션을 실행하고, 그에 대한 실행데이타를 발생시키기 위한 기구설계용 시뮬레이션툴;

상기 기구설계용 시뮬레이션툴의 실행데이타를 입력하여, 상기 제어기설계용 시뮬레이션툴로 피드백시켜 전송하기 위한 제어기설계용 시뮬레이션툴의 네트웍 드라이버; 및 상기 제어기설계용 시뮬레이션툴과 기구설계용 시뮬레이션툴과의 인터페이스를 수행하는 인터페이스부를 포함함을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 제1도는 일반적인 제어시스템을 보이는 블럭도로서, 제어기(10), 구동원(12), 플랜트(14), 센서(16), 그리고 오차신호 발생기(18)을 구비한다.

본 발명에 있어서는 제어기(10)와 플랜트(14)는 시뮬레이션툴로 구현되고, 구동원(12)과 센서(16) 및 오차신호 발생기(18)는 라이브러리(library)에 의해 구현된다.

본 발명의 통합시뮬레이션장치는 대략 3가지의 방법으로 구현될 수 있다. 첫째는 제2도에 도시되는 바와 같이 2개의 독립된 시뮬레이션툴을 하나의 워크스테이션에 설치하는 것이고, 둘째는 제3도에 도시되는 바와 같이 2개의 워크스테이션이 별도로 설치하는 것이며, 그리고 세번째는 제4도에 도시되는 바와 같이 하나의 퍼스널컴퓨터와 하나의 워크스테이션에 별도로 설치하고 네트웍 케이블에 의해 연결시키는 것이 있다.

이러한 것들은 기술적인 측면에서의 차이라기 보다는 그것이 구현되는 환경에 의한 차이에 불과하다. 다만, 제어기설계용 시뮬레이션툴은 제어기 설계 및 해석, 그리고 결과를 표시할 수 있는 기능이 있어야 하고, 기구설계용 시뮬레이션툴은 기계장치의 모델링, 시뮬레이션 및 결과를 표시할 수 있는 기능이 있어야 한다. 본 발명에서는 사용빈도가 높을 것으로 예상되는 워크스테이션과 퍼스널컴퓨터에서 구현된 예를 들어 설명한다.

제5도는 제4도에 도시된 장치를 보다 구체적으로 보이는 블럭도이다. 제5도에 도시된 장치는 워크스테이션(50), 퍼스널컴퓨터(52), 센서 모델 라이브러리(54), 구동원 모델 라이브러리(56)을 구비한다.

워크스테이션(50)은 기구설계용 시뮬레이션툴(50a), 인터페이스부(50b), 네트웍 드라이버(50c), 그리고 모델링된 플랜트 라이브러리(50d)를 구비한다.

퍼스널컴퓨터(52)는 제어기설계용 시뮬레이션툴(52a), 명령해석기(52b), 네트웍 드라이버(52c)를 구비한다.

제5도에 도시된 장치의 동작을 설명한다. 사용자는 퍼스널컴퓨터(52)에서 플랜트 제어명령을 인가한다. 이 제어명령은 명령해석기(52b)를 통하여 제어기설계용 시뮬레이션툴(50a)에 제공된다.

제어기설계용 시뮬레이션툴(52a)은 센서라이브러리(54) 및 구동원 모델 라이브러리(56)를 참조하여 인가된 제어명령에 상응하는 플랜트의 제어데이타를 발생한다.

이 제어데이타는 퍼스널컴퓨터(52)측의 네트웍 드라이버(52c)를 통하여 워크스테이션(50)측의 네트웍 드라이버(50c)에 전송된다. 워크스테이션(50)측의 인터페이스부(50b)는 네트웍 드라이버(50c)를 통하여 수신된 제어데이타를 수신하여 기구설계용 시뮬레이션툴(50a)로 전달한다. 기구설계용 시뮬레이션툴(50a)은 수신된 제어데이타에 따라 기계장치의 모델변경 및 시뮬레이션 등을 수행하고, 그 결과된 데이타를 인터페이스부(50b) 및 네트웍 드라이버(50c)를 통하여 퍼스널컴퓨터(52)로 되돌려 준다.

이 데이타들은 화일(file)화하여 언제든지 그래프로 표현되어질 수 있다. 사용자는 이 데이타를 근거로 플랜트가 원하는 특성이 나올 수 있도록 새로운 제어명령을 인가한다. 추가적으로 제어기설계용 시뮬레이션툴(52a)에는 사용자가 사용하기 편리하도록 센서 모델 라이브러리(54)와 구동원 모델 라이브러리(56)를 추가하여 종합적이고 최적의 시뮬레이션환경을 구현한다.

제6도는 로보트에 주로 사용되는 2링크 매니퓰레이터를 보이는 도면이다. 2링크 매니퓰레이터는 Z축을 회전축으로 갖는 2개의 회전관적을 가지고 있으며 전기모터로 구동된다. 두 링크의 길이는 각각 L이고 질량은 m1, m2이다. 관절 J1에 위치한 좌표계(X₀, Y₀, Z₀)의 X₀축과 링크1과의 각도를이라 하고, 관절 J2에 위치한 좌표계(X₁, Y₂, Z₁)의 X₁축과 링크2과의 각도를이라 한다.

이러한 기계장치를 실제 제작 이전에 기구설계 및 제어기 설계를 컴퓨터에서 시뮬레이션하는 것은 다음과 같이 수행된다.

먼저, 함수발생기는 제7도에 도시된 좌표계(X₀, Y₀, Z₀)를 기준으로 하는 E점의 위치 X₀, Y₀및 속도를 시간에 따라 변화시켜 준다. 그러면 E점의 속도 및 위치는 다음의 식(1), 식(2)와 같은 관계를 갖는다.

식(1)과 식(2)는 제6도의 E점의 궤적이며 이 궤적을 만족시키기 위해서는 각 관절 J1, J2의 회전위치를 전기모터로 구동제어해야 한다. 즉, 함수발생기에서 발생시키는 레퍼런스(reference)는 θ₁(t), θ₂(t), /dt, dθ₁(t)/dt이다.

이 값들은 식(1)과 식(2)에서 역기구변환을 시키면 아래의 식(3), 식(4)와 같이 된다.

이러한 속도와 위치 명령을 제어기가 받으면 제어기는 이 속도에 상응하는 모터의 토오크(torque)를 내기위해 전류를 출력하며, 이미 만들어진 구동원(전기모터) 모델 라이브럴를 통하여 모터의 실제 토오크 τ₁과 τ₂를 만든다. 이때 모델링 기계장치의 운동방정식은 기구설계용 시뮬레이션툴에서 만들어 준다.

여기서, D는 관성항이고, h는 코이로리스(corioris)효과와 원심력항이며, 그리고 c는 중력항이다.

이렇게 모델링된 플랜트로 토오크 τ₁과 τ₂를 가하면 일전시간(샘플시간)이 결과한 후의 각 매니퓰레이터의 속도와 위치를 네트웍 드라이버를 통해 제어기로 보내어진다. 그러면 이 데이타들은 이미 만들어진 센서모델링 라이브러리를 거쳐 실제 센서와 유사하게 오차와 약간의 잡음을 고려하여 제어기로 돌아온다. 그러면 제어기는 이 데이타를 판단하여 이전에 원했던 값들과의 오차를 계산하고 새로운 속도 및 위치 명령에 보상치를 주게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 통합시뮬레이션장치는 기계장치의 복잡한 비선형 운동방정식을 일일이 풀지 않고 실제 기계장치와 유사하게 모델링된 플랜트에 원하는 명령을 다양하게 줄 수 있고, 그 결과를 받아 해석을 하여 필요시에는 제어기를 수정하거나 기계장치의 모델을 수정할 수 있다.

또한 식(5)와 같은 운동방정식을 파일로 생성하고 네트웍 드라이버를 통해 제어기설계용 시뮬레이션툴로 보내어 링크시킨 후 제어블럭도의 플랜트블럭으로도 사용할 수 있다.

Claims

기구설계용 시뮬레이션툴과 제어기설계용 시뮬레이션툴을 하나로 통합시켜 제어기 및 플랜트를 설계할 수 있는 통합시뮬레이션시스템에 있어서, 센서모델 라이브러리; 구동원모델 라이브러리; 입력되는 플랜트 제어명령을 해석하기 위한 명령해석기; 플랜트의 목표데이타를 유입하고, 상기 구동원모델 라이브러리를 참조하여 상기 플랜트 제어데이타를 발생시키며, 기구설계용 시뮬레이션툴의 실행데이타를 유입하여 상기 센서 라이브러리를 참조하여 플랜트의 계측데이타를 발생시키기 위한 제어기설계용 시뮬레이션툴; 상기 제어데이타를 워크스테이션 축으로 전송하기 위한 기구설계용 시뮬레이션툴의 네트웍 드라이버; 워크스테이션 측으로 전송된 제어데이타에 따라 상기 플랜트의 모델변경 및 시뮬레이션을 실행하고, 그에 대한 실행데이타를 발생시키기 위한 기구설계용 시뮬레이션툴; 상기 기구설계용 시뮬레이션툴의 실행데이타를 입력하여, 상기 제어기설계용 시뮬레이션툴로 피드백시켜 전송하기 위한 제어기설계용 시뮬레이션툴의 네트웍 드라이버; 및 상기 제어기설계용 시뮬레이션툴과 기구설계용 시뮬레이션툴과의 인터페이스를 수행하는 인터페이스부를 포함하는 통합시뮬레이션장치.