KR100198056B1 - 귀환 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제어대상의 동특성의 변동로 인한 과도응답을 최소화할 수 있고 응답속도를 향상시킬 수 있는 귀환 자동 제어장치에 관한 것이다.
상기 귀환 자동 제어장치는 제어대상에서 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 제1조작변수를 출력하는 비례소자, 적분소자, 차동소자 및 그 조합체 중 적어도 1 이상의 소자와, 오차를 입력하여 소정의 추론규칙에 근거하여 퍼지추론을 수행함으로써 제어대상에 공급될 제2조작변수를 산출하는 퍼지추론수단과, 오차를 적어도 1 이상의 소정값과 비교하여 그 결과에 따른 제1 및 제2가중치를 연산함으로서 가중치들이 0 에서 1 의 영역에서 선택적으로 변화되도록 차는 수단과, 제1 및 제2가중치에 의해 제1 및 제2조작변수를 각각 승산하여 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 발행하는 수단과, 제1 및 제2 가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제2조작변수를 발생하는 출력수단을 구비한다.

Description

귀환 제어 장치 및 방법
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 귀환 제어장치의 기능 블럭도.
제2도는 퍼지제어용 추론 규칙의 일 예를 도시하는 표.
제3도는 추론 규칙의 추정 멤버쉽 함수들의 일 예를 도시하는 그래프.
제4도는 제1도의 실시예에서 달성된 귀환 제어의 동작 수순을 도시하는 흐름도.
제5도는 본 발명에 따른 귀환 자동 제어장치 및 방법의 응답특성을 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 제어대상 12 : PI 제어기
14 : 퍼지 저어기 16 : 가중치 제어기
18 : 감산기 20 : 적분기
22,24 : 제1 및 제2승산기 26 : 가산기
본 발명은 서보시스템에 사용되어 제어대상의 동특성이 변동하더라도 제어대상의 속도를 정확하게 조절하는 속도 제어계에 관한 것으로, 특히 제어대상의 동특성의 변동에 능동적으로 응답하고 제어대상의 속도를 효율적으로 제어할 수 있는 귀환(Feedback) 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 공장 자동화가 가속화됨에 따라 컨베이어 및 로봇과 각종 산업용기기는 AC 모터의 회전력에 의해 구동되어 물건을 한 장소로부터 다른 장소로 운반하거나 제품의 조립공정을 수행한다. 이러한 산업용 기기는 물건의 운반 및 부품의 조립을 정확하게 수행하기 위해 뛰어난 특성 및 고성능의 AC 모터를 요구할 뿐만아니라 속도를 정확하게 조절할 수 있는 속도 제어계를 요구한다.
속도 제어계는 통상 귀환 자동 제어장치를 사용하고, 이 귀환 자동 제어장치는 목표치(Target value) 및 제어대상물에서 검출된 제어변수(Control variable)간의 편차(Deviation)에 따라 비례 제어(Proportional Control: 이하 P 제어라 함), 적분 제어(Integral Control: 이하 I 제어라 함), 차동 제어(Differential Control: 이하 D 제어라 함) 및 이들의 조합한 비례적분 제어(Proportional Integral Control: 이하 PI 제어라 함)방식으로 구분된다. 이러한 귀환 자동 제어 장치들은 제어대상의 부하변동 및 외란(외부 잡음)에 대하여 능동적으로 대처할 수 없는 단점을 안고 있었다.
P, I, D 및 PI 방식의 귀환 자동 제어장치들의 단점을 해소하기 위한 방안으로 퍼지 제어기와 PID 제어기를 조합한 병렬형 귀환 자동 제어장치가 퍼지 셀 및 시스템의 1995년 7월호 볼륨 71 폐이지 113 내지 129에 개시되었다. 이 병렬형 귀환 자동 제어장치는 퍼지 제어기와 PID 제어기를 병렬 접속하여 제어대상의 상태에 따라 두개의 제어기를 적절히 절환하여 제어대상의 부하변동 및 외란에 대처한다. 이를 상세히 하면, 병렬형 귀환 자동 제어장치는 오차의 위상공간상에서 퍼지 제어영역 및 PID 제어영역을 설정하여 제어대상의 출력이 어느 위상공간상에 위치하는가에 따라 퍼지 제어기 또는 PID 제어기를 선택적으로 구동한다. 그러나, 이 병렬형 귀환 자동 제어장치는 퍼지 제어기와 PID 제어기를 절환함으로써 제어대상의 출력에 불연속구간이 발생되도록 한다. 이로 인하여, 이 병렬형 귀환 자동 제어장치는 시스템을 불안정하게 하는 단점을 안고 있다.
상기 병렬형 귀환 자동 제어장치의 단점을 해결하기 위한 방안으로 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치가 미국특허 제5,247,432 호에 의해 제안되었다. 미국특허 제5,247,432 호에 따르면, 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치는 PI 제어기 및 퍼지 제어기가 제어대상으로부터 검출된 제어변수와 목표치간의 편차에 공통적으로 응답하도록 한다. 그리고 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치는 스타트 제어기에 의해 제어변수가 목표치 부근의 소정영역에 위치하는가에 따라 퍼지 제어기에서 산출된 조작변수가 PI 제어기에서 산출된 조작변수에 선택적으로 가산되도록 하였다. 이에 따라, 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치는 제어대상의 출력에서의 불연속구간의 발생을 방지할 수 있고 응답특성 및 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있었다. 그러나, 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치는 제어대상으로부터 검출된 제어변수가 목표치로부터 일정한 영역을 벗어났을 경우에만 적용됨으로써 제어대상의 출력의 과도응답특성이 여전히 남게되고 더나아가 응답특성을 일정한 한계 이상으로 향상시킬 수 없다. 그리고 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치 및 병렬형 귀환 자동 제어장치는 제어대상의 오차와 함께 미분오차를 이용하므로 잡음에 의해 미분오차가 심하게 변동될 경우 제어대상의 상태를 정확하게 판단하기 곤란하다. 이로 인하여, 병렬형 및 선택적 보상형 귀환 자동 제어장치들은 제어대상을 원하는 형태로 제어할 수 없는 상황을 야기시키는 문제점을 안고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 제어대상의 동특성의 변동로 인한 과도응답을 최소화할 수 있고 응답속도를 향상시킬 수 있는 귀환 자동 제어장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 외란에 의한 잡음의 영향과 무관하게 제어대상의 부하 변동을 정확하게 추정하여 제어대상을 원하는 형태로 제어할 수 있는 귀환 자동 제어장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 귀환 자동 제어장치는 제어대상에세 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 제1조작변수를 출력하는 비례소자, 적분소자, 차동소자 및 그 조합체 중 적어도 1 이상의 소자와, 오차를 입력하여 소정의 추론규칙에 근거하여 퍼지추론을 수행함으로써 제어대상에 공급될 제2조작변수를 산출하는 퍼지추론수단과, 오차를 적어도 1 이상의 소정값 비교하여 그 결과에 따른 제1 및 제2가중치를 연산함으로서 가중치들이 0에서 1의 영역에서 선택적으로 변화되도록 하는 수단과, 제1 및 제2가중치에 의해 제1 및 제2조작변수을 각각 승산하여 제1 및 제2가중 치환된 조작변수들을 발생하는 수단과, 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제3조작변수를 발생하는 출력수단을 구비한다.
또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 귀환 자동 제어장치는 오차적분하여 오차적분간을 발생하고 이를 퍼지 제어기에 공급하는 적분수단을 추가로 구비한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 귀환 자동 제어방법은 제어대상에서 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 제1조작변수를 발생하는 단계와, 오차에 응답하여 소정의 추론규칙에 따라 퍼지추론하여 제2조작변수를 산출하는 단계와, 적어도 하나 이상의 소정값과 상기 오차를 비교하고 그 비교 결과에 근거하여 0과 1의 사이에서 선택적으로 각각 변화되는 제1 및 제2가중치를 산출하는 단계와, 제1 및 제2가중치들에 의해 상기 제1 및 제2조작변수들을 각각 승산하여 제1 및 제2가중치환된 조작변수을 발생하는 단계와, 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제3제어변수를 발생하는 단계를 포함한다.
상기 목적외에 본 발명의 다른 목적 및 잇점들은 첨부 도면을 참조한 다음의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부한 제1도 내지 제4도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
제1도를 참조하면, 제어대상(10)에서 검출된 제어변수와 목표값간의 오차신호(E(t))에 공통적으로 응답하는 PI 소자(12), 퍼지 제어기(14) 및 중치 제어기(16)를 구비한 본 발명의 실시예에 따른 귀환 자동 제어장치가 도시되어 있다. 오차신호(E(t))는 감산기(18)에 의해 목표값(R)으로부터 제어변수가 감산됨으로서 산출된다. 감산기(18)는 산출된 오차신호(E(t))를 PI 소자(12), 퍼지 제어기(14), 가중치 제어기(16) 및 적분기(20)에 공급한다.
상기 적분기(20)는 목표값(R) 및 상기 감산기(18)로부터의 오차신호에 응답하여 무가역적으로 적분된 오차적분신호(EMI(t))가 발생되도록 한다. 오차적분신호(EMI(t))는 그 크기에 따라 제어대상(10)의 부하의 대소가 구분되도록 한다. 이는 큰 부하가 걸린 AC 서보 모터가 작은 부하가 걸린 AC 서보 모터 보다 같은 양의 입력에 대해 느리게 응답하는 것에 기인한다. 즉, 동일한 지령치와 동일한 오차에 대해 오차적분신호가 크면 제어대상(10)에 많은 부하가 걸려 있다고 할 수 있다. 이를 위하여, 오차 적분신호(EMI(t))는
여기서, R은 목표값이고 △는 샘플링 시간(Sampling Time)을 나타낸다. 식 1 에서 오차신호(E(t))의 부호가 바뀔 경우는 오차의 크기가 거의 0에 가까운 경우이므로 상기 PI 소자가 동작하게 되는 반면에 퍼지 제어기는 동작하지 않으므로 오차 적분신호(EMI(t))는 초기화 된다.
상기 PI 소자(12)는 상기 제어대상(10)이 안정한 범위에 있을 경우에 상기 감산기(18)로부터의 정상상태 오차신호(E(t))가 빠르게 제거되도록 정상 상태 응답특성을 갖는다. 그리고 상기 PI 소자(12)의 응답출력은 제1조작변수(UPI(t))로 이용되도록 제1승산기(22)에 공급된다. PI 소자는 I 소자, P 소자 및 D 소자중 적어도 하나 이상과 연합될 수 있고, 또한 I 소자, P 소자 및 D 소자 중 어느 하나와 대치될 수도 있다.
상기 퍼지 제어기(14)는 상기 적분기(20)로부터의 오차적분신호(EMI(t))와 상기 감산기(18)로부터의 오차신호(E(t))를 입력한다. 오차신호(E(t)) 및 오차적분신호(EMI(t))에 근거하여, 퍼지 제어기(14)는 추론규칙들 및 멤버쉽 함수들에 부합하는 퍼지추론연산을 수행하여 추론규칙에 의해 표현되는 제2조작변수(UFLC(t))를 발생한다.
상기 가중치 제어기(16)는 상기 감산기(18)로부터의 오차신호(E(t))의 크기에 따라 제1 및 제2가중치(ω1,ω2)를 설정한다. 이를 위하여, 가중치 제어기(16)는 오차신호(E(t))의 절대값을 상한 기준값(α) 및 하한 기준값(β)과 각각 비교하고 오차신호(E(t))의 절대값이 상한 기준값(α) 보다 작은 경우에는 제1 및 제2가중치(ω1)의 값을 1 및 0으로 설정한다. 오차신호(E(t))의 절대값이 하한 기준값(β) 보다 큰 경우에는 제1 및 제2가중치(ω1,ω2)를 0 및 1으로 각각 설정한다. 이와는 달리, 오차신호(E(t))의 절대값이 상한 및 하한 기준값(a, β)간의 사이의 값을 갖을 경우에 제1 및 제2가중치(ω1,ω2)는
와같이 된다.
상기 귀환 자동 제어장치는 상기 PI 소자(12)로부터의 제1조작변수(UPI(t)) 및 상기 가중치 제어기(16)로부터의 제1가중치(ω1)를 입력하는 제1승산기(22)와, 상기 퍼지 제어기(14)로부터의 제2조작변수(UFLC(t)) 및 가중치 제어기(16)로부터의 제2가중치(ω2)를 입력하는 제2승산기(24)를 추가로 구비한다. 제1승산기(22)는 제1조작변수(UFLC(t))와 제1가중치(ω1)를 승산하고 그 승산 결과를 가산기(26)에 공급한다. 제2승산기(24)도 제2조작변수(UFLC(t))와 제2가중치(ω2)를 승산하여 그 승산 결과를 가산기(26)에 공급한다. 그러면, 가산기(26)는 제1승산기(22)의 승산 결과와 제2승산기(24)의 승산 결과를 가산하여 제3조작변수(U(t))를 발생한다. 가산기(26)에서 발생된 제3조작변수(U(t))는
과 같이 된다. 그리고 제3조작변수(U(t))는 제어대상(10)에 공급되어 제어대상의 속도를 조절하게 된다.
상기 구성요소들 중 PI 소자(12), 퍼지 제어기(14), 가중치 제어기(16), 감산기(18), 적분기(20), 승산기들(22,24) 및 가산기(26)는 하나의 컴퓨터(CPU) 및 그와 결합되도록 준비된 프로그램을 사용함으로써 구현될 수 있다. 본질적으로, 이들 구성요소들은 하드웨어 회로소자들에 의해서도 구현될 것이다.
제2도는 오차(E(t)) 및 오차적분간(EMI(t))의 맴버쉽 함수들의 일 예를 도시한다. 제2도의 그래프에 있어서, 대문자들 NB, NM, NS, ZR, PS, PM, PB 는 각각 음의 큰 값, 음의 중간값, 옴의 작은 값, 제로, 양의 작은 값, 양의 중간값 및 양의 큰 값이다.
제3도는 퍼지 제어기(14)에 설정된 추론규칙의 일례를 표의 형태로 도시한다. 제3도에서와 같이, 추론규칙은 동일한 오차(E(t))에 대해 큰 오차적분간(EMI(t))을 가지면 큰 부하가 걸린 것으로 추정하여 큰 제어입력을 발생한다. 그리고 추론규칙은 오차(E(t))가 아주 큰 경우에는 오차적분값(EMI(t))과 무고하게 최대의 제어입력을 발생한다. 예를 들어, 상단의 줄의 좌측 끝쪽의 셀은 오차(E(t))가 NB이고 오차적분값(EMI(t))이 NB 이면 제2조작변수(UFLC(t))는 NB 이라는 규칙을 나타낸다.
제4도는 컴퓨터(CPU)에 의해 수행될 본 발명에 따른 귀환 자동 제어방법의 수순을 도시한다. 제4도에 있어서, 제어대상(10)으로부터 제어변수가 수신되면(제30단계), 목표값(R)과 제어변수와의 불일치, 즉 오차(E(t))가 연산된다(제32단계). 목표값(R) 및 오차(E(t))를 근거하여, 적분기(20)는 변형된 응답출력, 즉 오차적분갑(EMI(t))를 발생하고(제34단계), 가중치 제어기(16)는 오차(E(t))로부터 가중치(ω)를 발생한다(제36단계). 그리고 가중치(ω)가 0 또는 1인가 검사하여 가중치(ω)가 1인 경우에 PI 소자의 응답출력을 0으로 세트하고, 이와는 달리 가중치(ω)가 0인 경우에는 오차 적분값(EMI(t))을 0으로 세트한다(제38 내지 제42단계).
제40 또는 제42 단계의 수행 후 또는 제38단계에서 가중치(ω)가 0과 1 사이의 값을 갖을 경우, PI 소자(12)는 오차(E(t))에 대한 응답출력인 제1조작변수(UPI(t))를 발생하고, 퍼지 제어기에 설정된 추론규칙은 오차(E(t)) 및 오차적분값(EMI(t))에 근거하여 제2조작변수(UFLC(t)를 발생한다(제44 및 46단계). 그리고 제1 및 제2조작변수(UPI(t), UFLC(t))와 가중치(ω)를 식3에 적용하여 제3조작변수(U(t))를 산출하고 산출된 제3 조작변수(U(t))를 제어대상(10)에 공급하여 제어대상(10)의 속도를 제5도의 그래프와 같이 조절한다.
제5도를 참조하면, 제어대상(10)의 속도는 초기 구동시점(t0)으로부터 오차(E(t))의 절대값이 하한 기준값(β) 와 같게 되는 시점(t1) 까지의 기간동안에는 퍼지 제어기(14)에 의한 제1조작변수(UFLC(t))에 의해 급격하게 변화된다.
그리고 오차(E(t))의 절대값이 하한 기준값(β) 보다는 작고 상한 기준값(α) 보다는 큰 t1으로부터 t2의 구간에서 제어대상(10)의 속도는 가중치(ω)에 의해 조절된 제1 및 제2조작변수에 의해 완만한 기울기로 변화된다. 마지막으로, 오차(E(t))의 절대간이 상한 기준값(α) 보다 작게 되는 시점(t2) 이후의 구간에 있어서, 제어대상(17)의 속도는 PI 소자에 의해 발생되는 제1조작변수에 의해 작은 기울기로 변화된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 귀환 제어 장치 및 방법은 오차의 크기에 따라 가중치를 변화시켜 가중치에 의해 제어대상에 공급되는 조작변수를 적절히 조절하여 제어대상의 속도가 연속적으로 변화되도록 할 수 있다. 이에따라, 본 발명에 따른 귀환 자동 제어장치 및 방법은 오버슈트의 발생을 최소화할 수 있고 나아가 제어대상의 응답속도를 향상시킬 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 귀환 자동 제어장치 및 방법은 오차적분신호와 잡음에 강한 오차 적분신호를 이용하여 제어대상의 부하를 정확하게 추정할 수 있어 제어대상을 안정적으로 제어할 수 있는 이점을 제공한다.

Claims (4)

  1. 제어대상에서 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 출력하는 비례소자, 적분소자, 차동소자 및 그 조합체 중 적어도 1 이상을 구비하는 귀환 제어 장치에 있어서, 상기 오차를 입력하여 소정의 추론규칙에 근거하여 퍼지추론을 수행함으로써 상기 제어대상에 공급될 제2조작변수를 산출하는 퍼지추론수단과, 상기 오차를 적어도 1 이상의 소정값과 비교하여 그 결과에 따른 제1 및 제2가중치를 연산함으로서 가중치들이 0에서 1의 영역에서 선택적으로 변화되도록 하는 수단과, 상기 제1 및 제2가중치에 의해 상기 제1 및 제2조작변수을 각각 승산하여 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 발생하는 수단과, 상기 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제3조작변수를 발생하는 출력수단을 구비한 것을 특징으로 하는 귀환 자동 제어장치.
  2. 제어대상에서 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 제1조작변수를 출력하기 위한 비례소자, 적분소자, 차동소자 및 그 조합체중 적어도 1 이상을 구비하는 귀환 제어장치에 있어서, 상기 오차를 적분하여 오차적분간을 발생하는 적분수단과, 상기 오차 및 오차적분값을 입력하여 소정의 추론규칙에 근거하여 퍼지추론을 수행함으로써 상기 제어대상에 공급될 제2조작변수를 산출하는 퍼지추론수단과, 상기 오차를 적어도 1 이상의 소정값과 비교하여 그 결과에 따른 제1 및 제2가중치를 연산함으로서 가중치들이 0에서 1의 영역에서 선택적으로 변환되도록 하는 수단과, 상기 제1 및 제2가중치에 의해 상기 제1 및 제2조작변수을 각각 승산하여 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 발생하는 수단과, 자기 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제3조작변수를 발생하는 출력수단을 구비한 것을 특징으로 하는 귀환 자동 제어장치.
  3. 제어대상에서 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 제1조작변수를 출력하기 위한 비례소자, 적분소자, 차동소자 및 그 조합체중 적어도 1 이상을 구비하는 귀환 제어 장치에 사용되는 제어방법에 있어서, 상기 오차에 응답하여 소정의 추론규칙에 따라 퍼지추론하여 제2조작변수를 산출하는 단계와, 적어도 하나 이상의 소정값과 상기 오차를 비교하고 그 비교 결과에 근거하여 0과 1의 사이에서 선택적으로 각각 변화되는 제1 및 제2가중치를 산출하는 단계와, 상기 제1 및 제2가중치들에 의해 상기 제1 및 제2조작변수들을 각각 승산하여 제1 및 제2가중치환된 조작변수을 발생하는 단계와, 상기 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제3조작변수를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 귀환 자동 제어방법.
  4. 제어대상에서 검출된 제어변수 및 주어진 목표값간의 오차에 응답하여 제1조작변수를 출력하기 위한 비례소자, 적분소자, 차동소자 및 그 조합체중 적어도 1 이상을 구비하는 귀환 제어장치에 사용되는 제어방법에 있어서, 상기 오차를 적분하여 오차 적분값을 산출하는 단계와, 상기 오차 및 오차 적분값에 응답하여 소정의 추론규칙에 따라 퍼지추론하여 제2조작변수를 산출하는 단계와, 적어도 하나 이상의 소정값과 상기 오차를 비교하고 그 비교 결과에 근거하여 0과 1의 사이에서 선택적으로 각각 변화되는 제1 및 제2가중치를 산출하는 단계와, 상기 제1 및 제2가중치들에 의해 상기 제1 및 제2조작변수들을 각각 승산하여 제1 및 제2가중치환된 조작변수을 발생하는 단계와, 상기 제1 및 제2가중치환된 조작변수들을 서로 가산하여 제어대상에 공급될 제3조작변수를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 귀환 자동 제어방법.
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