KR100275907B1 - On-line pid tuner for dc motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직류전동기를 이용한 위치제어 시스템의 온-라인 피아이디(PID) 학습튜너에 관한 것으로, 특히 시스템 파라미터의 변동과 외부 부하의 변동 및 외란이 있는 시스템의 경우 이러한 악영향을 극복하는 강인한 직류전동기의 온-라인 피아이디(PID) 학습튜너에 관한 것이다.The present invention relates to an on-line PID learning tuner of a position control system using a DC motor. On-line PID learning tuner.
직류전동기의 모델 파라미터나 외부 부하토크 및 외란 등의 작동조건이 잘 알려져 있다면 기존의 피아이디(PID:비례 미분 적분) 제어기만을 직류전동기 제어에 적용해도 좋은 응답특성을 얻을 수 있다. 그러나 일반적인 직류전동기 시스템의 파라미터는 시간에 따라 변화하고 변동하는 부하에 대한 제어에 사용하는 경우가 많다.If the DC motor's model parameters, external load torque, and disturbance are well known, it is possible to apply the existing PID controller only to DC motor control. However, the parameters of a typical DC motor system are often used to control loads that change and change over time.
이렇게 시스템의 파라미터나 작동조건이 불확실하거나 알려져 있지 않을 경우, 모든 조건이 알려져 있다고 가정하고 설계된 시불변 피아이디 제어기는 그러한 좋은 성능을 보장하지 못하는 문제점이 있다. 또한 실제 시스템의 파라미터는 정확하게 구할 수 없으므로 모든 조건이 알려져 있다고 보고 설계된 안정한 일반적인 피아이디 제어기라 하더라도 부정확한 모델링 때문에 실제 적용했을 경우 불안정해질 수가 있고, 그리고 동작조건에 따라 튜닝을 다시 해야하는 문제점이 있다.If the system's parameters or operating conditions are uncertain or unknown, the time-variable PID controller designed assuming that all conditions are known has a problem that does not guarantee such good performance. In addition, since the parameters of the actual system cannot be obtained accurately, even a stable general PID controller designed to see that all conditions are known may be unstable when applied in practice due to inaccurate modeling, and there is a problem of retuning according to operating conditions.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이러한 시스템 파라미터의 변동과 외부부하토크의 변동 및 외란 등의 악영향을 극복하는 직류전동기 제어 시스템의 온-라인 피아이디 학습튜너를 제공함에 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an on-line PID learning tuner of a DC motor control system that overcomes such adverse effects such as fluctuations in system parameters, fluctuations in external load torque, and disturbance.
본 발명의 다른 목적은 모델 파라미터와 같은 작동 조건이 알려지지 않은 직류전동기 시스템에도 안정적으로 적용 가능한 온-라인 피아이디 학습튜너를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an on-line PID learning tuner that can be stably applied to a DC motor system in which operating conditions such as model parameters are unknown.
본 발명의 또 다른 목적은 계산량이 많지 않은 제어기를 설계하여 소형 마이크로프로세서에도 적용할 수 있는 온-라인 피아이디 학습튜너를 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an on-line PID learning tuner that can be applied to a small microprocessor by designing a controller having a small amount of computation.
도 1은 본 발명에 따른 직류전동기의 온-라인 피아이디(PID) 학습튜너의 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a configuration of an on-line PID learning tuner of a DC motor according to the present invention.
도 2는 개인용 컴퓨터(PC)를 이용한 본 발명의 실시예를 도시한 제어 시스템도이다.2 is a control system diagram showing an embodiment of the present invention using a personal computer (PC).
도 3은 본 발명에 따른 피아이디 학습튜너의 기준입력이 계단형태이고 외란이 없는 경우의 출력을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing an output when the reference input of the PID learning tuner according to the present invention is stepped and there is no disturbance.
도 4는 본 발명에 따른 피아이디 학습튜너의 기준입력이 정현파이고 외란이 없는 경우의 출력을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing an output when the reference input of the PID learning tuner according to the present invention is sine pie and there is no disturbance.
도 5는 본 발명에 따른 피아이디 학습튜너의 기준입력이 계단형태이고 정현파 외란이 있는 경우의 출력을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the output when the reference input of the PID learning tuner according to the present invention is stepped and there is a sine wave disturbance.
도 6은 본 발명에 따른 피아이디 학습튜너의 기준입력이 정현파이고 외란이 있는 경우의 출력을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the output when the reference input of the PID learning tuner according to the present invention is sinusoidal and disturbance.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
11 ... 감산기 12 ... 학습기11 ...
13 ... 조절기 14 ... 피아이디 제어기13 ...
15 ... 가산기 16 ... 직류전동기15
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
직류전동기의 출력(θ)이 기준입력(θd)에 추종하도록 제어하는 직류전동기의 온-라인 피아이디(PID) 학습튜너에 있어서, 기준입력(θd)에서 직류전동기의 출력(θ)을 감산하여 에러신호(
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저 수학식 1의 영구자석형 직류전동기 모델을 고려하자.First, consider the permanent magnet DC motor model of
수학식 1에서 입출력변수와 상태변수, 전기적·기계적 파라미터는 다음과 같이 정의된다.In
이러한 직류전동기에 대하여, 본 발명에서 해결하고자 하는 문제는 미지의 파라미터와 외란토크를 갖는 직류전동기 시스템이 목표위치궤적 θd를 추종하는 강인한 온-라인 피아이디 학습튜너를 구성하는 것이다.In this DC motor, a problem to be solved in the present invention is to construct a robust on-line PID learning tuner in which a DC motor system having unknown parameters and disturbance torque follows the target position trajectory θ d .
이를 위하여 우선, 수학식 1에서 전기적인 시상수가 기계적인 시상수보다 충분히 작다고 가정 (LAPPROX0) 하고 수학식 1을 다시 쓰면 수학식 2와 같다.To this end, first, assume that the electrical time constant in
이제,으로 치환하고 수학식 2를 정리하면 수학식 3을 얻는다.now, Substituting the equation and arranging
학습제어입력과 피아이디제어기로 구성되는 전압 va를 수학식 4와 같이 정의하자.Define a voltage v a consisting of the learning control input and the PID controller as shown in Equation 4.
여기서이고 vl은 아래에서 정의될 학습입력이다. 수학식 4를 사용하여 수학식 3을 다시 정리하면 수학식 5를 얻는다.here And v l is the learning input defined below. Using Equation 4 to rearrange
여기서 Vd는와 같이 정의된다. 수학식 5에서 a0=dKD+a, b0=dKP+b, co=dKI를 정의하고 치환하면 수학식 6을 얻는다.Where V d is Is defined as: In
이제 오차시스템의 재차방정식이 목표응답특성을 갖도록 하는 계수 {a0 *, b0 *, c0 *} 및 피아이디 이득 {KP *, KI *, KD *}이 다음을 만족한다고 가정하자. {a0 *=dKD *+a, bo *=dKP *+b, co *=dKI *}. 그러면 수학식 6은 수학식 7과 같이 쓸 수 있다.Now assume that the coefficients {a 0 * , b 0 * , c 0 * } and the PID gain {K P * , K I * , K D * } satisfying the error response lets do it. {a 0 * = dK D * + a, b o * = dK P * + b, c o * = dK I * }.
수학식 7을 다시 정리하면,If we rearrange
여기서 이고,이다.here ego, to be.
이제 피아이디 학습제어기의 구현과 검증을 용이하게 하기 위하여 수학식 8을 상태공간표현으로 나타내면 수학식 9와 같다.Now, in order to facilitate the implementation and verification of the PID learning controller, Equation (8) is expressed as Equation (9).
여기서, 이다.here, to be.
행렬 A가 후루위츠(Hurwitz)이므로 출력벡터 C는 시스템 {A, B, C}가 에스피알(SPR:Strictly Positive real) 조건을 만족하도록 정의한다. 즉, 시스템 {A,B,C}는 수학식10을 만족한다.Since matrix A is Hurwitz, output vector C defines system {A, B, C} to satisfy the SPR (Strictly Positive Real) condition. That is, the system {A, B, C} satisfies Equation (10).
ATP+PA=-QA T P + PA = -Q
C=BTPC = B T P
여기서 P,Q는 양의 대칭행렬이다.Where P and Q are positive symmetric matrices.
이제 피아이디 이득과 보조제어입력 v1의 학습규칙을 수학식 11과 같이 정의한다.Now, the learning rule of the PID gain and the auxiliary control input v 1 is defined as shown in Equation (11).
여기서 pr(·)은 projection 이고 학습이득 Λ1, Λ2는 각각 대각원소를 지닌 양의 한정 행렬과 상수이다.Where pr (·) is projection and learning gains Λ 1 and Λ 2 are positive finite matrices and constants with diagonal elements, respectively.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 구성을 도시한 블록도로서, 여기에서 도시한 바와 같이 기준입력단의 기준입력(θd)에서 출력(θ)을 감산하는 감산기(11)와, 감산기(11)의 출력을 바탕으로 역모델 학습을 하는 학습기(12)와, 감산기(11)의 출력을 바탕으로 피아이디이득을 조절하는 조절기(13)와, 조절기(13)에서 조절된 이득들을 이용한 피아이디 제어기(14)와, 학습기(12)와 피아이디 제어기(14)의 출력을 가산하는 가산기(15)와, 가산기(15)의 출력(va)으로 구동되는 직류전동기(16)로 구성되는 폐루프 제어 시스템이다.1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment according to the present invention, as shown here a
도 1에서 직류전동기의 전체 제어입력은 피아이디 제어기에서 출력되는 제어입력과 학습기에서 출력되는 학습제어입력으로 구성되는데 학습이 충분히 진행되고 나면 피아이디 제어기에서 출력되는 제어입력은 그 역할이 줄어드는 반면 학습기에서 출력되는 학습제어입력은 시스템의 역모델을 근사화 시킴으로서 궤적추종 및 외란 제거의 목적을 달성한다.In FIG. 1, the total control input of the DC motor is composed of a control input output from the PID controller and a learning control input output from the learner. After learning is sufficiently performed, the control input output from the PID controller decreases its role while the learner learns. The learning control input outputted from EK achieves the purpose of tracking and eliminating disturbance by approximating the inverse model of the system.
과도상태와 정상상태에서의 이러한 역할분담이 피아이디 학습제어기의 주요한 특징 중에 하나이며 일반 피아이디 튜너 및 적응제어방식과의 차이이기도 하다.This role-sharing in transient and steady state is one of the main features of PID learning controller, and it is also different from general PID tuner and adaptive control scheme.
오차시스템 수학식 4와 피아이디 이득 및 보조학습입력을 위한 학습규칙 수학식 5로 구성된 피아이디 학습제어기는 점근적으로 수렴한다.The PID learning controller consisting of the error system Equation 4 and the
직류전동기 제어 시스템을 구성할 때 본 발명에서 제시한 제어기를 사용하므로써 피아이디 이득들을 맞추는 노력을 줄일 수 있고, 시스템의 노화나 환경변화로 생길 수 잇는 시스템 파라미터의 변동, 외부부하의 변동, 외란등이 존재하더라도 원하는 위치추적 성능을 얻을 수 있다.When configuring the DC motor control system, the controller proposed in the present invention can be used to reduce the effort to match the PID gains, and to change the system parameters, external loads, and disturbances that may occur due to aging or environmental changes of the system. Even if this exists, the desired location tracking performance can be obtained.
도 2는 본 발명에서 제안한 제어기를 PC를 이용하여 구현한 실시예이다. 도 2에서 실험장치는 크게 주컴퓨터(21), 인터페이스 보드(22), 전동기 제어기(23), 전동기 구동기(24)의 네부분으로 나뉘는데 먼저 주컴퓨터(21)는 인터페이스 보드(22)로부터 전동기 제어기(23)가 넘겨준 인코더 펄스(26) 입력을 받아 피이드백(Feedback) 입력으로 사용하여 학습제어입력을 구한 후 출력한다. 인터페이스 보드(22)는 FIFO 메모리를 통하여 주컴퓨터(21)와 전동기 제어기(23) 사이의 입출력신호의 흐름을 조절하는 통로역할을 한다. 전동기 제어기(23)로는 예를 들면 인텔사의 80C196KC의 사용이 가능하며 전동기 제어기(23)는 주컴퓨터(21)가 연산한 제어입력값을 인터페이스 보드(22)로부터 읽어와서 전동기 구동기(24)에 출력하고, 인코더 입력을 업-다운 카운팅(Up-down counting)하여 인터페이스 보드(22)로 출력한다. 전동기 구동기(24)로는 안정적인 출력특성을 가진 선형증폭기를 사용하였으며, 선형증폭기는 입력된 전동기 제어기(23)의 8비트(bit)출력을 8비트(bit) 래치(Latch)와 DAC, OP-AMP를 거쳐 -12V에서 +12의 사이의 신호로 바꾸어 전동기(25)를 구동한다. 또한 전동기 구동기(24)는 하드웨어적인 피아이디제어로 구성된 전류제어루프를 가지며 입력신호의 크기에 따라 전동기(25)의 토크를 조절한다.2 illustrates an embodiment in which the controller proposed in the present invention is implemented using a PC. In FIG. 2, the experimental apparatus is roughly divided into four parts: the
본 발명의 실시예에서 사용되는 전동기(25)는 40W급의 직류전동기로서 전동기 전원으로는 ±24V를 공급한다. 전동기축에는 600Pulse/Revolution의 분해능을 가진 인코더를 연결하고 12.5:1의 감속기어를 거쳐 외부부하 구동축에 연결된다. 즉, 감속기어를 거친 축이 한바퀴를 회전할 때 12.5*600 Pulse가 인코더로 부터 출력된다. 본 실시예에서는 기어 축에 관성부하로 지름이 11cm이고 무게가 100g인 바퀴를 달았으며, 기준궤적은 이 바퀴가 회전하는 값을 라디안(radian)으로 나타낸다.The
입력전압 va는 8bit DAC를 사용하여 -127에서 +127사이로 스케일링(Scaling)하고 셈플링 주기는 1ms로 하며 각 샘플링 주기마다 인코더의 입력값을 라디안(radian)값으로 스케일을 맞춘 후에, 제어기에서 계산하여 전동기 구동 입력으로 넘겨준다.The input voltage v a is scaled from -127 to +127 using an 8-bit DAC, the sampling period is 1ms, and the input value of the encoder is scaled in radians for each sampling period. Calculate and pass to motor drive input.
도 3에서부터 도 6까지는 도 2에 나타난 본 발명의 실시예를 통해 얻은 온-라인 피아이디 학습튜너의 응답도이다.3 to 6 are response diagrams of the on-line PID learning tuner obtained through the embodiment of the present invention shown in FIG. 2.
실시예에서 수학식 5의 형태를 가지는 피아이디 학습규칙에서 피아이디이득들의 제한조건을 0≤K1≤50, 0≤KP≤100, 0≤KD≤10로 두고 학습이득은In the embodiment, in the PID learning rule having the form of
으로 정했다.Decided.
출력벡터 C의 세 항은 수학식 8의 등호 왼편식의 특성방정식이 설계자가 원하는 응답을 만족하도록 {a0 *, b0 *, c0 *}를 구한 뒤 수학식 9의 A행렬을 구성하고, 구성된 A행렬과 수학식 9의 B행렬이 수학식 10의 에스피알(SPR) 조건을 만족하도록 구하면 된다.The three terms of the output vector C are composed of the matrix A of equation 9 after finding the {a 0 * , b 0 * , c 0 * } so that the characteristic equation of the left-hand equation of
도 3에서부터 도 6까지는 특성방정식 (s+1)2(s+100)=0으로 둘 경우 구한 h0=5.0x10-3, h1=7.5x10-3h2=4.975x10-3을 사용했을 때의 응답도이다. 직류전동기에 외란이 없을때와 변동하는 외란이 있을 때, 요구된 궤적이 계산형태일 때와 정현파 형태의 입력일때로 나누어서 온-라인 피아이디 학습튜너의 응답을 나타낸 것이다. 요구궤적은 계산형태일 때 1rad, 정현파 형태일 때으로 주고, 전동기입력에 더해지는 외란으로 함수 10sin(πt)를 사용한다. 도면에서 나타난 응답을 보면 파라미터가 알려지지 않은 직류전동기에 대한 응답이었음에도, 우수한 위치추적성능과 부하변동이나 외란에 대한 강인성을 갖는다는 것을 알 수 있다.Also from Fig. 63 by the characteristic equation (s + 1) have 2 (s + 100) = 0 when using the two calculated h 0 = 5.0x10 -3, h 1 = 7.5x10 -3
또한 온-라인 피아이디 학습튜너는 학습규칙이 단순하여 계산시간이 빠르다. 아무리 좋은 알고리즘이라고 해도 계산시간이 오래 걸린다면 실제 구현하는데 있어서도 그만큼 빠른 프로세서를 사용해야 하므로 제품의 가격이 올라가거나 구현 자체가 불가능해질 수도 있다. 본 발명은 일반적인 피아이디 제어기에 피아이디제어 이득의 자동튜닝과 역동역학, 외란 등을 학습하고 보상하는 간단한 학습규칙만을 가지고 있어서 현재 제어에 사용되고 있는 소형 마이크로프로세서들에 탑재가 가능하다.In addition, the on-line PID learning tuner has a simple learning rule, which leads to fast calculation time. Even if a good algorithm takes a long time to compute, you will have to use a processor that is fast enough to actually implement it. The present invention has a simple learning rule for learning and compensating automatic tuning of PID control gain, dynamics, disturbance, etc. in a general PID controller and can be mounted on small microprocessors currently used for control.
상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 본 발명에 의한 특유의 피아이디 이득 조절수단에 따라 피아디 이득을 자동으로 조절함과 동시에, 역모델 학습과정을 통하여, 피아이디 이득들을 맞추는 노력을 줄일 수 있고, 시스템의 노화나 환경변화로 생길 수 있는 시스템 파라미터의 변동, 외부부하의 변동, 외란등이 존재하더라도 원하는 위치추적 성능을 얻을 수 있는 특별한 효과가 있는 것입니다.According to the present invention as described above, by adjusting the PIA gain automatically according to the unique PID gain adjusting means according to the present invention, through the inverse model learning process, it is possible to reduce the effort to match the PID gains Even if there are fluctuations in system parameters, external loads, and disturbances that may occur due to aging of the system or changes in the environment, there is a special effect to obtain the desired location tracking performance.
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