KR100491679B1 - 상대적인 동작 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

상대적인 동작 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 제어하는 상대적인 동작 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 제2 단위 시스템은 제어 대상 시스템, 및 상기 제어 대상 시스템을 제어하는 제어기를 구비하고, 상기 제어기의 기준 지령(X(s))은 기준 지령(X(s))을 되먹임 한 값, 및 상기 제1 단위 시스템과 제2 단위 시스템과의 상대적 상호 관계로부터 발생되는 상대적인 차이를 보상하기 위한 상대적 보상값(Xr(s))을 합산하여 재설정된다. 상기 상대적인 동작 제어 시스템은, 상기 제1 단위 시스템과 제2 단위 시스템의 상대적인 동작에 의해 생성된 신호를 기설정된 상대 제어 기준값(Rr(s))과 동일한 단위로 변환시켜 출력하는 전환기(T(s)), 및 상기 전환기(T(s))로부터 출력되는 상대적 동작 신호 출력값 및 기설정된 상대 제어 기준값(Rr(s))과의 편차로부터 상대적 보상값(Xr(s))을 생성하여 출력하는 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))를 구비한다.
본 발명에 의하여, 제1 단위시스템이 상황에 따라 변화가 많은 경우에도 상기 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 간단하면서도 정밀하게 자동 제어할 수 있게 된다.

Description

상대적인 동작 제어 시스템 및 그 방법{RELATIVE MOTION CONTROL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템에 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 자동으로 제어하는 상대적인 동작 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템과 상기 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템간의 상호 관계에 의해 발생하는 상대적 동작 신호를 보상하여 제2 단위 시스템의 동작을 제어하는 상대적인 동작 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 폐회로 자동 제어 방법에 따른 자동 제어 시스템을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하여 보면, 종래의 폐회로 자동 제어 시스템은 하나의 단위 시스템을 자동으로 제어하기 위한 것으로서, 제어기(Cp(s);100), 제어 대상 시스템(G(s);120), 되먹임 이득(H(s);110)을 구비한다. 기준 지령(R(s))에 따라 제어기(Cp(s);100)가 제어 대상 시스템(G(s);120)를 자동으로 제어한다.
상기 되먹임 이득(H(s);110)은 상기 제어 대상 시스템(G(s);120)의 출력(Y(s)) 신호를 기준 지령(R(s))과 동일 단위로 변환시켜 되먹임 값(Yfb)을 출력하게 된다.
상기 제어기(Cp(s);100)의 입력 신호는 상기 기준 지령(R(s))으로부터 되먹임 값(Yfb)을 뺀 편차 값(e)이다.
전술한 종래의 폐루프 자동 제어 방법을 이용하여, 제어 대상 시스템(120)의 출력(Y(s))이 기준 지령(R(s))를 추종하게 된다.
전술한 종래의 폐루프 자동 제어 시스템은 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템에 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 제어하기 위하여 사용되는 경우에도, 제1 단위 시스템의 입력이나 출력 신호를 기준으로 제어하고자 하는 제2 단위 시스템의 입력을 정하게 되는 절대적 자동 제어 방법을 따르게 된다.
즉, 종래의 절대적 자동 제어 방법에 따른 제어 시스템은 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템의 기준 속도 등의 정보를 기준으로 정해진 기준 지령에 따라 제2 단위 시스템을 자동 제어하는 시스템이기 때문에, 이동 물체인 제1 단위 시스템이 속도 또는 위치의 변화가 많은 경우에는 복잡한 방법과 많은 계산이 수반되는 문제점이 발생한다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 단위 시스템의 독립적인 동작 신호와는 관계없이 제2 단위 시스템이 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 자동 제어하는 상대적인 동작 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 제어하는 상대적인 동작 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 제2 단위 시스템은 제어 대상 시스템, 및 상기 제어 대상 시스템을 제어하는 제어기를 구비하고, 상기 제어기는 기준지령(X(s))과 피드백된 상기 제어 대상 시스템의 출력 신호의 편차가 입력되는 것을 특징으로 하며, 상기 기준 지령(X(s))은 기준 지령(X(s))을 되먹임 한 값, 및 상기 제1 단위 시스템과 제2 단위 시스템과의 상대적 상호 관계로부터 발생되는 상대적인 차이를 보상하기 위한 상대적 보상값(Xr(s))을 합산하여 재설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 상대적인 동작 제어 시스템은, 기설정된 상대 제어 기준값(Rr(s)), 상기 제1 단위 시스템과 제2 단위 시스템의 상대적인 동작에 의해 생성된 신호를 기설정된 상대 제어 기준값(Rr(s))과 동일한 단위로 변환시켜 출력하는 전환기(T(s)), 및 상기 전환기(T(s))로부터 출력되는 상대적 동작 신호 출력값 및 기설정된 상대 제어 기준값(Rr(s))과의 편차로부터 상대적 보상값(Xr(s))을 생성하여 출력하는 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))를 구비하고, 상기 기준 지령(X(s))는 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))로부터 출력되는 상대적 보상값(Xr(s))과 되먹임된 기준 지령(X(s))을 합하여 재설정되는 것이 바람직하다.
더 바람직하게는, 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))는 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 상기 전환기(T(s))의 출력값의 편차를 입력받고, 입력된 편차를 비례-적분-미분(PID) 계산하여 상대적 보상값(Xr(s))을 설정한다.
본 발명에 의하여, 제1 단위시스템이 상황에 따라 변화가 많은 경우에도 상기 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 간단하면서도 정밀하게 자동 제어할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템이 적용된 시스템을 전체적으로 도시한 블록도이다. 이하, 첨부된 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템(200)은, 독립적으로 동작하는 제1 단위시스템(230)의 동작을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템(220)을 제어하기 위한 제어 시스템이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템(200)은 상기 제2 단위 시스템(220)의 입력신호인 기준 지령(X(s))을 구하기 위한 것이다. 먼저, 제2 단위 시스템(220)은 제어 대상 시스템(G(s);224), 및 상기 제어 대상 시스템(224)을 제어하는 제어기(Cp(s);222)를 구비하고, 상기 제어기(Cp(s);222)의 입력 신호는 기준 지령(X(s))과 피드백된 상기 제어 대상 시스템(224)의 출력(Y(s))의 편차 신호이다. 상기 상대적인 동작 제어 시스템(200)의 출력 신호는 상기 제 2 단위 시스템(220)에 대한 기준 지령(X(s))으로 제공된다.
전술한 상대적인 동작 제어 시스템(200)은 기설정된 상대 제어 기준값(Rr(s)), 전환기(T(s);202), 상대 차이 보상 제어기(Cr(s);204), 지령 되먹임 이득(Ks;206)을 포함한다.
먼저, 상기 상대적인 동작 제어 시스템(200)은 상대 제어 기준값(Rr(s))을 미리 설정한다. 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))은 제어 대상 시스템(224)에 따라 위치, 속도, 힘, 또는 장력 등이 될 수 있다.
상기 전환기(T(s);202)는 제1 단위 시스템(230)과 제2 단위 시스템(220)과의 상호 관계로부터 발생되는 상대적 동작 신호, 예컨대 거리, 속도, 힘 등을 검출하고, 검출된 상기 상대적 동작 신호를 기설정된 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 동일한 단위값으로 변환시킨다.
상기 지령 되먹임 이득(Ks:206)은 상기 제2 단위 시스템(220)의 기준 지령인 X(s)의 비율(scale)을 조정하여 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s);204)에 입력된다.
상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s);204)는 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 전환기(T(s);202)의 출력값의 편차(e)에 따른 상기 편차(e) 공간에서 제어법(control law)이 적용된 후, 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s);204)에 입력되는 지령 되먹인 이득(Ks)의 출력을 곱하여, 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s);204)의 출력인 상대적 보상값(Xr(s))이 된다. 상대적 보상값(Xr (s))은 상기 제 2 단위 시스템(220)에 대한 기준 지령(X(s))과 합해져서 상기 제 2 단위 시스템(220)의 기준 지령(X(s))으로 제공된다.
본 발명의 상대적인 동작 제어 시스템의 안정성은 다음의 수학식1, 2, 3으로 분석 된다. 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 전환기(T(s);202)의 출력값의 편차(e)는 수학식 1과 같고, 상대적 보상값(Xr(s))은 수학식 2와 같고, 기준 지령(X(s))에 대한 식은 수학식 3과 같다. 즉, 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s);204)의 출력인 상대적 보상값(Xr(s))와 제2 단위 시스템(220)의 기준 지령(X(s))이 합해진 값이 상기 상대적인 동작 제어 시스템(200)의 출력이 됨과 동시에 상기 제2 단위 시스템(220)의 기준 지령(X(s))이 된다.
수학식 3에 수학식 1 및 수학식 2를 대입하여 정리하면 수학식 4와 같다. 수학식 4에서 양변에 X(s)를 상쇄하고 정리하면 수학식 5와 같다.
수학식 5에서 상기 제 2단위 시스템의 (220)의 출력(Y(s))에 대한 상대 제어 기준값(Rr(s))의 관계는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
따라서, 수학식 6에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 제어 시스템은 T(s)에 의해 항상 안정된 시스템임이 증명된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템은 제1 단위 시스템(230)에 해당하는 이동 시스템이나 이동 물체의 정보를 제2 단위 시스템(220)을 제어하기 위한 기준 지령(X(s))으로 설정하는 것이 아니라, 제1 단위 시스템(230)을 추종하는 제2 단위 시스템(220) 자체에서 독립적으로 기준 지령(X(s))이 자동적으로 설정되는 시스템이다. 즉, 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템은 제1 단위 시스템(230)과 이를 추종하는 제2 단위 시스템(220) 간의 상대적인 동작 신호에 의한 전환기(T(s))의 출력에 따라 제2 단위 시스템을 제어하기 위한 상대 제어 기준값(Rr(s))만을 설정하면 되는 것이다.
도 3는 전술한 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))의 일실시예를 도시한 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 제어 시스템의 상대 제어기는 지령 되먹임 이득 Ks가 0인 경우의 비례-적분-미분(PID) 제어기로 구성된다. 여기서, Kp는 비례 이득(proporational gain), Kd는 미분 이득(derivative gain), s는 미분 연산자(derivative operator), 1/s는 적분 연산자(integral operator)이다. 본 실시예에 따른 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))는 입력 신호인 편차(e)를 PID 계산한 값을 상대적 보상값(Xr(s))로 출력하게 된다.
도 4는 전술한 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))는 이득값인 Ks가 0가 아닌 경우로서, 입력 신호인 편차(e)가 비례-적분-미분(PID) 제어기에서 계산한 PID 계산값과 전술한 상대적인 동작 제어 시스템의 출력 신호(X(s))의 비율을 계산하여 곱한 X(s)Ks를 합산한 상대적 보상값(Xr(s))로 출력하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 자동 제어 시스템은 다양한 적용 분야에 쉽게 적용할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 자동 제어 시스템이 적용된 일실시예로서, 장력 제어 시스템의 구성 및 동작을 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 실시예의 장력 제어 시스템은 제1 단위 시스템인 모터1에 연결된 축(500)이 시스템의 지령에 의해 와이어 또는 테이프(550) 등을 감고, 제2 단위 시스템인 모터2에 연결된 축(510)은 와이어 또는 테이프(550) 등을 풀어주는 역할을 한다.
고정 롤러 1(520)과 고정 롤러 2(540)는 고정 위치에서 롤러들만 회전하며, 상하 이동 롤러(530)는 상하 이동하면서 롤러가 회전한다. 장력 측정 장치(560)는 상하 이동 롤러(530)와 연결되어 상하 이동 롤러(530)의 위치에 따라 장력 또는 위치를 측정하는 장치이다.
이 시스템에서 모터1에 연결된 축(500)과 모터2에 연결된 축(510)에 감긴 와이어 또는 테이프의 양에 따라 모터1에 연결된 축(500)과 모터2에 연결된 축(510)의 회전 속도는 일정하더라도 와이어나 테이프의 이동 속도는 달라지게 된다. 그 결과, 모터1에 연결된 축(500)과 모터2에 연결된 축(510) 사이의 와이어나 테이프의 장력이 달라진다. 와이어나 테이프(550)의 장력을 일정하게 유지하기 위하여 모터2에 연결된 축(510)을 제어하게 된다. 모터2에 연결된 축(510)의 속도는 모터2의 속도에 의해 제어되며, 상기 모터2의 속도를 제어하는 제어기는 도 6에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 모터2의 속도를 제어하는 제어기의 구성을 설명한다.
모터2에 대한 기준 지령(X(s))은 속도이다. 본 실시예에 따른 제어기는, 모터1의 속도와 모터2의 속도에 의해 장력측정장치(560)에 의해 측정된 와이어 또는 테이프(550)의 장력 또는 위치(Ta(s)) 및 기준 장력(Tr(s))과의 편차(e)는 PID 계산되고, 이러한 PID 계산값이 다시 속도 지령으로 전환된 결과값(Xr(s))은 모터2의 기준 지령(X(s))과 합산되어 모터2에 대한 기준 지령이 된다.
따라서, 본 실시예에 따른 제어기는 모터1의 속도가 변화하더라도 모터2의 현재 속도에서 측정된 장력과 기준 장력의 차이를 보상한 결과에 의한 속도를 모터2의 속도 지령에 합하여 모터2의 속도 지령이 되게 하는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야만 한다.
본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템 및 그 제어 방법은 두 개 이상의 단위 시스템, 즉 제1 단위 시스템 및 이를 추종하는 제2 단위 시스템이 서로 상호 연관되어 동작하는 정밀 제어 시스템에 간단하게 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템은 제1 단위 시스템의 동작 정보가 아니라 제1 단위 시스템과 제2 단위 시스템 간의 상대 동작 차이값과 제1 단위 시스템을 추종하는 제2 단위 시스템의 기준 지령(X(s))를 되먹임시켜 제2 단위 시스템을 제어함으로써, 외부 시스템의 변화가 없는 경우에도 항상 현재 상태가 유지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템은 제1 단위 시스템과 제 2 단위 시스템간의 상호동작에 의한 상대적 보상값을 제2 단위 시스템의 기준지령을 되먹임 이득에 의해 자동적으로 변화되도록 함으로써, 동작 변화가 많이 일어나는 경우에도 능동적으로 적용할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 상대적인 자동 제어 시스템은 특히 초정밀이 요구되는 미세선(수 마이크로미터), 테이프의 장력 제어, 두 시스템간의 상대적 정밀 속도, 상대적 정밀 위치 제어가 요구되는 각종 정밀 장비와 상품에 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 폐루프 자동 제어 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템을 도시한 블록도.
도 3는 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템의 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))에 대한 일 실시예를 도시한 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템의 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))에 대한 다른 실시예를 도시한 블록도.
도 5 은 본 발명에 따른 상대적인 동작 제어 시스템이 적용된 장력 제어 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 6은 도 5의 시스템을 도시한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 222 : 제어기
110 : 되먹임 이득(feedback gain)
120 : 제어 대상 시스템
200 : 상대적인 동작 제어 시스템
202 : 전환기
204 : 상대 차이 보상 제어기
206 : 지령 되먹임 이득
220 : 제2 단위 시스템
230 : 제1 단위 시스템

Claims (4)

  1. 독립적으로 동작하는 제1 단위 시스템을 추종하여 동작하는 제2 단위 시스템을 제어하는 상대적인 동작 제어 시스템에 있어서,
    상기 제2 단위 시스템은 제어 대상 시스템, 및 상기 제어 대상 시스템을 제어하는 제어기를 구비하고, 상기 제어기는 기준지령(X(s))에 따라 상기 제어 대상 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하며,
    상기 상대적인 동작 제어 시스템은,
    상기 제1 단위 시스템과 상기 제2 단위 시스템간의 제어를 위하여, 기설정되어 입력되는 상대 제어 기준값(Rr(s));
    상기 제1 단위 시스템과 제2 단위 시스템의 상대적인 동작에 의해 생성된 신호를 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 동일한 단위로 변환시켜 출력하는 전환기(T(s)); 및
    상기 전환기(T(s))로부터 출력되는 상대적 동작 신호 출력값 및 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과의 편차로부터 상대적 보상값(Xr(s))을 생성하여 출력하는 상대 차이 보상 제어기(Cr(s));
    를 구비하고, 상기 기준 지령(X(s))는 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))로부터 출력되는 상대적 보상값(Xr(s))과 되먹임된 기준 지령(X(s))을 합하여 재설정되어 자동적으로 설정되되, 다음의 수학식으로 표현되며,
    상기 상대 제어 기준값(Rr(s))만을 설정하여 상기 제2 단위 시스템의 제어 대상 시스템의 동작을 제어시키는 것을 특징으로 하는 상대적인 동작 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))는 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 상기 전환기(T(s))의 출력값의 편차를 입력받고, 입력된 편차를 비례-적분-미분(PID) 계산하여 상대적 보상값(Xr(s))을 설정하는 것을 특징으로 하는 상대적인 동작 제어 시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 상대 차이 보상 제어기(Cr(s))는 기준 지령(X(s))의 비율을 조정하는 지령 되먹임 이득(Ks)이 입력되며, 상기 상대 차이 보상 제어기는 상기 상대 제어 기준값(Rr(s))과 상기 전환기(T(s))의 출력값의 편차(e)를 PID 계산한 후, 상기 지령 되먹임 이득을 곱하여 상대적 보상값(Xr(s))을 생성하고 이를 출력하며, 상기 상대적 보상값(Xr(s))은 다음의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 상대적인 동작 제어 시스템.
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