KR101382724B1 - 적응형 비례-적분 각속도 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

광섬유자이로 과도응답 성능을 개선하기 위한 적응형 비례-적분 각속도 제어 장치가 제공된다. 상기 장치는 입력된 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상하는 적분 제어기 및 상기 적분 제어기의 전단에 추가되어 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행하는 비례 보상기를 포함한다.

Description

적응형 비례-적분 각속도 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ADAPTIVE PROPORTIONAL-INTEGRAL CONTROL OF ANGULAR VELOCITY}
적응형 비례-적분 각속도 제어 장치 및 방법에 연관되며, 보다 특정하게는 광섬유자이로 과도응답 성능을 개선하기 위한 적응형 비례-적분 각속도 제어 장치 및 방법에 연관된다.
광섬유자이로의 동작에 있어서 측정 감도를 높이고 선형성을 증가시키기 위해 폐회로 제어를 사용하여 자이로를 일정한 동작점 근처에서 작동시키도록 한다. 이 경우, 낮은 각속도 입력이 작용할 때 폐회로 루프를 통한 각속도 출력이 0에 고정되는 영역(불감응 영역, Dead band)이 발생하게 된다. 이를 억제하기 위한 일반적인 방법으로는, 각속도 제어 루프에 영의 평균 값을 갖는 임의의 디더 신호를 투입하여 폐회로 동작을 통해 각속도 출력이 불감응 영역의 밖에서 존재하도록 하는 방식이 있다.
이와 같은 방법은 상기 디더 신호를 투입하는 위치에 따라 계단형 위상변조 신호(Serrodyne)에 더해주는 방법 및 광검출기의 출력신호에 펄스형태로 구형파 디더 신호를 넣어주는 방법이 있다.
위의 두 가지의 경우에서, 상기 각속도 출력 신호에는 투입된 상기 디더 신호의 크기만큼의 각속도 신호가 포함되고 있으므로 실제 회전에 의한 각속도 신호만을 추출하기 위해서는 임의로 투입된 상기 디더 신호를 제거하여 이를 출력하는 디더 스트립핑(Dither Stripping)과정이 요구된다.
또한, 자이로 각속도 제어루프는 반복적으로 스위칭되는 펄스 디더 신호를 기준 입력으로 하여 이를 테면, 디더 기준 신호를 입력으로 하여 광검출기(PHOTO DETECTOR)에서 측정된 신호로부터 오차 값을 계산하고, 상기 오차를 줄이는 방향으로 폐회로 동작을 수행한다.
상기 펄스 디더 신호는 낮은 각속도 입력에서 광섬유자이로의 불감응 영역 억제를 위해 사용되고 펄스 디더 신호의 크기는 사용되는 환경에 따라 그 값을 변경시켜 적용하여 불감응영역 억제를 효과적으로 이루게 한다.
그러나, 상기 광섬유자이로의 상기 각속도 제어 루프의 제어 성능의 개선 및 과도 응답구간에서 오버슈트의 발생을 줄일 수 있는 기술이 요구된다.
일측에 따르면, 입력된 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상하는 적분기 및 상기 적분기의 전단에 추가되어 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행하는 비례-적분 보상기를 포함하는 제어 장치가 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 디더 기준 신호는 펄스 디더 기준 신호일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 시스템은 광섬유 자이로에 의해 구현되는 각속도 제어 장치에 연관되고, 상기 제어 장치는 상기 각속도 제어 장치에 포함되는 제어 루프에 대응할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상기는 상기 디더 기준 신호에 대한 제어에 있어서 과도 구간 응답 특성을 개선하는 적응형 비례-적분 보상기일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상기는 상기 디더 기준 신호에 대한 비례제어 블록, 상기 디더 기준 신호에 대한 적분제어 블록, 상기 적분제어 블록의 출력에 대한 포화 특성을 제어하는 포화 블록 및 상기 포화 블록의 전단 신호와 상기 포화 블록의 후단 신호 사이의 차이를 계산하여 상기 비례제어 블록 및 상기 적분제어 블록에 입력되는 오차를 보정하는 폐회로 루프를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상기는 상기 디더 기준 신호의 에러 수준에 따른 디더 펄스 특성을 감지하는 감지부 및 상기 감지된 상기 디더 펄스 특성에 따라 상기 포화 블록의 포화 한계 레벨을 계산하여 적응적인 피드백을 제공하는 계산부를 더 포함할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 입력된 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상하는 단계 및 상기 적분기의 전단에 추가되어 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행하는 비례-적분 보상 단계를 포함하는 제어 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상기 단계는 적응형 비례-적분 보상기를 이용하여 상기 디더 기준 신호에 대한 제어에 있어서 과도 구간 응답 특성을 개선할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상 단계는 상기 디더 기준 신호에 대한 비례제어를 수행하는 단계, 상기 디더 기준 신호에 대한 적분제어를 수행하는 단계, 상기 적분제어 블록의 출력에 대한 포화 특성을 제어하는 단계 및 상기 포화 블록의 전단 신호와 상기 포화 블록의 후단 신호 사이의 차이를 계산하여 상기 비례제어 블록 및 상기 적분제어 블록에 입력되는 오차를 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상 단계는 상기 디더 기준 신호의 에러 수준에 따른 디더 펄스 특성을 감지하는 단계 및 상기 감지된 상기 디더 펄스 특성에 따라 상기 포화 블록의 포화 한계 레벨을 계산하여 적응적인 피드백을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른, 각속도 제어 성능을 개선하는 각속도 제어기(rate controller)의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른, 오버슈트 제거를 위한 적응형 비례-적분 보상기의 블록도이다.
도 3은 일실시예에 따른, 구형파 변조를 사용할 경우 광검출기에 측정되는 신호를 나타내는 그래프이다.
도 4는 일실시예에 따른, 삼각형 디더 패턴을 포함한 광섬유자이로 각속도 폐회로 루프의 블록도이다.
도 5는 일실시예에 따른, 각속도 제어 루프를 선형 근사화 모델로 나타낸 블록도이다.
도 6은 일실시예에 따른, 각속도 제어 성능을 개선하는 보상기를 포함하는 각속도 제어 루프 선형 근사화 모델로 나타낸 블록도이다.
도 7의 (a)는 일실시예에 따른, 광섬유자이로 계단 입력 반응을 나타내는 그래프이다.
도 7의 (b)는 일실시예에 따른, 광섬유자이로의 램프 입력 반응을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른, 오버슈트 제거를 위한 적응형 비례-적분 보상기의 구조도이다.
도 9는 일실시예에 따른, 비례-적분 제어 평면 그래프이다.
도 10은 일실시예에 따른, 상기 오버슈트의 제거 성능을 비교하는 그래프이다.
이하에서, 일부 실시예들을, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다.
또한 특정한 경우는 이해를 돕거나 및/또는 설명의 편의를 위해 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른, 각속도 제어 성능을 개선하는 각속도 제어기 (100)의 블록도이다. 자이로 각속도 제어루프는 반복적으로 스위칭되는 펄스 디더 신호를 기준 입력으로 하여 광검출기에서 측정된 신호로부터 오차 값을 계산하고, 상기 오차를 줄이도록 폐회로 동작을 할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 펄스 디더 신호는 낮은 각속도 입력에서 상기 광섬유자이로의 불감응영역 억제를 위해 사용될 수 있고, 상기 펄스 디더 신호의 크기는 사용되는 환경에 따라 그 값을 변경하여 적용할 수 있으며, 이로 인해 불감응 영역을 억제할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 펄스 디더 신호가 상기 기준 입력 신호로 주어지는 각속도 제어 루프는 아래에서 도 5를 참조하여 더 상세히 기술된다.
일실시예에 따르면, 상기 각속도 제어 루프의 제어 성능을 높이기 위해 기존의 적분기만 사용하는 각속도 제어 루프와는 달리, 상기 각속도 제어기(100)는 적분기(110) 및 비례-적분 보상기(120)를 포함할 수 있다.
상기 적분기는 입력된 상기 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상할 수 있고, 상기 비례-적분 보상기는 상기 적분기의 전단에 추가될 수 있으며, 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 상기 디더 기준 신호는 펄스 디더 기준 신호가 될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 각속도 제어 장치는 광섬유자이로에 의해 구현될 수 있으며, 상기 비례-적분 보상기는 상기 각속도 제어 장치에 포함되는 제어 루프에 대응하는 제어 장치일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비례-적분 보상기는 비례제어 블록, 적분제어 블록, 포화 블록 및 폐회로 루프를 포함할 수 있으며, 이에 연관되는 내용은 아래에서 더 상세히 기술된다.
도 2는 일실시예에 따른, 오버슈트 제거를 위한 적응형 비례-적분 보상기의 블록도이다. 앞에서 언급된 바와 같이, 상기 적분기 전단에 상기 비례-적분 보상기가 추가될 수 있으며, 이는 다음의 수학식 1과 같은 비례-적분 보상기의 형태로 주어질 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00001
위의 수학식 1에 기초하여, 상기 비례-적분 보상기를 포함하는 폐회로 시스템의 전달함수는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00002
여기서,
Figure 112012109036859-pat00003
의 값으로 결정되는 루프 이득이고, 이것은 댐핑 계수 ξ, 고유진동수 ωn인 2차 시스템이고, 주파수 영역에서
Figure 112012109036859-pat00004
의 위치에 영점을 갖는 2차 시스템이다. 이러한 시스템의 시간 응답은 상기 광섬유자이로 계단입력 반응을 나타내는 도 7의 (a) 및 상기 광섬유자이로 램프 입력 반응을 나타내는 도 7의 (b)와 같다.
이 경우, 상기 펄스 디더 신호는 상기 각속도 제어 루프에 반복적으로 인가되는 상기 계단 형태의 기준 입력에 해당하게 되므로, 상기 펄스 디더 신호의 스위칭에 따른 상기 오버슈트는 반복적으로 나타날 수 있다.
일실시예에 따르면, 최종적인 상기 각속도 출력은 위에서 언급한 오버슈트를 포함한 상기 각속도 제어 루프의 출력 신호를 누적하여 얻어지게 되므로, 결과적으로 오버슈트에 의한 신호의 왜곡이 상기 각속도 출력에 영향을 미치게 되고, 상기 각속도 출력 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 상기 비례-적분 보상기를 개선한 적응형 비례-적분 보상기를 이용함으로써 위에 언급한 문제들을 극복할 수 있다.
도 2에 도시된 상기 오버슈트 제거를 위한 상기 적응형 비례-적분 보상기(200)는 위에서 언급한 바와 같이 비례제어 블록(210), 적분제어 블록(220), 포화블록(230), 폐회로 루프(240)를 포함할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 상기 적응형 비례-적분 보상기는 감지부(250) 및 계산부(260)를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 감지부는 상기 디더 기준 신호의 에러 수준에 따른 디더 펄스 특성을 감지할 수 있고, 상기 계산부는 상기 감지된 상기 디더 펄스 특성에 따라 상기 포화 블록의 포화 한계 레벨을 계산하여 적응적인 피드백을 제공할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른, 구형파 변조를 사용할 경우 광검출기에 측정되는 신호를 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 구형파 변조일 경우에 광간섭계를 통과하여 상기 광검출기에서 측정되는 신호가 상기 각속도에 따라 도 3의 그래프의 신호 형태를 포함할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른, 삼각형 디더 패턴을 포함한 광섬유자이로 각속도 폐회로 루프의 블록도이다. 종래의 각속도 제어 루프에는 상기 각속도 제어를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 적분기(410)를 사용하였다.
위에서 기술된 바와 같이, 광섬유자이로 동작에서 측정 감도 증가 및 선형성 증가를 위해 도 4와 같은 폐회로 제어를 사용함으로써, 자이로를 일정한 동작점 근처에서 작동시킬 수 있다.
또한, 낮은 각속도 입력으로 인한 불감응 영역의 발생을 막기 위해 상기 각속도 제어 루프에 영의 평균값을 갖는 의미 없는 신호인 디더 신호를 투입하게 된다.
일실시예에 다르면, 상기 자이로 각속도 제어 루프는 반복적으로 스위칭 되는 펄스 디더 신호를 기준 입력으로 하여 광검출기에서 측정된 신호로부터 오차 값을 계산함으로써 상기 오차를 줄이는 폐회로 동작을 수행할 수 있다.
앞에서 언급된 적분기를 사용하는 각속도 제어 루프는 계단 형태의 기준 입력에 대해서는 정상 상태의 오차가 영이지만, 램프 형태의 기준 입력에 대해서는 상기 정상 상태 오차가 발생하게 된다. 따라서, 상기 적분기를 사용하는 각속도 제어 루프는 상기 광섬유자이로에 인가되는 회전 각속도가 0이 아닌 경우, 상기 자이로 출력 값의 정밀도 성능을 악화시키는 단점을 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 상기 각속도 제어 루프의 제어 성능을 증가시키기 위해 종래의 적분기만 사용하는 각속도 제어 루프 성능 보상을 위한 보상기(rate compensator)를 더 추가하여 수행한다. 이와 관련된 내용은 아래에서 도면을 참조하여 설명된다.
도 5는 일실시예에 따른, 각속도 제어 루프를 선형 근사화 모델로 나타낸 블록도이다.
여기서, R(s)는 디더 기준 신호이고, Y(s)는 각속도 출력 값으로 가정한다. KF는 전자 신호 처리부의 전체 전달이득(510)이고, KB는 각속도 적분기(520) 이후 단의 전체 전달 이득 값(530)이 될 수 있다. 도 5에 도시된 상기 회로의 전달 함수를 계산하면, 다음의 수학식 3과 같은 전달함수로 나타낼 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00005
일실시예에 따른 전달함수인 상기 수학식 3은 제어이론에 따르면 상기 계단 형태의 기준 입력에 대해서는 정상상태 오차가 영이 될 수 있다.
그러나, 상기 램프 형태의 기준 입력에 대해서는 상기 정상 상태 오차가 발생하며, 상기 광섬유자이로에 인가되는 회전 각속도가 영이 아닌 경우 상기 자이로 출력 값의 정밀도 성능을 약화시킬 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른, 각속도 제어 성능을 개선하는 각속도 제어기(rate controller)의 구조도이다. 도 5에서 기술된 바와 같이, 상기 각속도 제어 루프의 성능을 보상하기 위해 기존의 적분기만 사용하는 상기 각속도 제어 루프에 비례-적분 보상기(rate compensator)를 추가 하였다.
일실시예에 따르면, 상기 각속도 제어 루프의 각속도 제어기(600)는 입력된 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상하는 적분기(620)를 포함할 수 있다. 또한 상기 각속도 제어기는 상기 적분기의 전단에 추가되어 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행하는 비례-적분 보상기(610)를 추가적으로 포함할 수 있다.
위에서 기술된 바와 같이, 상기 비례-적분 보상기는 수식 2의 폐회로 시스템의 영점 효과로 인해 상기 계단 입력 반응(도 7의 (a) 참조)에서 상기 오버슈트가 발생하였다. 상기 오버슈트가 발생하는 물리적인 이유는 다음과 같다.
일실시예에 따르면, 상기 계단 입력 반응에서 큰 오차가 발생하는 경우, 제어기가 정상 상태에 도달할 때까지 적분제어 블록(또는 적분제어항)에 오차가 누적되게 된다. 이 경우, 상기 각속도 출력이 상기 기준 입력을 지나치게 되어도 기존의 누적된 값으로 인해 적분제어 블록은 오차를 증가시키는 방향으로 제어 입력을 지속시키게 되고, 동시에 비례제어 블록(또는 비례제어항)은 상기 기준 입력을 지나치면서 오차를 감소시키는 방향으로 제어 입력을 가하게 된다.
상기 과도응답 구간에서 이러한 두 개의 블록(또는 두 항)의 상충된 작용으로 인해 상기 오버슈트가 발생하게 되고, 일반적으로 비례-적분 보상기의 오버슈트를 발생시키는 가장 큰 원인은 적분제어 블록(적분항)이기 때문에 상기 적분제어 블록(적분항)의 효과를 의도적으로 감소시킴으로써 상기 오버슈트를 줄이는 효과를 달성할 수 있다. 한편, 상기 정상 상태에서는 상기 적분제어 블록(적분항)이 정상적으로 작동할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른, 오버슈트 제거를 위한 적응형 비례-적분 보상기(800)의 구조도이다. 또한, 도 9는 일실시예에 따른, 비례-적분 제어 평면 그래프이다.
일실시예에 따른 오버슈트를 제어하기 위한 적응형 비례-적분 보상기는 비례제어 블록(이득 KP)(810) 및 적분제어 블록(이득 KI)에 추가되는 포화(Saturation) 블록(830)을 포함할 수 있으며, 상기 포화 블록의 앞뒤 신호의 차이를 계산하여 오차신호를 보정하는 폐회로 루프를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 포화 블록의 포화 영역을 결정하는 한계 레벨(Limit Level) 값은 상기 감지부와 계산부를 통해 결정될 수 있으며, 실시간으로 포화 블록의 한계 레벨 값을 바꾸도록 수행될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 비례-적분 보상기에 인가되는 입력은 상기 펄스 디더 신호를 기준으로 계산된 오차 신호(e)이고 상기 보상기 출력은 제어 입력(u)이 될 수 있다.
일실시예에 따른 도 8의 상기 적응형 비례-적분 보상기의 구조는 적분제어 블록의 출력을 제한하기 위해 상기 적분제어 블록의 출력이 포화 상태에 이르게 되면 피드백 경로를 통해 적분제어 블록에 해당하는 입력을 영으로 만들어 상기 적분제어 블록의 출력이 더 이상 증가되지 않도록 할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 비례제어 블록은 위쪽의 전달 경로를 통해 항시 작동할 수 있다. 상기 펄스 디더 신호의 과도응답 구간이 지난 후 상기 오차 신호가 미리 설정된 값 이하로 작아지는 경우, 상기 적분제어 블록은 상기 포화 블록의 선형 구간에서 작동하게 되어 상기 정상 상태에서는 비례-적분 제어가 수행되므로 상기 정상 상태 오차를 줄이는 역할을 할 수 있다.
이 경우, 상기 포화 블록의 한계 레벨 값이 상수로 고정되면 변화하는 크기의 상기 펄스 디더 신호에 대한 상기 오버슈트 제거 성능을 보장할 수 없으므로, 앞에서 언급된 상기 감지부와 상기 계산부를 통한 포화 한계 레벨 값을 상기 포화 블록에 실시간으로 적용하게 된다. 따라서, 상기 펄스 디더 신호의 크기 변화에 상관없이 항상 상기 오버슈트 제거 효과를 얻을 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 펄스 디더 신호에 의한 상기 계단형 기준 입력 신호에 대한 비례제어항 (uP)과 비례적분항(uI)의 시간영역에서 응답은 라플라스(Laplace)의 역변환을 통해 수학식 4 및 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00006
Figure 112012109036859-pat00007
일실시예에 따른 상기 수학식 2의 폐회로 시스템 전달함수의 특성방정식은
Figure 112012109036859-pat00008
의 형태를 갖고,
Figure 112012109036859-pat00009
,
Figure 112012109036859-pat00010
의 기호를 사용한다. 위의 수학식 4 및 수학식 5로부터 상태변수 uP와 uI를 갖는 상태방정식을 계산하면 수학식 6와 같다.
Figure 112012109036859-pat00011
일실시예에 따르면, 상기 비례제어 블록과 상기 적분제어 블록의 상호작용을 이해하기 위해서 수학식 4 및 수학식 5식의 시간응답신호를 비례-적분 제어 평면 그래프에 나타내면 도 9와 같다.
일실시예에 따른 상기 비례-적분 제어 평면에서 궤적은 상기 비례제어 블록과 상기 적분제어 블록이 상호작용하여 궤적을 만들게 되고, 결과적으로 상기 오차를 줄이도록 원점으로 수렴하게 된다.
도 9에서 A점은 상기 계단 입력에 의해 발생한 초기의 최대 오차 값을 갖고, 이때부터 상기 적분제어 블록은 상기 오차 신호의 적분을 시작하게 된다. 상기 오차의 발생 이 후 상기 초기 구간에서는 상기 비례제어 블록이 주로 작동하게 되어(그래프 1사분면) 상기 오차를 줄이는 역할을 수행할 수 있으나, 잔존오차로 인해 상기 적분제어 블록이 증가하게 되면서 상기 궤적이 축을 지나는 순간 상기 비례제어 블록의 부호가 바뀌게 된다. 그러므로, 상기 적분제어 블록에 의해 누적된 오차를 감소시키는 쪽으로 제어를 수행한다.
일실시예에 따르면, 상기 비례제어 블록과 적분제어 블록의 상호작용으로 인해 B점에서 오차의 오버슈트가 발생하게 되고 상기 오버슈트에서 상기 비례제어 블록의 시간에 대한 기울기가 영인 점을 고려하여 상기 오버슈트 발생 시간은 수학식 6으로부터 다음의 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00012
수학식 7에서
Figure 112012109036859-pat00013
는 상기 오버슈트가 발생하는 시간이며 수학식 8의 관계식으로 계산될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00014
앞에서 언급한 바와 같이, 일실시예에 따른 상기 오버슈트의 크기를 감소시키기 위해, 초기 천이구간에서 상기 적분제어 블록을 제한하여 이에 관련된 오차가 누적되지 않아야 한다.
일실시예에 따른 상기 적분 제어 신호의 제한은 도 8에 도시된 상기 포화 블록을 통해서 이루어지며, 이에 따른 상기 비례 제어 신호 및 적분 제어 신호의 궤적은 도 9에 도시한 것처럼 1사분면 상의 직선구간으로 표현될 수 있다.
이 경우, 상기 포화 블록의 한계 레벨 값을
Figure 112012109036859-pat00015
이라고 할 경우 상기 비례 제어 신호의 부호가 바뀌는 축과의 교차점의 크기는
Figure 112012109036859-pat00016
로 결정되게 되고, 이후 2사분면 상에서의 상기 비례 제어 신호 및 적분 제어 신호의 궤적은 교차점의 위치 (도 9의 D점)를 초기값으로 하여 수학식 6의 상태방정식을 풀어 계산할 수 있다. 이를 위해, 수학식 6의 상태 천이 행렬 (Transition matrix)를 계산하면 수학식 9과 같다.
Figure 112012109036859-pat00017
여기서, 상기 교차점의 위치를
Figure 112012109036859-pat00018
라고 하면, 임의의 시간 t에서의 상기 비례 제어 신호와 적분 제어 신호의 시간 응답은 수학식 9를 통해 수학식 10 및 수학식 11으로 계산될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00019
Figure 112012109036859-pat00020
일실시예에 따르면, 상기 적분 제어 신호를 제한하였을 경우 변경된 궤적은 도 9의 E점과 같이 감소된 오버슈트를 포함하며, 변경된 오버슈트가 발생하는 시간을
Figure 112012109036859-pat00021
라고하면 이는 수학식 6을 참조하여 다음의 수학식 12과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00022
이 경우, 상기 비례 제어 신호는 수학식 10에 대입하여 구할 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00023
일실시예에 따르면, 상기 오버슈트의 기준값이 MP > 0로 주어질 경우, 오버슈트의 위치에서 비례제어신호는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00024
수학식 13와 수학식 14를 이용함으로써 상기 오버슈트의 기준 값이 주어질 경우 상기 적분 제어 신호의 제한 값(
Figure 112012109036859-pat00025
)을 계산할 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00026
이 경우, 상기 오버슈트 발생시간
Figure 112012109036859-pat00027
은 수학식 12을 통해 결정될 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 광섬유자이로 각속도 제어를 위해 기존의 적분기만 사용하는 각속도 제어 루프와는 달리 성능을 개선한 비례-적분 보상기를 채택한 제어기를 적용하였다.
일실시예에 따른 상기 개선된 비례-적분 보상기를 통해 상기 램프 형태의 상기 각속도 입력에 대해서도 상기 정상 상태 오차를 영으로 수렴하도록 할 수 있다.
또한, 상기 비례-적분 보상기를 사용하는 경우 발생하는 오버슈트를 제거하기 위한 방법으로 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 포화 블록을 포함하는 부궤환 회로를 사용함으로써 상기 오버슈트 값을 줄이는 기법이 제공되었다.
이 경우, 상기 포화 블록의 한계 레벨 값은 상기 펄스 디더 신호의 크기에 따라 결정될 수 있으며, 상기 기준 입력으로 작용하는 상기 펄스 디더 신호의 크기에 따라 상기 오버슈트 감소 효과가 달라질 수 있다.
따라서, 상기 펄스 디더 신호의 크기를 실시간으로 감지하고 이에 따른 상기 포화 블록의 한계 레벨 값을 변화시킬 수 있는 적응형 비례-적분 보상기를 적용하였다.
일실시예에 따르면, 상기 포화 블록의 한계 레벨 값을 결정하기 위한 구성은 도 8에 도시된 바와 같은 상기 감지부와 상기 계산부로 구성될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 감지부는 상기 각속도 제어 루프의 상기 오차 신호를 실시간으로 감시할 수 있으며, 상기 디더 펄스에 의한 상기 계단 입력 명령이 들어올 경우 상기 오차 신호의 크기(또는 상기 디더 펄스 크기)를 결정할 수 있다. 이를 테면, 상기 디더 펄스의 크기를 라고 하면, 이것은 다음과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00028
여기서,
Figure 112012109036859-pat00029
.는 디더 펄스의 크기가 변하는 시점이고, 상기 오차 신호의 변화율을 확인하여 결정될 수 있다.
Figure 112012109036859-pat00030
여기서,
Figure 112012109036859-pat00031
는 미리 결정된 임계값(Threshold)
Figure 112012109036859-pat00032
이다.
일실시예에 따르면, 상기 포화 블록의 한계 레벨 값은 상기 감지부에서 감지된 상기 디더 펄스 크기를 참고하여 미리 결정되어 있는 오버슈트 값 (
Figure 112012109036859-pat00033
)과 수학식 15를 이용하여 결정될 수 있다. 수학식 15의 상기 오버슈트 발생 시간
Figure 112012109036859-pat00034
는 수학식 12로부터 결정될 수 있고, 파라미터
Figure 112012109036859-pat00035
와
Figure 112012109036859-pat00036
는 시스템 및 자이로 각속도 비례-적분 보상기 이득을 통해 계산될 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른, 상기 오버슈트의 제거 성능을 비교하는 그래프이다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 입력된 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상하는 적분기; 및
    상기 적분기의 전단에 추가되어 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행하는 비례-적분 보상기를 포함하고
    상기 비례-적분 보상기는, 상기 디더 기준 신호에 대한 제어에 있어서 과도 구간 응답 특성을 개선하는 적응형 비례-적분 보상기이고,
    상기 비례-적분 보상기는,
    상기 디더 기준 신호에 대한 비례제어 블록;
    상기 디더 기준 신호에 대한 적분제어 블록;
    상기 적분제어 블록의 출력에 대한 포화 특성을 제어하는 포화 블록; 및
    상기 포화 블록의 전단 신호와 상기 포화 블록의 후단 신호 사이의 차이를 계산하여 상기 비례제어 블록 및 상기 적분제어 블록에 입력되는 오차를 보정하는 폐회로 루프를 포함하는 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디더 기준 신호는 펄스 디더 기준 신호인 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 광섬유 자이로에 의해 구현되는 각속도 제어 장치에 연관되고, 상기 제어 장치는 상기 각속도 제어 장치에 포함되는 제어 루프에 대응하는 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디더 기준 신호의 에러 수준에 따른 디더 펄스 특성을 감지하는 감지부; 및
    상기 감지된 상기 디더 펄스 특성에 따라 상기 포화 블록의 포화 한계 레벨을 계산하여 적응적인 피드백을 제공하는 계산부
    를 더 포함하는 제어 장치.
  7. 적분기가 입력된 디더 기준 신호에 대한 시스템 전달 이득을 보상하는 단계; 및
    적응형 비례-적분 보상기가 상기 적분기의 전단에 추가되어 상기 디더 기준 신호에 대한 제어를 수행하는 비례-적분 보상 단계를 포함하고,
    상기 비례-적분 보상 단계는,
    상기 적응형 비례-적분 보상기를 이용하여 상기 디더 기준 신호에 대한 제어에 있어서 과도 구간 응답 특성을 개선하고,
    상기 비례-적분 보상 단계는,
    상기 디더 기준 신호에 대한 비례제어를 수행하는 단계;
    상기 디더 기준 신호에 대한 적분제어를 수행하는 단계;
    상기 적분제어 블록의 출력에 대한 포화 특성을 제어하는 단계; 및
    상기 포화 블록의 전단 신호와 상기 포화 블록의 후단 신호 사이의 차이를 계산하여 상기 비례제어 블록 및 상기 적분제어 블록에 입력되는 오차를 보정하는 단계
    를 포함하는 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 디더 기준 신호의 에러 수준에 따른 디더 펄스 특성을 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 상기 디더 펄스 특성에 따라 상기 포화 블록의 포화 한계 레벨을 계산하여 적응적인 피드백을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 제어 방법.
  11. 제7항 및 제10항 중 어느 한 항의 제어 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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