KR101436143B1 - 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법 - Google Patents

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박주광
정대윤
남정림
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Abstract

본 발명은 성형 필터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존 방식의 성형필터와 같이 기준입력이 급격하게 변화하는 경우 초기에는 과거 기준입력의 비중이 크고, 시간이 경과할수록 목표 기준입력에 근접하는 성형 필터의 신호 제어 방법에 대한 것이다.

Description

시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법{Control method of shaping filter using time variant parameter}
본 발명은 성형 필터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존 방식의 성형필터와 같이 기준입력이 급격하게 변화하는 경우 초기에는 과거 기준입력의 비중이 크고, 시간이 경과할수록 목표 기준입력에 근접하는 성형 필터의 신호 제어 방법에 대한 것이다.
제어 시스템은 기준 입력과 시스템 출력으로 발생하는 오차를 이용하여 제어기에서는 제어신호를 발생하여 시스템 출력이 기준입력에 충실하게 추종하도록 설계한다.
일반적으로 제어기는 기준입력에 대하여 정상상태 오차를 줄이기 위하여 적분기를 도입하며, 기준입력이 급격하게 변화하는 경우 적분기로 인하여 오버슈트가 발생한다. 오버슈트의 양이 커질 경우에 시스템이 불안정해 질 수도 있으므로 적분기에 안티 와인드업(anti-windup) 기능 등을 도입하여 안정성을 개선하려는 노력들이 이루어져 왔다.
그러나 적분 anti-windup 기능은 기준입력이나 외란 변화가 크게 발생하면 적분효과가 줄어들게 되므로, 이 기능에 대한 적용으로 시스템 불안정성을 극복하기에는 제한이 있다.
따라서 각종 제어 시스템에서는 안정도 확보 및/또는 성능개선을 위하여 제한기(Limiter) 또는 성형필터(Shaping Filter) 등의 도입으로 상호 역할을 나누어 설계하여 왔다.
위치 제어에서는 기준입력에 성형필터(Shaping Filter)를 도입하여 안정도 확보 및 성능개선을 수행한다. 일반적으로 사용되는 제어 시스템의 블록도는 도 1과 같다. 여기서
Figure 112014022014446-pat00001
은 제어 시스템(120)의 기준입력이고,
Figure 112014022014446-pat00002
는 성형 필터(110)에 의해 성형화된 기준입력,
Figure 112014022014446-pat00003
는 제어 시스템 출력이다.
성형필터를 전자 광학 추적 장치(EOTS, Electro-Optical Tracking System)에 적용한 블록도가 도 2에 도시된다. 이러한 전자 광학 추적 장치는 사격통제 장비 등으로 채택한 무기체계에서의 고도정밀 자동화에 적용되고 있다.
도 2를 참조하면, 크게 동작 모드(210), 안정화 루프(220), 및 슬레이브 루프(230)로 구성된다. 위치모드(Position Mode)에서는 위치명령을 성형하고, 자동추적모드(Auto-Track Mode)에서는 영상 추적기(AVT, Automatic Video Tracker)에서 발생한 위치오차를 성형하는 메커니즘이다.
일반적으로 사용하고 있는 성형필터는 도 2에서 보이는 것과 같이 최대 각가속도를 정해놓고, 이것을 2번 적분하여 각변위 명령을 발생한다. 입력신호에 대한 성형필터 정착시간은 다음식과 같다.
Figure 112014022014446-pat00004
여기서
Figure 112014022014446-pat00005
는 각가속도이고,
Figure 112014022014446-pat00006
는 기준명령의 각변위이다. 각가속도
Figure 112014022014446-pat00007
의 설정은 회전 시스템에 사용된 모터 토크와 관성모멘트에 따라 설정되는 설계요소이다.
이러한 각변위 계산 방식은 기준입력이 계속 일정하지 않게 변화하는 경우에 사용이 가능하며, 안정화 구동기와 같이 기준입력이 연속적으로 변화하는 장비에서는 사용에 어려움을 발생한다는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허번호 제10-1051714호 2. 한국등록특허번호 제10-1082464호
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위하여 기준입력이 계속 일정하지 않게 변화하는 경우뿐만 아니라 기준입력이 연속적으로 변화하는 장비에서도 사용이 가능하도록, 기존 방식의 성형필터와 같이 기준입력이 급격하게 변화하는 경우 초기에는 과거 기준입력의 비중이 크고, 시간이 경과할수록 목표 기준입력에 근접하는 성형 필터의 신호 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 기준입력이 계속 일정하지 않게 변화하는 경우뿐만 아니라 기준입력이 연속적으로 변화하는 장비에서도 사용이 가능하도록, 기존 방식의 성형필터와 같이 기준입력이 급격하게 변화하는 경우 초기에는 과거 기준입력의 비중이 크고, 시간이 경과할수록 목표 기준입력에 근접하는 성형 필터의 신호 제어 방법을 제공한다.
전자 광학 추적 장치에 적용되는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 제어 방법에 있어서,
상기 성형 필터의 전달함수는 수학식
Figure 112014022014446-pat00008
(여기서
Figure 112014022014446-pat00009
는 단위시간지연 연산자이고,
Figure 112014022014446-pat00010
과
Figure 112014022014446-pat00011
는 각각 성형필터로 인가되는 기준입력과 성형필터 출력이다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형 필터는 1차 디지털 필터의 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 시변 매개 변수는 수학식
Figure 112014022014446-pat00012
및
Figure 112014022014446-pat00013
(여기서
Figure 112014022014446-pat00014
는 매 샘플링 주기마다 증가하는 상수이고,
Figure 112014022014446-pat00015
는 성형이 완료되는 시간,
Figure 112014022014446-pat00016
는 성형이 시작되는 시간,
Figure 112014022014446-pat00017
는 샘플링 주기이다)로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형필터가 작동하는 작동 시간은 기준입력의 각변위 크기를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형필터는 입력된 기준 코맨드에 따라 성형모드일 때만 상기 시변 매개 변수를 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형 필터는 상기 전자 광학 추적 장치의 위치명령 또는 위치오차를 생성하기 위해 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
본 발명에 따르면, 기준입력이 계속 일정하지 않게 변화하는 경우뿐만 아니라 안정화 구동기 등과 같이 기준입력이 연속적으로 변화하는 장비에서도 사용이 가능하다.
도 1은 일반적인 성형필터 적용 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시되는 성형필터를 전자 광학 추적 장치(EOTS: Electro-Optical Tracking System)에 적용한 예이다.
도 3a 및 도 3b는 일반적인 성형 필터의 원리를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시변 매개변수 성형필터의 이득을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 성형필터의 신호 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 기준입력이 일정하게 유지되는 경우 성형필터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기준입력이 일정하게 유지되지 않은 경우 성형 필터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터 및 이의 신호 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 일반적인 성형 필터의 원리를 보여주는 그래프이다. 기준입력(Reference Command)이 급격한 변화를 발생하는 경우에 성형필터가 작동한다. 기준입력의 크기에 따라
Figure 112014022014446-pat00018
를 설정하고, 설정된 각속도를 2회 적분하여 성형된 입력신호를 발생한다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형필터는 기존 방식의 성형필터와 같이 기준입력이 급격하게 변화하는 경우 초기에는 과거 기준입력의 비중이 크고, 시간이 경과할수록 목표 기준입력에 근접하는 방식을 사용한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시변 매개변수 성형필터의 이득을 보여주는 그래프이다. 부연하면, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 성형필터의 과거 기준입력과 목표 기준입력의 비중을 보여준다. 도 4를 참조하면, 파라미터
Figure 112014022014446-pat00019
는 과거 기준입력의 비중이고, 파라미터
Figure 112014022014446-pat00020
는 목표 기준입력의 비중이다.
또한,
Figure 112014022014446-pat00021
는 성형필터가 시작하는 시작 시간이고,
Figure 112014022014446-pat00022
는 성형필터가 종료되는 종료 시간이다. 성형필터가 작동하는 작동 시간
Figure 112014022014446-pat00023
은 입력크기의 변화량에 비례하는
Figure 112014022014446-pat00024
를 설정하는 방식으로 기준입력의 각변위 크기에 따라 결정된다. 이때
Figure 112014022014446-pat00025
는 모터의 토크와 관성모텐트 등의 시스템 설계요소에 따라 설정된다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형 필터를 디지털 전달함수로 표현하면 다음 수학식과 같은 시변 매개변수를 갖는 1차 디지털 필터의 형태이다.
Figure 112014022014446-pat00026
여기서
Figure 112014022014446-pat00027
는 단위시간지연 연산자이고,
Figure 112014022014446-pat00028
과
Figure 112014022014446-pat00029
는 각각 성형필터로 인가되는 기준입력과 성형필터 출력이다. 예를 들어 시변 매개변수
Figure 112014022014446-pat00030
와
Figure 112014022014446-pat00031
가 샘플링 주기 100 회 동안 변한다고 설정하면, 각 시변 매개변수인 파라미터는 다음식과 같다.
Figure 112014022014446-pat00032
Figure 112014022014446-pat00033
여기서
Figure 112014022014446-pat00034
는 매 샘플링 주기마다 증가하는 상수이고,
Figure 112014022014446-pat00035
는 성형이 완료되는 시간,
Figure 112014022014446-pat00036
는 성형이 시작되는 시간,
Figure 112014022014446-pat00037
는 샘플링 주기이다.
Figure 112014022014446-pat00038
인 경우 각 순간에서의 성형필터의 동작은 표 1과 같다. 따라서 기준입력이 급격하게 변경된 초기에는 과거의 기준입력이 크게 반영되고, 점차로 성형필터 출력은 기준입력과 같이 된다.
순번 전달함수 신호처리 알고리즘
Figure 112014022014446-pat00039
Figure 112014022014446-pat00040
Figure 112014022014446-pat00041
Figure 112014022014446-pat00042
Figure 112014022014446-pat00043
Figure 112014022014446-pat00044
Figure 112014022014446-pat00045
Figure 112014022014446-pat00046
Figure 112014022014446-pat00047
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 성형필터의 신호 흐름도이다. 새로운 기준입력(Reference Command)이 발생하면 이전 기준입력과 비교하여 기준입력에 대한 성형 여부를 결정한다. 기준입력에 대한 성형이 요구되면 시간에 따른
Figure 112014022014446-pat00048
와
Figure 112014022014446-pat00049
를 계산하고, 이에따른 성형된 입력신호를 발생한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 기준입력이 일정하게 유지되는 경우 성형필터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다. 부연하면, 도 6은 기준입력이 일정하게 유지되는 경우 성형필터를 시뮬레이션한 결과이다. 여기서 샘플링 주파수는 5.2kHz 이고, 일반적인 성형필터의 각가속도는 5rad/sec2 (286.5˚/sec2)로 설정하였다. 성형필터가 1˚의 명령까지 도달하는 시간
Figure 112014057785562-pat00050
(
Figure 112014057785562-pat00051
가 '1' 에 도달하는 시간)은 약 12.7sec 이지만, 기준입력 근처에 도달하는 시간은 상당히 적으므로 기준입력과 성형필터 출력의 차이가 0.001˚이내인 경우 본 발명의 일실시예에 따른 성형필터 출력은 기준입력과 동일하도록 하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기준입력(610)이 일정하게 유지되는 경우 본 발명의 일실시예에 따른 성형필터 출력특성(613)은 기존 성형필터 출력특성(611)과 유사하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기준입력이 일정하게 유지되지 않은 경우 성형필터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 한편, 도 7에서 기준입력(710)이 일정하게 유지되지 않는 경우 표시된 부분들(701,702,703)에서 기준입력을 지나치거나 미치지 못하여 불연속성이 발생하게 된다. 여기서 기준입력의 변화량
Figure 112014022014446-pat00052
는 다음식과 같다.
Figure 112014022014446-pat00053
110: 성형필터
120: 제어 시스템

Claims (7)

  1. 무기체계의 전자 광학 추적 장치에 적용되는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법에 있어서,
    상기 성형 필터로 기준입력인 제 1 기준 코맨드가 입력되는 단계;
    입력된 제 1 기준 코맨드를 이용하여 성형모드인지를 판단하는 단계;
    판단결과, 성형모드이면 시변 매개 변수를 계산하는 단계;
    계산된 시변 매개 변수를 이용하여 제어 시스템의 제어신호를 위한 성형필턱 출력 신호인 제 2 기준 코맨드를 생성하고 출력하는 단계; 및
    판단결과, 성형모드가 아니면 입력된 제 1 기준 코맨드를 제 2 기준 코맨드로 출력하는 단계;를 포함하되,
    상기 성형 필터의 전달함수는 수학식
    Figure 112014057785562-pat00072
    (여기서
    Figure 112014057785562-pat00073
    는 단위시간지연 연산자이고,
    Figure 112014057785562-pat00074
    과
    Figure 112014057785562-pat00075
    는 각각 성형필터로 인가되는 기준입력과 성형필터 출력이고,
    Figure 112014057785562-pat00076
    와
    Figure 112014057785562-pat00077
    는 시변 매개 변수이며,
    Figure 112014057785562-pat00078
    ,
    Figure 112014057785562-pat00079
    (여기서
    Figure 112014057785562-pat00080
    는 매 샘플링 주기마다 증가하는 상수이고,
    Figure 112014057785562-pat00081
    는 성형이 완료되는 시간,
    Figure 112014057785562-pat00082
    는 성형이 시작되는 시간,
    Figure 112014057785562-pat00083
    는 샘플링 주기이다)이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형 필터는 1차 디지털 필터의 형태인 것을 특징으로 하는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형필터가 작동하는 작동 시간은 기준입력의 각변위 크기를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형필터는
    입력된 기준 코맨드에 따라 성형모드일 때만 상기 시변 매개 변수를 계산하는 것을 특징으로 하는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형 필터는 상기 전자 광학 추적 장치의 위치명령 또는 위치오차를 생성하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 시변 매개 변수를 이용한 성형 필터의 신호 제어 방법.


  7. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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