KR101520030B1 - 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 제어 장치는 부하에 대한 지령값과 측정값의 차이인 에러값을 산출하는 산출부 및 상기 에러값의 변화를 감소시키는 미분 제어기를 포함하고, 상기 미분 제어기는 상기 에러값이 0이면 온(on)되고, 상기 에러값의 기울기가 0이면 오프(off)될 수 있다.

Description

제어 장치{CONTROLLER}
본 발명은 부하의 동작이 지령값을 추종하도록 제어하는 장치에 관한 것이다.
서보 제어 시스템의 도입으로 부하의 동작을 세밀하게 제어할 수 있게 되었다.
서보 제어 시스템에 적용되는 제어 방식으로 PID(Proportional, Integral and Differential) 제어가 이용될 수 있다. 그런데, PID 제어의 경우 과도 응답 구간을 신속하고 신뢰성 있게 정상 응답 구간으로 전이시키는 기술이 지속적으로 요구되고 있다.
일예로, 한국등록특허공보 제1381962호에는 적분 제어기로 인한 와인드업 현상을 방지하는 기술이 개시되고 있다.
한국등록특허공보 제1381962호
본 발명은 부하의 동작이 신속하고 신뢰성 있게 지령값을 추종하도록 하는 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제어 장치는 부하에 대한 지령값과 측정값의 차이인 에러값을 산출하는 산출부 및 상기 에러값의 변화를 감소시키는 미분 제어기를 포함하고, 상기 미분 제어기는 상기 에러값이 0이면 온(on)되고, 상기 에러값의 기울기가 0이면 오프(off)될 수 있다.
본 발명의 제어 장치에는 에러값이 0이면 온되고 에러값의 기울기가 0이면 오프되는 미분 제어기가 마련됨으로써, 미분 제어기의 부작용을 억제시킬 수 있다.
이에 따라 부하의 동작을 지령치에 신속하고 신뢰성 있게 수렴시킬 수 있다.
도 1은 PID 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 미분 제어기의 기능을 나타낸 그래프이다.
도 3은 미분 제어기의 게인에 따라 달라지는 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제어 장치를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제어 장치의 출력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제어 장치의 다른 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제어 장치의 또다른 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 PID 제어 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 1에 도시된 PID 제어 장치에는 산출부(110), 비례 제어기(130), 적분 제어기(150) 및 미분 제어기(170)가 마련될 수 있다.
산출부(110)는 부하(90)에 대한 1차 지령값 x*와 측정값 x의 차이인 에러값 e를 산출할 수 있다.
비례 제어기(130)는 에러값 e에 비례하는 2차 지령값 y를 생성할 수 있다. 2차 지령값은 도 1에 도시된 PID 제어 장치의 출력일 수 있다.
1차 지령값과 2차 지령값은 서로 관련된 인자로 다양한 인자가 적용될 수 있다. 일예로 1차 지령값이 위치인 경우 2차 지령값은 속도일 수 있다. 만약 1차 지령값이 속도이면 2차 지령값은 토크일 수 있다.
적분 제어기(150)는 누적된 에러값 e에 비례하는 2차 지령값 y를 생성할 수 있다.
미분 제어기(170)는 에러값 e의 변화를 감소시키는 2차 지령값 y를 생성할 수 있다.
위에서 살펴본, 비례 제어기(130)의 게인 Kp, 적분 제어기(150)의 게인 Ki 및 미분 제어기(170)의 게인 Kd가 적절하게 설정되면, 2차 지령값 y는 에러값을 수렴할 수 있다.
이하에서는 미분 제어기(170)에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.
도 2는 미분 제어기(170)의 기능을 나타낸 그래프이다.
미분 제어기(170)의 출력값 ed는 도 2에 도시된 바와 같이 에러값 e0의 미분값일 수 있다. 미분 제어기(170)에 따르면 에러값 e0의 변화를 감소시켜 신속하게 정상 응답 구간으로 진입하도록 하는 긍정적인 기능을 수행할 수 있다. 왜냐하면 미분 제어기(170)는 에러값이 증가하는 구간 t1과 t3에서 에러값의 변화를 감소시키는 기능을 수행하기 때문이다.
그런데, 이러한 긍정적인 기능은 미분 제어기(170)의 게인 Kd가 증가할수록 두드러지게 나타나야 하는데 실제로는 그렇지 못하다. 왜냐하면, 비례 제어기(130)는 에러값이 감소하는 구간 t2와 t4에서 에러값을 오히려 증가시키도록 기능하기 때문이다.
도 3은 미분 제어기(170)의 게인에 따라 달라지는 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 3의 ①은 모터를 제어하는 제어 장치에 마련된 미분 제어기(170)의 게인이 0인 상태를 나타낸다. x*는 제1 지령값이고, x는 측정값일 수 있다.
도 3의 ②는 미분 제어기(170)의 게인이 100인 상태를 나타낸다. 미분 제어기(170)의 긍정적인 기능에 따라 모터의 동작이 신속하게 제1 지령값에 수렴하는 것을 알 수 있다.
도 3의 ③은 미분 제어기(170)의 게인이 300인 상태를 나타낸다. 역시 미분 제어기(170)의 긍정적인 기능에 의해 모터의 동작이 제1 지령값에 신속하게 수렴하는 것을 알 수 있다. 다만, 미분 제어기(170)의 부작용에 의해 진동(발진)이 증가한 것을 알 수 있다.
도 3의 ④는 미분 제어기(170)의 게인이 500인 상태를 나타낸다. 미분 제어기(170)의 긍정적인 기능과 부작용이 모두 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 다만, 모터의 동작이 제1 지령값에 신속하게 수렴하고 있으므로 적용 가능성은 충분할 수 있다.
도 3의 ⑤는 미분 제어기(170)의 게인이 700인 상태를 나타낸다. 살펴보면, 미분 제어기(170)의 부작용이 긍정적인 기능을 초과함으로써, 모터의 동작이 제1 지령값에 수렴하는 시간이 오히려 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
도 3의 ⑥은 미분 제어기(170)의 게인이 1000인 상태를 나타낸다. 미분 제어기(170)의 부작용이 긍정적인 기능을 완전히 초과함으로써, 모터의 동작이 제1 지령값에 수렴하지 못하는 현상이 나타나고 있다.
이상의 도 3을 살펴보면, 미분 제어기(170)의 게인 Kd가 커질수록 오히려 에러값, 다시 말해 제1 지령값 x*와 측정값 x의 편차가 수렴되지 못하고 지속적으로 진동하는 발진 형태를 갖는 것을 알 수 있다. 이로 인해 미분 제어기(170)의 게인 Kd의 적용 범위는 한정될 수밖에 없다. 일예로, 도 3의 경우 게인의 상한은 500정도에서 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 미분 제어기(170)의 부작용을 감소시킴으로써, 게인 증가에 둔감한 미분 제어기(170)를 제공할 수 있다. 일예로, 본 발명에서는 도 3에서 게인이 1000인 경우에도 적용할 수 있는 미분 제어기(170)가 제공된다.
도 4는 본 발명의 제어 장치를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 제어 장치는 산출부(110) 및 미분 제어기(170)를 포함할 수 있다.
산출부(110)는 부하(90)에 대한 지령값과 측정값의 차이인 에러값을 산출할 수 있다. 이때의 지령값은 앞에서 살펴본 제1 지령값일 수 있다.
지령값은 입력부 등을 통해 획득될 수 있으며, 부하(90)가 목표로 해야하는 동작일 수 있다. 그리고, 측정값은 부하(90)의 동작을 실측하는 엔코더 등의 계측기(190)로부터 획득된 데이터일 수 있다. 측정값은 부하(90)의 실제 동작을 의미할 수 있다.
미분 제어기(170)는 산출부(110)로부터 출력된 에러값의 미분을 통해 에러값의 변화를 감소시킬 수 있다. 이때, 부작용을 감소시키기 위해 미분 제어기(170)는 에러값이 0이면 온(on)되고, 에러값의 기울기가 0이면 오프(off)될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제어 장치의 출력을 나타낸 그래프이다.
산출부(110)에서 산출된 에러값이 e0일 때, e0가 0인 지점에서 미분 제어기(170)가 온되고, e0의 기울기가 0인 지점에서 오프되고 있다. 따라서, 미분 제어기(170)의 출력은 도 5의 ed와 같은 형태가 될 것이다.
이에 따르면, e0가 증가하는 구간에는 미분 제어기(170)가 적용되고, e0가 감소하는 구간에는 미분 제어기(170)가 적용되지 않는다.
결과적으로, 미분 제어기(170)의 부작용이 발생되는 구간에서 미분 제어기(170)가 오프됨으로써, 미분 제어기(170)의 부작용을 제거하고 미분 제어기(170)의 긍정적인 기능만을 이용할 수 있다.
그 결과를 도 3의 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ 및 ⓕ에 나타내었다.
도 3의 ⓐ는 본 발명의 제어 장치에 마련된 미분 제어기(170)의 게인이 0인 상태를 나타낸다. x*는 지령값이고, x는 측정값일 수 있다. 이때, 지령값과 측정값은 부하(90)의 위치값일 수 있다. 부하(90)가 모터이므로, 위치값은 모터의 회전 각도일 수 있다. 이 경우 도 3의 가로축은 시간(ms)이고, 세로축은 모터 회전축의 회전 각도일 수 있다.
도 3의 ⓑ는 미분 제어기(170)의 게인이 100인 상태를 나타낸다. 도 3의 ②와 비교하여 큰 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다. 다만, 지령값과 측정값의 차이인 에러값이 감소하는 구간에서 미분 제어기(170)가 오프됨으로써 위치 에러(측정값 또는 미분 제어기(170)의 출력값)가 보다 완만한 경사로 감소되는 것을 알 수 있다.
도 3의 ⓒ는 미분 제어기(170)의 게인이 300인 상태를 나타낸다. 도 3의 ③은 에러값의 감소 구간에도 미분 제어기(170)가 적용되므로 위치 에러의 경사가 급하다. 이로 인해 위치 에러가 지령값을 기준으로 음의 방향으로 진동하고 있다. 이에 반하여 도 3의 ⓒ는 에러값의 감소 구간에서 미분 제어기(170)가 오프되므로 위치 에러의 진동이 억제되고 있음을 알 수 있다.
즉, 미분 제어기(170)의 게인이 낮은 경우라 하더라도 본 발명에 따르면 에러값의 수렴이 보다 신뢰성 있고 신속하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 3의 ⓓ는 미분 제어기(170)의 게인이 500인 상태를 나타낸다. 도 3의 ④에 따르면 게인이 증가함에 따라 위치 에러가 진동하고 있는데, 본 발명의 미분 제어기(170)가 적용된 도 3의 ⓓ를 살펴보면, 상대적으로 위치 에러의 진동 폭 및 진동 회수가 적은 것을 알 수 있다.
도 3의 ⓔ는 미분 제어기(170)의 게인이 700인 상태를 나타낸다. 도 3의 ⑤에 따르면 제어 장치의 출력값이 미분 제어기(170)의 적용 전보다 오히려 나쁜 상태로 나타나고 있으나, 도 3의 ⓔ는 미분 제어기(170)의 긍적적인 영향이 그대로 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 3의 ⓕ는 미분 제어기(170)의 게인이 1000인 상태를 나타낸다. 도 3의 ⑥에 따르면 미분 제어기(170)의 적용이 불가능할 정도로 부작용이 나타나고 있다. 그러나, 에러값의 기울기가 0일 경우 오프되는 본 발명의 미분 제어기(170)에 따르면 미분 제어기(170)의 긍정적인 기능이 그대로 구현되고 있음을 알 수 있다.
따라서, 본원발명에 따르면 기존 500의 상한을 갖는 미분 제어기(170)의 게인을 1000이상으로 증가시킬 수 있다. 그리고, 도 3의 ① 내지 ⑥과 게인값이 같은 경우에도 상대적으로 부하(90)의 동작을 지령치에 신속하고 신뢰성 있게 수렴시킬 수 있다. 이러한 효과는 산출부(110)에서 산출된 에러값이 0이면 온되고, 에러값의 기울기가 0이면 오프되는 미분 제어기(170)를 통해 획득된다.
그런데, 위 조건을 살펴보면 미분 제어기(170)의 초기 상태가 불분명하다. 그리고, 일시점에서 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0인 경우 미분 제어기(170)의 상태가 불분명하다. 이에 대해서 설명한다.
에러값의 초기 상태는 절대값이 감소하고 있는 상태인 미분 제어기(170)의 부작용 구간일 수 있다. 이 경우, 미분 제어기(170)의 초기 상태가 온 상태이면 미분 제어기(170)의 부작용이 구동 초기에 나타날 수 있다. 이를 방지하기 위해 미분 제어기(170)의 초기 상태는 오프 상태인 것이 바람직하다.
에러값이 과도 응답 구간에서 진동하고, 진동의 오프셋값이 0인 경우 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0을 만족하는 구간은 정상 응답 구간일 수 있다. 정상 응답 구간에서는 미분 제어기(170)가 적용될 필요가 없으므로, 미분 제어기(170)는 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0이면 오프될 수 있다. 다시 말해, 미분 제어기(170)는 정상 응답 구간에서 오프될 수 있다.
한편, 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0이면서도 정상 응답 구간이 아닐 수 있다.
도 6은 본 발명의 제어 장치의 다른 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
살펴보면, 산출부(110)에서 산출된 에러값 e0가 tx1시점에서 0에 접하는 곡선의 형태를 취하고 있다.
이 경우 tx1시점에서 미분 제어기(170)가 오프되면 해당 에러값에 대해 미분 제어기(170)는 전혀 작용하지 않는다. 도 6과 같은 경우, 다시 말해 에러값의 진동 오프셋이 0과 다른 경우를 대비하기 위해 미분 제어기(170)는 우선 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0이면 온될 수 있다.
도 6의 경우, 일정 시간 경과 후 에러값이 0에 수렴함으로써 정상 응답 구간으로 접어들 수 있다. 정상 응답 구간 역시 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0인 경우이므로 미분 제어기(170)는 온될 것이다. 그러나, 정상 응답 구간에서 미분 제어기(170)가 온되는 것은 자원이 낭비되는 것을 의미하는 동시에 불측의 오류가 발생할 수 있다. 따라서, 미분 제어기(170)가 비록 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0인 경우 온되더라도 정상 응답 구간에서는 오프되는 것이 좋다.
이를 위해 미분 제어기(170)는 설정 시간동안 에러값과 에러값의 기울기가 모두 0인 상태가 연속적으로 지속되면 정상 응답 구간으로 판단하고, 오프되는 것이 바람직하다. 제어 분야에서 이상적으로 에러값이 0일 수는 없으므로, 에러값의 절대치가 설정 범위 내에 있으면 0인 것으로 처리할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제어 장치의 또다른 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
살펴보면, 에러값 e0가 tx1시점에서 0에 접한 후 발산하는 것을 알 수 있다. 도 6의 경우를 고려하여 에러값의 기울기와 에러값이 모두 0인 경우 미분 제어기(170)가 온되도록 구성된 상황에서, 에러값이 도 7과 같이 발산한다면 부하(90)에 막측의 피해가 가해질 수 있다.
이를 방지하기 위해 미분 제어기(170)는 설정 시간동안 에러값이 0이거나, 에러값의 기울기가 0인 경우가 나타나지 않으면 오프될 수 있다.
다시 도 4로 돌아가서, 본 발명의 제어 장치에는 비례 제어기(130), 적분 제어기(150) 및 스위치(180)가 추가로 마련될 수 있다.
스위치(180)는 산출부(110)에서 산출된 에러값이 0이면 미분 제어기(170)를 온(on)시키고, 에러값의 기울기가 0이면 미분 제어기(170)를 오프(off)시킬 수 있다. 이를 위해 스위치(180)는 미분 제어기(170)에 직렬로 연결될 수 있다.
그리고, 비례 제어기(130)는 미분 제어기(170) 및 스위치(180)에 병렬로 연결될 수 있다.
적분 제어기(150) 역시 미분 제어기(170) 및 스위치(180)에 병렬로 연결될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
90...부하 110...산출부
130...비례 제어기 150...적분 제어기
170...미분 제어기 180...스위치
190...계측기

Claims (9)

  1. 부하에 대한 지령값과 측정값의 차이인 에러값을 산출하는 산출부; 및
    상기 에러값의 변화를 감소시키는 미분 제어기;를 포함하고,
    상기 미분 제어기는 상기 에러값이 0이면 온(on)되고, 상기 에러값의 기울기가 0이면 오프(off)되는 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미분 제어기의 초기 상태는 오프 상태인 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지령값과 상기 측정값은 상기 부하의 위치값인 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미분 제어기는 상기 에러값과 상기 에러값의 기울기가 모두 0이면 오프되는 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미분 제어기는 정상 응답 구간에서 오프되는 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미분 제어기는 상기 에러값과 상기 에러값의 기울기가 모두 0이면 온되고, 설정 시간동안 상기 에러값과 상기 에러값의 기울기가 모두 0인 상태가 지속되면 오프되는 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미분 제어기는 상기 에러값과 상기 에러값의 기울기가 모두 0이면 온되고, 설정 시간동안 상기 에러값이 0이거나 상기 에러값의 기울기가 0인 경우가 나타나지 않으면 오프되는 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에러값은 과도 응답 구간에서 진동하고, 상기 진동의 오프셋값은 0인 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에러값에 비례하는 지령 속도를 생성하는 비례 제어기; 및
    상기 에러값이 0이면 상기 미분 제어기를 온(on)시키고, 상기 에러값의 기울기가 0이면 상기 미분 제어기를 오프(off)시키는 스위치;를 포함하고,
    상기 스위치는 상기 미분 제어기에 직렬로 연결되며,
    상기 비례 제어기는 상기 미분 제어기 및 상기 스위치에 병렬로 연결되는 제어 장치.
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Citations (3)

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