KR101849464B1 - Automatic Tuning Method for PID controllers - Google Patents

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KR101849464B1
KR101849464B1 KR1020160109018A KR20160109018A KR101849464B1 KR 101849464 B1 KR101849464 B1 KR 101849464B1 KR 1020160109018 A KR1020160109018 A KR 1020160109018A KR 20160109018 A KR20160109018 A KR 20160109018A KR 101849464 B1 KR101849464 B1 KR 101849464B1
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김무림
김민규
김주현
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한국로봇융합연구원
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00Automatic controllers
    • G05B11/01Automatic controllers electric
    • G05B11/36Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P.I., P.I.D.
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/41Servomotor, servo controller till figures
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    • GPHYSICS
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    • G05B2219/42Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42018Pid learning controller, gains adapted as function of previous error

Abstract

본 발명은 PID 제어기의 게인을 자동적이며 체계적으로 선정할 수 있는 PID 게인 자동 튜닝 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 제어시스템의 제어주기(sampling time L)와 원하는 오차동역학을 묘사하기 위한 슬라이딩 면의 기울기 파라미터만 정해주면, PID 제어 게인 들을 자동으로 업데이트하는 것이 가능한 PID 게인 자동 튜닝 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 제어기는 슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 설정하는 파라미터 설정부; 상기 슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 이용하여 게인을 자동으로 조절하는 게인 자동 조절부; 및 조절된 상기 게인 들을 통해 제어 입력을 계산해주는 제어 입력 산출부; 를 포함하고, 상기 게인 자동 조절부는 [수학식 1]을 이용하여, 상기 게인을 조절하고, 상기 제어 입력 산출부는 [수학식 2]을 이용하여, 상기 제어 입력을 계산하는 것을 특징으로 하는 PID 게인 자동 튜닝 방법을 개시한다.
The present invention provides a PID gain automatic tuning method capable of automatically and systematically selecting a gain of a PID controller. The present invention also provides a PID gain automatic tuning method capable of automatically updating PID control gains if only the slope parameters of the sliding surface for describing the control period (sampling time L) of the control system and the desired error dynamics are set will be.
To this end, a PID controller according to an embodiment of the present invention includes a parameter setting unit for setting a slope of a sliding mode and a control period of the system; A gain automatic adjustment unit for automatically adjusting a gain using the slope of the sliding mode and the control period of the system; And a control input calculation unit for calculating a control input through the controlled gains. Wherein the gain automatic adjustment unit adjusts the gain using Equation (1), and the control input calculation unit calculates the control input using Equation (2). ≪ EMI ID = An automatic tuning method is disclosed.

Description

PID 게인 자동 튜닝 방법{Automatic Tuning Method for PID controllers}PID Gain Automatic Tuning Method for PID controllers [

본 발명은 PID 게인 자동 튜닝 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 PID 제어기의 게인을 자동적이며 체계적으로 선정할 수 있는 PID 게인 자동 튜닝 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PID gain automatic tuning method. More particularly, the present invention relates to a PID gain automatic tuning method capable of automatically and systematically selecting a gain of a PID controller.

PID 제어기(Proportional Integral Derivative Controller)는 제어 시스템 분야의 산업 현장에서 널리 사용되는 제어기 중의 하나이다. PID 제어기는 비례, 적분, 미분 부분으로 구성되는 간단한 구조로 되어 있다. PID 제어기의 게인(gain)은 각각 위치 오차, 속도 오차 및 적분 오차에 대응하는 등 명확한 물리적 의미를 가지고 있지만, 엔지니어가 조정해야 할 PID 제어기의 게인을 튜닝 시 1개씩 튜닝하기보다는 여러 개의 게인을 동시에 튜닝해야 하므로 최종적으로 선정한 게인이 가장 좋은 게인인지 확신하기도 어렵다. The PID controller (Proportional Integral Derivative Controller) is one of the controllers widely used in the industrial field in the control system field. The PID controller has a simple structure consisting of proportional, integral, and derivative parts. The gain of the PID controller has a clear physical meaning, such as corresponding to position error, speed error and integral error, respectively, but rather than tuning the gain of the PID controller to be adjusted by the engineer, It is difficult to be sure that the final gain is the best gain.

특히 로봇과 같은 다변수 비선형 시스템의 제어에 필요한 PID 게인의 튜닝은 엄청난 시간과 노력을 필요로 한다. 따라서 전문적인 지식이 없는 사용자가 게인을 설정하기 위해서는 자동적으로 게인을 튜닝할 수 있는 절차 및 튜닝 알고리즘이 요구된다. In particular, tuning the PID gain needed to control a multivariable nonlinear system such as a robot requires a great deal of time and effort. Therefore, in order to set a gain by a user without expert knowledge, a procedure and a tuning algorithm for automatically tuning the gain are required.

PID 제어기의 게인 설계에 관한 많은 기법이 있다. 예를 들면 지글러-니콜스(Ziegler-Nichols) 방법은 간단하고, PID 게인을 쉽게 조정할 수 있지만 비선형 시스템에서는 만족할 성능을 발휘하지 못하는 것으로 알려졌다. 일반적으로 PID 제어기에 관한 많은 연구에 의해 선형 시스템에서는 양호한 성능을 보이는 것을 볼 수 있으나, 비선형 시스템에서의 성능은 예측이 어렵거나 종종 충분하지 못한 경우도 있다. There are many techniques for gain design of PID controllers. For example, the Ziegler-Nichols method is simple and can adjust the PID gain easily, but it is said to be unsatisfactory in nonlinear systems. In general, many studies on PID controllers show good performance in linear systems, but performance in nonlinear systems can be difficult or often inadequate to predict.

등록특허 10-1640931에서는 어떤 수식에 의한 초기 값을 정하고, 미분 게인을 증가시켜 조건을 만족하면, 미분게인에 0.8을 곱한 값을 새로운 미분게인 값으로 정하고, 미분 게인을 고정하고, 비례게인을 증가하면서 PID 제어를 실시하고, 조건을 만족 시 비례게인에 0.8을 곱한 값을 새로운 비례게인 값으로 고정시키고, 다시 미분 게인을 증가시키고, 또 성능지수가 최소화되는 미분 게인을 새로운 미분게인 값으로 설정하고, 미분 게인을 고정하고 다시 비례게인을 올리면서 성능지수를 최소화하는 비례게인을 새로운 비례게인 값으로 설정한다. 마지막으로 비례게인, 미분 게인을 고정한 후 적분 게인을 올리면서 PID 제어를 실시하여 최종적으로 튜닝하게 된다. 등록특허 10-1640931의 기존 PID 게인 튜닝은 미분 게인을 튜닝 후, 비례게인을 튜닝하고, 다시 미분 게인을 튜닝하고, 또다시 비례게인을 튜닝하는 등 반복적인 trial-and-error 방식을 사용하여 최적의 게인에 접근해가는 방식을 취하고 있다. 따라서 최적의 성능지수가 나오는지 언제쯤 이 반복적인 과정을 정지해야 하는지 등 문제를 포함하고 있으며 게인 튜닝 단계가 많고 복잡하다. In Patent Document 10-1640931, when an initial value is determined by an equation and the differential gain is increased to satisfy the condition, a value obtained by multiplying the differential gain by 0.8 is defined as a new differential gain value, the differential gain is fixed, and the proportional gain is increased And the PID control is performed. When the condition is satisfied, the value obtained by multiplying the proportional gain by 0.8 is fixed to a new proportional gain value, the derivative gain is increased again, and the derivative gain with which the figure of merit is minimized is set as a new differential gain value , The proportional gain which minimizes the figure of merit by fixing the differential gain and raising the proportional gain again is set as a new proportional gain value. Finally, PID control is performed by increasing the integral gain after fixing the proportional gain and differential gain, and finally tuning. In the conventional PID gain tuning of the patent 10-1640931, tuning of the differential gain, tuning of the proportional gain, tuning of the differential gain again, and tuning of the proportional gain are repeated using the trial-and-error method To gain access to the gain. Therefore, it includes issues such as whether the optimum figure of merit is coming up or when the iterative process should be stopped, and the gain tuning steps are many and complicated.

등록특허 10-1242678에서는 RBF(Radial Basis Function)을 이용한 근사모델을 이용하여 PID 파라미터를 생성하고 있다. 강화학습(Reinforcement learning)을 이용하여 오차 보정 및 운전 중에 발생하는 오차에 대한 보정 및 전체적인 성능을 향상시키고 있다. 이런 방식은 기존의 PID 제어방식에 비해 향상된 성능을 보이고 있으나 적용의 복잡성 때문에 실제사용하기 힘들다. 예를 들면 이 방식은 많은 가중치, 할인율에 대한 설정과 많은 계산량을 요구하는 가우시언(Gauss Function)함수를 계산해야 하고, 오차, 커널함수의 평균값, 표준편차 등을 계산해야 하는 등 적용하기 위해 많은 파라미터의 설정 및 튜닝해나가야 하며 또한 고등함수의 사용으로 인하여 많은 계산량을 요구하며 그 적용이 복잡한 측면이 있다.In the patent document 10-1242678, a PID parameter is generated using an approximate model using RBF (Radial Basis Function). Reinforcement learning is used to correct errors and correct errors in operation and improve overall performance. This method has improved performance compared to the existing PID control method, but it is difficult to use because of the complexity of application. For example, this method needs to calculate a Gaussian function that requires a lot of weights, a discount rate, and a large amount of computation, and it is necessary to calculate errors, average values of kernel functions, and standard deviations. Parameter setting and tuning. Also, because of the use of advanced functions, a large amount of computation is required and its application is complicated.

본 발명은 PID 제어기의 게인을 자동적이며 체계적으로 선정할 수 있는 PID 게인 자동 튜닝 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a PID gain automatic tuning method capable of automatically and systematically selecting a gain of a PID controller.

또한, 본 발명은 제어시스템의 제어주기(sampling time L)와 원하는 오차 동역학을 묘사하기 위한 슬라이딩 면의 기울기 파라미터만 정해주면, PID 제어 게인 들을 자동으로 업데이트하는 것이 가능한 PID 게인 자동 튜닝 방법을 제공하는 것이다.The present invention also provides a PID gain automatic tuning method capable of automatically updating PID control gains if only the slope parameters of the sliding surface for describing the control period (sampling time L) of the control system and the desired error dynamics are set will be.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. It can be understood.

본 발명의 일 실시예에 따른 PID 제어기는 슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 설정하는 파라미터 설정부; 상기 슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 이용하여 게인을 자동으로 조절하는 게인 자동 조절부; 및 조절된 상기 게인 들을 통해 제어 입력을 계산해주는 제어 입력 산출부; 를 포함하고, 상기 게인 자동 조절부는 하기 [수학식 1]을 이용하여, 상기 게인을 조절하고, 상기 제어 입력 산출부는 하기 [수학식 2]을 이용하여, 상기 제어 입력을 계산한다.A PID controller according to an embodiment of the present invention includes a parameter setting unit for setting a slope of a sliding mode and a control period of the system; A gain automatic adjustment unit for automatically adjusting a gain using the slope of the sliding mode and the control period of the system; And a control input calculation unit for calculating a control input through the controlled gains. Wherein the gain automatic adjustment unit adjusts the gain using Equation (1), and the control input calculation unit calculates the control input using the following Equation (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016083177423-pat00001
Figure 112016083177423-pat00001

(여기서, K, TI, TD는 이산공간에서의 게인이고, λ는 목표로 하는 슬라이딩 모드 동역학의 슬라이딩 기울기,

Figure 112016083177423-pat00002
는 실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬이다.)(Where K, T I , and T D are the gains in the discrete space, λ is the sliding slope of the target sliding mode dynamics,
Figure 112016083177423-pat00002
Is a diagonal gain matrix that is determined by the real number range.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016083177423-pat00003
Figure 112016083177423-pat00003

(여기서, L은 제어 주기고, u(k)는 k번째 제어 주기에 해당하는 제어입력이고, e(k)는 k번째 오차이다.)(Where L is the control period, u (k) is the control input corresponding to the kth control period, and e (k) is the kth error.)

또한, 상기

Figure 112016083177423-pat00004
는 하기 [수학식 3]을 이용하여 정의될 수 있다.In addition,
Figure 112016083177423-pat00004
Can be defined using the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016083177423-pat00005
Figure 112016083177423-pat00005

(여기서, α,

Figure 112016083177423-pat00006
,
Figure 112016083177423-pat00007
는 사용자에 의해 결정되는 상수이고, S는 슬라이딩 변수이며,
Figure 112016083177423-pat00008
Figure 112016083177423-pat00009
에 대한 변화율이다.)(Where,
Figure 112016083177423-pat00006
,
Figure 112016083177423-pat00007
Is a constant determined by the user, S is a sliding variable,
Figure 112016083177423-pat00008
The
Figure 112016083177423-pat00009
.)

또한, 상기 슬라이딩 변수(S)는 하기 [수학식 4]을 이용하여 정의될 수 있다.Further, the sliding parameter S may be defined using Equation (4) below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112016083177423-pat00010
Figure 112016083177423-pat00010

(여기서,

Figure 112016083177423-pat00011
은 오차의 변화율,
Figure 112016083177423-pat00012
는 추종오차이다.)(here,
Figure 112016083177423-pat00011
The rate of change of error,
Figure 112016083177423-pat00012
Is the tracking error.)

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법은 슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 설정하는 단계; 오차를 이용해

Figure 112016083177423-pat00013
(실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬)를 정의하는 단계; 상기
Figure 112016083177423-pat00014
로, 게인(K, TI, TD)을 조절하는 단계; 상기 게인(K, TI, TD)으로 제어입력(u(k))을 계산하는 단계; 및 상기 제어입력을 시스템에 입력하는 단계를 포함하고, 상기 게인(K, TI, TD)은 하기 [수학식 1]을 이용하여, 조절되고, 상기 제어 입력은 하기 [수학식 2]을 이용하여, 계산되고, 상기
Figure 112016083177423-pat00015
는 하기 [수학식 3]을 이용하여 정의될 수 있다.Meanwhile, a PID gain automatic tuning method according to an embodiment of the present invention includes setting a slope of a sliding mode and a control period of the system; Using error
Figure 112016083177423-pat00013
(A diagonal gain matrix determined in real range); remind
Figure 112016083177423-pat00014
, Adjusting the gains (K, T I , T D ); Calculating a control input u (k) with said gains (K, T I , T D ); And inputting the control input to the system, wherein the gain (K, T I , T D ) is adjusted using Equation (1) Is calculated using the equation
Figure 112016083177423-pat00015
Can be defined using the following equation (3).

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112016083177423-pat00016
Figure 112016083177423-pat00016

(여기서, K, TI, TD는 이산공간에서의 게인이고, λ는 목표로 하는 슬라이딩 모드 동역학의 슬라이딩 기울기,

Figure 112016083177423-pat00017
는 실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬이다.)(Where K, T I , and T D are the gains in the discrete space, λ is the sliding slope of the target sliding mode dynamics,
Figure 112016083177423-pat00017
Is a diagonal gain matrix that is determined by the real number range.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016083177423-pat00018
Figure 112016083177423-pat00018

(여기서, L은 제어 주기고, u(k)는 k번째 제어 주기에 해당하는 제어입력이고, e(k)는 k번째 오차이다.)(Where L is the control period, u (k) is the control input corresponding to the kth control period, and e (k) is the kth error.)

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016083177423-pat00019
Figure 112016083177423-pat00019

(여기서, α,

Figure 112016083177423-pat00020
,
Figure 112016083177423-pat00021
는 사용자에 의해 결정되는 상수이고, S는 슬라이딩 변수이고,
Figure 112016083177423-pat00022
Figure 112016083177423-pat00023
에 대한 변화율이다.)(Where,
Figure 112016083177423-pat00020
,
Figure 112016083177423-pat00021
Is a constant determined by the user, S is a sliding variable,
Figure 112016083177423-pat00022
The
Figure 112016083177423-pat00023
.)

또한, 상기 슬라이딩 변수(S)는 하기 [수학식 4]을 이용하여 정의될 수 있다.Further, the sliding parameter S may be defined using Equation (4) below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112016083177423-pat00024
Figure 112016083177423-pat00024

(여기서,

Figure 112016083177423-pat00025
은 오차의 변화율,
Figure 112016083177423-pat00026
는 추종오차이다.)(here,
Figure 112016083177423-pat00025
The rate of change of error,
Figure 112016083177423-pat00026
Is the tracking error.)

본 발명에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법은 PID 제어기의 게인을 자동적이며 체계적으로 선정할 수 있다.The PID gain automatic tuning method according to the present invention can automatically and systematically select the gain of the PID controller.

또한, 본 발명에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법은 제어시스템의 제어주기(sampling time L)와 원하는 오차 동역학을 묘사하기 위한 슬라이딩 면의 기울기 파라미터만 정해주면, PID 제어 게인들을 자동으로 업데이트하는 것이 가능하다.Also, the PID gain automatic tuning method according to the present invention can automatically update the PID control gains if only the slope parameters of the sliding surface for describing the control period (sampling time L) of the control system and the desired error dynamics are set .

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It should be understood, however, that the effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs It will be possible.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 제어기를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추종 하려고 하는 경로를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른

Figure 112016083177423-pat00027
와 슬라이딩 변수의 응답 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른
Figure 112016083177423-pat00028
와 슬라이딩 변수의 상관 궤적(Phase portrait)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 오차와 제어입력을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법을 나타내는 블록다이어그램이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this application, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, And shall not be interpreted.
1 is a block diagram schematically showing a PID controller according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a PID gain automatic tuning method according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph illustrating a path to follow in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graphical representation of time-
Figure 112016083177423-pat00027
And sliding variables.
FIG. 5 is a block diagram of an embodiment of the present invention,
Figure 112016083177423-pat00028
And Phase correlation of sliding variables.
6 is a graph illustrating control errors and control inputs according to an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating a PID gain automatic tuning method according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Also, in the following drawings, each configuration is exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings. As used herein, the term " and / or " includes any and all combinations of any of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise " and / or " comprising " when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 제어기를 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법을 나타내는 흐름도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically showing a PID controller according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a PID gain automatic tuning method according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PID 제어기(100)는 파라미터 설정부(110), 게인 자동 조절부(120) 및 제어 입력 산출부(130)를 포함하며, 이를 이용한 PID 게인 자동 튜닝 방법은 파라미터 설정 단계(S10),

Figure 112016083177423-pat00029
정의 단계(S20), 게인 조절 단계(S30), 제어입력 계산 단계(S40) 및 제어입력 입력 단계(S50)를 포함한다.1 and 2, a PID controller 100 according to an embodiment of the present invention includes a parameter setting unit 110, an automatic gain control unit 120, and a control input calculation unit 130, The PID gain automatic tuning method used includes a parameter setting step (S10)
Figure 112016083177423-pat00029
A definition step S20, a gain adjustment step S30, a control input calculation step S40, and a control input step S50.

파라미터 설정 단계(S10)에서는 상기 파라미터 설정부(110)를 통해 PID 게인 자동 튜닝 하기 위한 파라미터들을 설정한다.In the parameter setting step (S10), parameters for automatically tuning the PID gain are set through the parameter setting unit (110).

여기서, 상기 파라미터는 제어 주기(Sampling time, L)와 원하는 오차 동역학을 묘사하기 위한 슬라이딩 면의 기울기(λ)를 포함한다.Here, the parameter includes a control period (Sampling time, L) and a slope (?) Of a sliding surface for describing a desired error dynamics.

이러한 파라미터들은 사용자에 의해 임의의 값으로 제안될 수 있다.These parameters may be suggested by the user at any value.

이후, 상기

Figure 112016083177423-pat00030
정의 단계(S20)에서는 상기 단계(S10)에서 설정된 파라미터들과 오차를 통해
Figure 112016083177423-pat00031
의 값을 정의한다.Then,
Figure 112016083177423-pat00030
In the defining step S20, through the parameters and the error set in the step S10,
Figure 112016083177423-pat00031
Is defined.

여기서,

Figure 112016083177423-pat00032
는 실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬이다.here,
Figure 112016083177423-pat00032
Is a diagonal gain matrix determined in the real number range.

이러한 단계(S20)에서

Figure 112016083177423-pat00033
은 다음의 수학식에 의해 연산된다.In this step S20
Figure 112016083177423-pat00033
Is calculated by the following equation.

Figure 112016083177423-pat00034
Figure 112016083177423-pat00034

여기서, α,

Figure 112016083177423-pat00035
,
Figure 112016083177423-pat00036
는 사용자에 의해 결정되는 상수이고, S는 슬라이딩 변수이고,
Figure 112016083177423-pat00037
Figure 112016083177423-pat00038
에 대한 변화율을 나타낸다.Here,
Figure 112016083177423-pat00035
,
Figure 112016083177423-pat00036
Is a constant determined by the user, S is a sliding variable,
Figure 112016083177423-pat00037
The
Figure 112016083177423-pat00038
Lt; / RTI >

또한, 상기 슬라이딩 변수(S)는 다음의 수학식에 의해 정의된다.Further, the sliding parameter S is defined by the following equation.

Figure 112016083177423-pat00039
Figure 112016083177423-pat00039

(여기서,

Figure 112016083177423-pat00040
은 오차의 변화율,
Figure 112016083177423-pat00041
는 추종오차이다.)(here,
Figure 112016083177423-pat00040
The rate of change of error,
Figure 112016083177423-pat00041
Is the tracking error.)

즉, α와

Figure 112016083177423-pat00042
는 자동 게인 튜닝을 위한 파라미터로서 α는 슬라이딩 변수의 크기가 클 때
Figure 112016083177423-pat00043
를 증가시키는 역할을 하며,
Figure 112016083177423-pat00044
는 Leakage Term으로서 슬라이딩 변수가 0에 가까워(즉, 에러가 작을 때) 목표 오차에 가까울 때에
Figure 112016083177423-pat00045
가 줄어드는 속도를 결정해준다. 따라서
Figure 112016083177423-pat00046
는 오차가 크면 커지려고 하는 경향이 있으며, 오차가 작으면 자동으로 줄어들게 된다. 이에 따라
Figure 112016083177423-pat00047
의 크기가 자동적으로 적절하게 조절되게 된다. That is,
Figure 112016083177423-pat00042
Is a parameter for automatic gain tuning and α is the magnitude of the sliding variable
Figure 112016083177423-pat00043
, And the number
Figure 112016083177423-pat00044
Is a Leakage Term and when the sliding variable is close to zero (ie, when the error is small)
Figure 112016083177423-pat00045
Determines the rate at which it declines. therefore
Figure 112016083177423-pat00046
Tend to increase if the error is large, and decrease automatically if the error is small. Accordingly
Figure 112016083177423-pat00047
So that the size of the lens is automatically adjusted appropriately.

여기서,

Figure 112016083177423-pat00048
의 입력의 상한이
Figure 112016083177423-pat00049
에서 포화되며, 입력의 하한이
Figure 112016083177423-pat00050
에서 포화될 수 있다.here,
Figure 112016083177423-pat00048
The upper limit of the input of
Figure 112016083177423-pat00049
, And the lower limit of the input
Figure 112016083177423-pat00050
. ≪ / RTI >

즉,

Figure 112016083177423-pat00051
은 [
Figure 112016083177423-pat00052
,
Figure 112016083177423-pat00053
]의 구간에 있게 된다.
Figure 112016083177423-pat00054
Figure 112016083177423-pat00055
Figure 112016083177423-pat00056
의 파라미터 입력 범위(parameter search space)를 정해주는 것으로, 사용자가 대략적으로
Figure 112016083177423-pat00057
의 범위를 지정할 수 있는 것이다. In other words,
Figure 112016083177423-pat00051
Is [
Figure 112016083177423-pat00052
,
Figure 112016083177423-pat00053
].
Figure 112016083177423-pat00054
Wow
Figure 112016083177423-pat00055
The
Figure 112016083177423-pat00056
The parameter search space of the user,
Figure 112016083177423-pat00057
Can be specified.

여기서, 일반적으로

Figure 112016083177423-pat00058
는 아주 작은 양의 값(예: 0.0000001)을 선택한다.Here, generally,
Figure 112016083177423-pat00058
Selects a very small amount of value (for example, 0.0000001).

이후, 상기 게인 조절 단계(S30)에서는 게인 자동 조절부(120)에서 정해진

Figure 112016083177423-pat00059
,
Figure 112016083177423-pat00060
및 L을 통해, 자동으로 다음 수학식과 같이 PID 게인 들을 유도한다.Thereafter, in the gain adjustment step S30,
Figure 112016083177423-pat00059
,
Figure 112016083177423-pat00060
And L, it automatically derives the PID gains as follows:

Figure 112016083177423-pat00061
Figure 112016083177423-pat00061

여기서, K, TI, TD는 이산공간에서의 게인을 나타낸다.Here, K, T I , and T D represent gains in the discrete space.

이후, 제어입력 계산 단계(S40)에서는 제어 입력 산출부(130)에서 다음의 수학식을 통해 제어 입력( u(k))을 계산한다.Thereafter, in the control input calculation step S40, the control input calculation unit 130 calculates the control input u (k) through the following equation.

Figure 112016083177423-pat00062
Figure 112016083177423-pat00062

여기서, u(k)는 k번째 제어 주기에 해당하는 제어입력이고, e(k)는 k번째 오차, e(k-1)은 k-1번째 오차를 뜻하고 e(i)는 i번째 오차를 나타낸다.Here, u (k) is the control input corresponding to the kth control period, e (k) is the kth error, e (k-1) .

이후, 제어입력 입력 단계(S50)에서는 상술한 단계를 통해 얻어진 제어 입력 값을 플랜트에 입력하여 작용한다.Thereafter, in the control input step S50, the control input value obtained through the above-described step is input to the plant and operated.

상술한 PID 게인 자동튜닝방법을 블록다이어그램으로 표시하면 도 7에 도시된 바와 같다.The above-described PID gain automatic tuning method is shown in a block diagram as shown in FIG.

<실시예><Examples>

이하에서는 상술한 PID 게인 자동 튜닝 방법을 이용하여 얻어진 제어 입력을 통해 로봇 팔을 제어한 결과를 실시예로 설명한다.Hereinafter, the result of controlling the robot arm through the control input obtained using the PID gain automatic tuning method will be described as an embodiment.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추종하려고 하는 경로를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따른

Figure 112016083177423-pat00063
와 슬라이딩 변수의 응답 관계를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른
Figure 112016083177423-pat00064
와 슬라이딩 변수의 상관 궤적(Phase portrait)을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어오차와 제어입력을 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph illustrating a path to follow in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
Figure 112016083177423-pat00063
And FIG. 5 is a graph showing a response relationship of the sliding variable according to an embodiment of the present invention
Figure 112016083177423-pat00064
FIG. 6 is a graph illustrating a control error and a control input according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

우선, 도 3을 참조하면, 추종하려고 하는 경로를 확인할 수 있다.First, referring to FIG. 3, it is possible to confirm the route to follow.

또한, 도 4에서는

Figure 112016083177423-pat00065
은 아주 작은 값에서 급속히 증가하면서 일정 값 이상으로 가면
Figure 112016083177423-pat00066
가 다시 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한, 로봇이 운동방향이 바뀔 때(급격한 쿨롱마찰을 경험할 때)에는
Figure 112016083177423-pat00067
가 커지고, 오차가 적을 때에는
Figure 112016083177423-pat00068
가 줄어 드는 것을 알 수 있다. 또한 위치오차가 커질 때 슬라이딩 변수(S)가 커지고 따라서
Figure 112016083177423-pat00069
가 커지는 것을 확인할 수 있다.4,
Figure 112016083177423-pat00065
Increases rapidly from a very small value and goes above a certain value
Figure 112016083177423-pat00066
Is reduced again. Also, when the robot changes its direction of motion (when experiencing rapid Coulomb friction)
Figure 112016083177423-pat00067
When the error is small,
Figure 112016083177423-pat00068
Can be reduced. In addition, when the position error increases, the sliding parameter S increases,
Figure 112016083177423-pat00069
.

한편, 이는 도 5에 도시된

Figure 112016083177423-pat00070
과 슬라이딩 변수(S)의 상관 궤적(Phase portrait)을 통해서도 확인할 수 있다.5,
Figure 112016083177423-pat00070
And the phase correlation between the sliding parameter S and the sliding parameter S.

또한, 도 6을 참조하면, 추종제어오차(e)와 제어 입력(u(k))에서 본 발명의 PID 제어기의 추종오차(e)와 제어입력(u(k))을 확인할 수 있다. 제어오차(e)는 0에 근접하다가 로봇 팔의 방향이 바뀌는 시점에 쿨롱마찰의 영향에 의하여 약간 커지다가 다시 빠른 속도로 0으로 수렴함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, the tracking error e and the control input u (k) of the PID controller of the present invention can be confirmed from the tracking control error e and the control input u (k). It can be seen that the control error (e) is close to 0 and slightly increases due to the influence of Coulomb friction at the time when the direction of the robot arm changes, and then converges to 0 at a high speed.

또한, 제어입력(u(k))은 로봇 팔의 운동방향이 바뀌는 시점에 반대방향으로 큰 제어입력(u(k))이 생성됨을 알 수 있다. 이는 쿨롱마찰을 보상하기 위함이다.Also, it can be seen that the control input u (k) is generated in the opposite direction at the time when the motion direction of the robot arm changes. This is to compensate Coulomb friction.

즉, 상술한 데이터 등을 토대로 본 발명의 PID 게인 자동 튜닝 방법으로 PID 오토튜닝이 가능하다는 것과 오토튜닝을 하는 본 발명의 PID 제어기를 통하여 만족스러운 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. That is, it can be confirmed that PID auto-tuning is possible by the PID gain automatic tuning method of the present invention based on the above-described data, and satisfactory results can be obtained through the PID controller of the present invention performing autotuning.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 PID 게인 자동 튜닝 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.

100: PID 제어기 110: 파라미터 설정부
120: 게인 자동 조절부 130: 제어 입력 산출부
100: PID controller 110: Parameter setting section
120: automatic gain control unit 130: control input calculation unit

Claims (5)

비선형 시스템을 위한 PID 제어기에 있어서,
슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 설정하는 파라미터 설정부;
상기 슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 이용하여 게인을 자동으로 조절하는 게인 자동 조절부; 및
조절된 상기 게인 들을 통해 제어 입력을 계산해주는 제어 입력 산출부; 를 포함하고,
상기 게인 자동 조절부는 하기 [수학식 1]을 이용하여, 상기 게인을 조절하고,
상기 제어 입력 산출부는 하기 [수학식 2]을 이용하여, 상기 제어 입력을 계산하는 것을 특징으로 하는 PID 제어기.
[수학식 1]
Figure 112016083177423-pat00071

(여기서, K, TI, TD는 이산공간에서의 게인이고, λ는 목표로 하는 슬라이딩 모드 동역학의 슬라이딩 기울기,
Figure 112016083177423-pat00072
는 실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬이다.)
[수학식 2]
Figure 112016083177423-pat00073

(여기서, L은 제어 주기고, u(k)는 k번째 제어 주기에 해당하는 제어입력이고, e(k)는 k번째 오차이다.)
A PID controller for a non-linear system,
A parameter setting unit for setting a slope of the sliding mode and a control period of the system;
A gain automatic adjustment unit for automatically adjusting a gain using the slope of the sliding mode and the control period of the system; And
A control input calculation unit for calculating a control input through the controlled gains; Lt; / RTI &gt;
The gain automatic adjustment unit adjusts the gain using Equation (1) below,
Wherein the control input calculating unit calculates the control input using Equation (2) below.
[Equation 1]
Figure 112016083177423-pat00071

(Where K, T I , and T D are the gains in the discrete space, λ is the sliding slope of the target sliding mode dynamics,
Figure 112016083177423-pat00072
Is a diagonal gain matrix that is determined by the real number range.
&Quot; (2) &quot;
Figure 112016083177423-pat00073

(Where L is the control period, u (k) is the control input corresponding to the kth control period, and e (k) is the kth error.)
제 1항에 있어서,
상기
Figure 112016083177423-pat00074
는 하기 [수학식 3]을 이용하여 정의되는 것을 특징으로 하는 PID 제어기.
[수학식 3]
Figure 112016083177423-pat00075

(여기서, α,
Figure 112016083177423-pat00076
,
Figure 112016083177423-pat00077
는 사용자에 의해 결정되는 상수이고, S는 슬라이딩 변수이며,
Figure 112016083177423-pat00078
Figure 112016083177423-pat00079
에 대한 변화율이다.)
The method according to claim 1,
remind
Figure 112016083177423-pat00074
Is defined using Equation (3) below. &Quot; (3) &quot;
&Quot; (3) &quot;
Figure 112016083177423-pat00075

(Where,
Figure 112016083177423-pat00076
,
Figure 112016083177423-pat00077
Is a constant determined by the user, S is a sliding variable,
Figure 112016083177423-pat00078
The
Figure 112016083177423-pat00079
.)
제 2항에 있어서,
상기 슬라이딩 변수(S)는 하기 [수학식 4]을 이용하여 정의되는 것을 특징으로 하는 PID 제어기.
[수학식 4]
Figure 112016083177423-pat00080

(여기서,
Figure 112016083177423-pat00081
은 오차의 변화율,
Figure 112016083177423-pat00082
는 추종오차이다.)
3. The method of claim 2,
Wherein the sliding parameter S is defined using Equation (4) below.
&Quot; (4) &quot;
Figure 112016083177423-pat00080

(here,
Figure 112016083177423-pat00081
The rate of change of error,
Figure 112016083177423-pat00082
Is the tracking error.)
비선형 시스템의 PID 게인 자동 튜닝 방법에 있어서,
슬라이딩 모드의 기울기 및 시스템의 제어 주기를 설정하는 단계;
오차를 이용해
Figure 112016083177423-pat00083
(실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬)를 정의하는 단계;
상기
Figure 112016083177423-pat00084
로, 게인(K, TI, TD)을 조절하는 단계;
상기 게인(K, TI, TD)으로 제어입력(u(k))을 계산하는 단계; 및
상기 제어입력을 시스템에 입력하는 단계를 포함하고,
상기 게인(K, TI, TD)은 하기 [수학식 1]을 이용하여, 조절되고,
상기 제어 입력은 하기 [수학식 2]을 이용하여, 계산되고,
상기
Figure 112016083177423-pat00085
는 하기 [수학식 3]을 이용하여 정의되는 것을 특징으로 하는 PID 게인 자동 튜닝 방법.
[수학식 1]
Figure 112016083177423-pat00086

(여기서, K, TI, TD는 이산공간에서의 게인이고, λ는 목표로 하는 슬라이딩 모드 동역학의 슬라이딩 기울기,
Figure 112016083177423-pat00087
는 실수 범위에서 정해지는 대각 게인 행렬이다.)
[수학식 2]
Figure 112016083177423-pat00088

(여기서, L은 제어 주기고, u(k)는 k번째 제어 주기에 해당하는 제어입력이고, e(k)는 k번째 오차이다.)
[수학식 3]
Figure 112016083177423-pat00089

(여기서, α,
Figure 112016083177423-pat00090
,
Figure 112016083177423-pat00091
는 사용자에 의해 결정되는 상수이고, S는 슬라이딩 변수이고,
Figure 112016083177423-pat00092
Figure 112016083177423-pat00093
에 대한 변화율이다.)
A method for automatically tuning a PID gain of a nonlinear system,
Setting a slope of the sliding mode and a control period of the system;
Using error
Figure 112016083177423-pat00083
(A diagonal gain matrix determined in real range);
remind
Figure 112016083177423-pat00084
, Adjusting the gains (K, T I , T D );
Calculating a control input u (k) with said gains (K, T I , T D ); And
Inputting the control input to the system,
The gains (K, T I , T D ) are adjusted using Equation (1) below,
The control input is calculated using the following equation (2)
remind
Figure 112016083177423-pat00085
Is defined using Equation (3) below. &Lt; EMI ID = 3.0 &gt;
[Equation 1]
Figure 112016083177423-pat00086

(Where K, T I , and T D are the gains in the discrete space, λ is the sliding slope of the target sliding mode dynamics,
Figure 112016083177423-pat00087
Is a diagonal gain matrix that is determined by the real number range.
&Quot; (2) &quot;
Figure 112016083177423-pat00088

(Where L is the control period, u (k) is the control input corresponding to the kth control period, and e (k) is the kth error.)
&Quot; (3) &quot;
Figure 112016083177423-pat00089

(Where,
Figure 112016083177423-pat00090
,
Figure 112016083177423-pat00091
Is a constant determined by the user, S is a sliding variable,
Figure 112016083177423-pat00092
The
Figure 112016083177423-pat00093
.)
제 4항에 있어서,
상기 슬라이딩 변수(S)는 하기 [수학식 4]을 이용하여 정의되는 것을 특징으로 하는 PID 게인 자동 튜닝 방법.
[수학식 4]
Figure 112016083177423-pat00094

(여기서,
Figure 112016083177423-pat00095
은 오차의 변화율,
Figure 112016083177423-pat00096
는 추종오차이다.)
5. The method of claim 4,
Wherein the sliding parameter (S) is defined using Equation (4).
&Quot; (4) &quot;
Figure 112016083177423-pat00094

(here,
Figure 112016083177423-pat00095
The rate of change of error,
Figure 112016083177423-pat00096
Is the tracking error.)
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