KR102139286B1

KR102139286B1 - Controller comprising an auxiliary state variable calculation unit and a control method thereof

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Publication number: KR102139286B1
Application number: KR1020180171059A
Authority: KR
Inventors: 조동일; 한지석; 김태일; 이상훈
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 알에스오토메이션주식회사
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-30
Also published as: KR20200080997A

Abstract

외란과 제어 입력 제한이 있는 서보 제어 시스템을 보다 안정적으로 제어할 수 있는 제어기 및 이의 제어 방법이 제공된다. 제어기는 제어 입력 제한부를 거쳐서 제어 대상을 제어하는 제어기로서, 상기 제어기로부터 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이를 기초로 보조 상태 변수를 업데이트하는 보조 상태 변수 계산부; 상기 보조 상태 변수를 기초로 절환 함수 출력을 계산하는 절환 함수 계산부; 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 외란 보상부; 및 상기 절환 함수 출력 및 상기 외란 추정값에 기초하여 제어 입력을 계산하는 제어 입력 계산부를 포함한다.A controller capable of stably controlling a servo control system having disturbance and control input restrictions and a control method thereof are provided. The controller is a controller that controls a control object through a control input limiting unit, calculates a difference between a control input provided from the controller to the control input limiting unit and an output of the control input and the control input limiting unit, and based on the difference, an auxiliary state An auxiliary state variable calculator for updating a variable; A switching function calculator for calculating a switching function output based on the auxiliary state variable; A disturbance compensation unit to calculate a disturbance estimate based on the switching function output; And a control input calculating unit calculating a control input based on the switching function output and the disturbance estimation value.

Description

A controller comprising an auxiliary state variable calculation unit and a control method thereof

본 발명은 보조 상태 변수 계산부를 포함하는 제어기 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외란과 제어 입력 제한이 있는 제어 시스템을 보다 안정적으로 제어할 수 있는 제어기 및 이의 제어 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a controller including an auxiliary state variable calculation unit and a control method thereof, and more particularly, to a controller and a control method thereof that can more stably control a control system having disturbance and control input restrictions.

[국가지원 연구개발에 대한 설명][Explanation on national support R&D]

본 연구는 중소벤처기업부 월드클래스300 (WC300) 사업(스마트머신/협업로봇 유연 대응을 위한 로봇모션 제어 솔루션 개발, 과제 고유번호: S2563339)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was conducted by the support of the World Class 300 (WC300) project of the Small and Medium Venture Business Department (development of a robot motion control solution for flexible response to smart machines/collaborative robots, task number: S2563339).

서보 모터 제어 시스템은 입력되는 명령과 플랜트의 엔코더 피드백 출력을 이용하여 제어 전류 입력을 생성하고 엔코더 피드백 값이 원하는 입력 명령을 추종하게 하는 피드백 제어 시스템이다. 가장 널리 쓰이는 피드백 제어 방법은 비례-적분-미분 제어 방법(Proportional-Integral-Derivative control)으로, PID 제어로 불린다. PID 제어 방법은 선형 제어 방법으로, 구현하기 쉽고, 파라미터 튜닝 방법이 직관적이다. 하지만 모델의 비선형성이나 외란의 발생 등에 취약하고 동작 중 부하 변동에 대응하기가 어렵다. 이런 이유로 PID 제어 방법은 각각의 상황에 맞는 튜닝 과정을 별도로 거쳐야 하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 여러 가지 자동 튜닝 방법이 제안되었으나, 일반적으로 그러한 자동 튜닝 방법들은 수동 튜닝 방법에 비해 기대 성능이 떨어지는 한계가 있다. The servo motor control system is a feedback control system that generates a control current input using the input command and the encoder feedback output of the plant, and allows the encoder feedback value to follow the desired input command. The most widely used feedback control method is a proportional-integral-derivative control method, which is called PID control. The PID control method is a linear control method, easy to implement, and the parameter tuning method is intuitive. However, it is vulnerable to nonlinearity or disturbance of the model, and it is difficult to respond to load fluctuations during operation. For this reason, the PID control method has a disadvantage in that it has to go through a tuning process for each situation separately. Various auto-tuning methods have been proposed to overcome this disadvantage, but in general, such auto-tuning methods have a limitation in that the expected performance is lower than the manual tuning method.

한편, 비선형 제어의 일종인 가변 구조 제어 방법은 일정한 외란 크기 범위 내에서도 시스템의 성능 및 안정성이 확보되는 장점을 갖는 강인 제어 방법이다. 가변 구조 제어 방법은 PID 제어 방법보다 추종 성능이 월등히 좋으며, 특히 가변 구조 제어 방법과 외란 보상 기법이 함께 적용될 경우, 외란에 대한 시스템의 안정성이 더 크게 확보되며, 가변 구조 제어 방법의 단점인 채터링 문제를 감소시킬 수 있다. On the other hand, the variable structure control method, which is a type of nonlinear control, is a robust control method having the advantage of ensuring the performance and stability of the system even within a certain range of disturbance sizes. The variable structure control method has significantly better tracking performance than the PID control method. In particular, when the variable structure control method and the disturbance compensation method are applied together, stability of the system against disturbance is secured more greatly, and chattering, a disadvantage of the variable structure control method The problem can be reduced.

그러나, 일반적인 서보 제어 시스템은 제어 입력을 생성하는 데에 한계, 즉, 제어 입력 크기의 제한을 받는다. 이러한 제어 입력 제한으로 인해 시스템의 성능이 크게 저하될 수 있으며, 안정성이 보장되지 않는 문제점이 발생한다. 특히, 가변 구조 제어 방법을 이용하는 제어 시스템에서 제어 입력 제한으로 인한 성능이 저하되고, 안정성이 보장되지 않는 문제점은 널리 연구되지 있지 않은 실정이다.However, a typical servo control system is limited in generating control inputs, that is, the size of control inputs. Due to the limitation of the control input, performance of the system may be significantly deteriorated, and a problem that stability is not guaranteed occurs. Particularly, in a control system using a variable structure control method, performance due to control input limitation is deteriorated and stability is not guaranteed.

Y. Eun, et al., “Discrete-time Variable Structure Controller with a Decoupled Disturbance Compensator and Its Application to a CNC Servomechanism,” IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol.7, no. 4, pp. 414-423, 1999.Y. Eun, et al., “Discrete-time Variable Structure Controller with a Decoupled Disturbance Compensator and Its Application to a CNC Servomechanism,” IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol. 7, no. 4, pp. 414-423, 1999.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가변 구조 제어 방법을 이용하는 제어 시스템에서 외란과 제어 입력 제한으로 인한 성능 저하와 안정성이 보장되지 않는 문제점을 해결할 수 있는 제어기 및 이의 제어 방법을 제공한다.The present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and provides a controller and a control method thereof that can solve problems in which performance and stability are not guaranteed due to disturbances and control input limitations in a control system using a variable structure control method. do.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어기는 제어 입력 제한부를 거쳐서 제어 대상을 제어하는 제어기로서, 상기 제어기로부터 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이를 기초로 보조 상태 변수를 업데이트하는 보조 상태 변수 계산부; 상기 보조 상태 변수에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 절환 함수 계산부; 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 외란 보상부; 및 상기 절환 함수 출력 및 상기 외란 추정값에 기초하여 제어 입력을 계산하는 제어 입력 계산부를 포함한다. A controller according to an embodiment of the present invention is a controller that controls a control target through a control input limiting unit, calculates a difference between a control input provided from the controller to the control input limiting unit and an output of the control input limiting unit, and the difference An auxiliary state variable calculator that updates the auxiliary state variable based on the; A switching function calculator for calculating a switching function output based on the auxiliary state variable; A disturbance compensation unit to calculate a disturbance estimate based on the switching function output; And a control input calculating unit calculating a control input based on the switching function output and the disturbance estimation value.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 제어 입력 제한부를 거쳐서 제어 대상을 제어하는 제어기의 제어 방법으로, 상기 제어기로부터 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 계산하는 단계; 상기 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 기초로 보조 상태 변수를 업데이트하는 단계; 상기 보조 상태 변수에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하고, 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계; 및 상기 절환 함수 출력 및 상기 외란 추정값에 기초하여 제어 입력을 계산하는 단계를 포함한다.A control method of a controller according to another embodiment of the present invention is a control method of a controller that controls a control target through a control input limiting unit, and a difference between a control input provided from the controller to the control input limiting unit and an output of the control input limiting unit Calculating; Updating an auxiliary state variable based on the difference between the control input and the output of the control input limiter; Calculating a switching function output based on the auxiliary state variable, and calculating a disturbance estimate based on the switching function output; And calculating a control input based on the switching function output and the disturbance estimate.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 하드웨어와 결합되어 상기 제어기의 제어 방법을 실행하도록 매체에 저장된다.A computer program according to another embodiment of the present invention is stored in a medium to execute a control method of the controller in combination with hardware.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어기 및 이의 제어 방법은 외란이 존재하고 입력 제어 명령이 제한되는 상황에서도 외란 보상값과 절환 함수 출력이 와인드업(wind up)하는 것을 방지함으로써, 제어 성능의 저하를 방지하고, 안정성을 확보할 수 있다.A controller according to an embodiment of the present invention and a control method thereof prevent the degradation of the control performance by preventing the disturbance compensation value and the switching function output from being winded up even when a disturbance exists and an input control command is limited. And stability can be secured.

또한, 가변 구조 제어 방법 및 외란 보상부의 장점인 강인성과 뛰어난 추종 성능 구조를 유지하면서 제어 입력 제한으로부터 강인성까지 갖출 수 있다.In addition, while maintaining the robustness and excellent following performance structure, which are the advantages of the variable structure control method and the disturbance compensation unit, it can be equipped from the control input limit to the toughness.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기가 포함되는 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도이다.
도 3는 예시적인 레퍼런스를 도시한 그래프이다.
도 4는 종래의 제어 입력 제한과 외란 보상을 구비한 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법의 순서도이다.1 is a block diagram of a control system including a controller according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing an exemplary reference.
4 is a graph showing the results of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a controller having a conventional control input limit and disturbance compensation.
5 is a graph showing the results of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to the controller according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a control method of a controller according to another embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 결정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.For a detailed description of the present invention, which will be described later, reference is made to the accompanying drawings that illustrate, by way of example, specific embodiments in which the invention may be practiced. These examples are described in detail enough to enable those skilled in the art to practice the present invention. The terminology used in the present specification is a general terminology that is currently widely used while considering functions, but this may vary depending on the intention or custom of a person skilled in the art or the appearance of a new technology. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily determined by the applicant, and in this case, their meanings will be described in the description of the corresponding specification. Therefore, the terms used in the present specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and not the contents of the simple term, but the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기가 포함되는 제어 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 제어 시스템(10)은 제어기(110), 부하부(120), 제어 입력 제한부(130)를 포함한다. 1 is a block diagram of a control system including a controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the control system 10 includes a controller 110, a load unit 120, and a control input limiting unit 130.

제어기(110)는 부하부(120)에 포함된 제어 대상(122)을 위한 제어 입력(

)를 발생한다. 제어기(110)에서 발생한 제어 입력(

)는 부하부(120)에 전달된다. 부하부(120)는 전류 제어기(121), 제어 대상(122) 및 인코더(123)를 포함한다. 먼저, 제어기(110)로부터 전류 제어기(121)로 제어 입력(

)이 전달되면, 전류 제어기(121)는 제어 입력(

)에 상응하는 구동 전류를 제어 대상(122, 또는 부하)에 제공한다. 그리고, 인코더(123)는 예를 들어, 구동된 제어 대상(122)의 상태를 측정하여 피드백 정보(

)를 제어기(110)에 피드백으로서 제공한다. 제어기(110)는 이후의 서보 모터 제어시 수신된 피드백(

)을 참조한다. 여기서, 피드백 정보는 각변위를 기초로 생성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제어 대상의 각변위(angular position) 및/또는 각속도(angular velocity)를 기초로 생성된 정보일 수도 있다. 전류 제어기(121), 모터(122) 및 인코더(123)의 구체적인 구성 및 동작 방법은 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그에 대한 설명은 생략한다.The controller 110 is a control input for the control object 122 included in the load unit 120 (

). Control input generated from the controller 110 (

) Is transmitted to the load unit 120. The load unit 120 includes a current controller 121, a control target 122 and an encoder 123. First, the control input from the controller 110 to the current controller 121 (

) Is transmitted, the current controller 121 is a control input (

) Is provided to the control object 122 (or load) corresponding to the driving current. Then, the encoder 123 measures, for example, the state of the driven control object 122 to provide feedback information (

) To the controller 110 as feedback. The controller 110 receives feedback received during subsequent servo motor control (

). Here, the feedback information may be generated based on the angular displacement, but is not limited thereto, and may be information generated based on an angular position and/or an angular velocity of a control target. Since the specific configuration and operation method of the current controller 121, the motor 122, and the encoder 123 are well known in the art, descriptions thereof are omitted here.

제어기(110)에서 발생한 제어 입력(

)은 제어 입력 제한부(130)를 경유하여 부하부(120)에 제공된다. 제어 입력 제한부(130)는 부하부(120)에 인가되는 전류의 최대 크기를 제한하기 위한 모듈이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템(10)은 제어 대상(122)에 입력되는 순간 전류의 크기가 허용 전류 이상으로 증가하지 못하도록 하는 제어 입력 제한부(130)를 포함한다.Control input generated from the controller 110 (

) Is provided to the load unit 120 via the control input limiting unit 130. The control input limiting unit 130 is a module for limiting the maximum amount of current applied to the load unit 120. That is, the control system 10 according to an embodiment of the present invention includes a control input limiting unit 130 that prevents the magnitude of the instantaneous current input to the control object 122 from increasing beyond the allowable current.

제어기(110)로부터 제공되는 제어 입력(

)(또는, 그것이 지시하는 전류의 크기)이 허용 전류를 초과하더라도, 제어 입력 제한부(130)는 허용 전류를 상한으로 하는 제한된 크기의 전류만이 제어 대상(122)에 전달되도록 전류 제어기(121)를 제어한다. 즉, 제어 입력 제한부(130)에 의해 제어 입력보다 작은 크기의 감축된 전류 명령(이하, 제한 전류)이 전류 제어기(121)로 전달된다. 따라서, 예측되는 모터의 출력과 실제로 발생된 모터의 출력 간에는 큰 차이가 발생하게 된다. 이 차이는 제어기(110)의 제어 값에 누적(또는, 적산(積算))되어, 제어시 큰 오버슈트(overshoot)를 야기하고 전체적인 반응 시간을 지연시킬 수 있다. 또한, 외란이 존재하고 입력 제어 명령이 제한되는 상황에서 외란 보상값과 절환 함수 출력은 특정 값으로 수렴하지 않고 발산할 수 있다. Control input provided from the controller 110 (

) (Or, the magnitude of the current indicated by it) exceeds the allowable current, the control input limiting unit 130 is the current controller 121 so that only the current of the limited size that limits the allowable current to the control target 122 ) Control. That is, the reduced current command (hereinafter, the limited current) having a size smaller than the control input is transmitted to the current controller 121 by the control input limiting unit 130. Therefore, a large difference occurs between the predicted motor output and the actually generated motor output. This difference is accumulated (or accumulated) in the control value of the controller 110, which may cause a large overshoot during control and delay the overall reaction time. In addition, the disturbance compensation value and the switching function output may diverge without converging to a specific value in the situation where the disturbance exists and the input control command is limited.

상술한 문제점을 감안하여 시스템 제어를 수행하기 위해 본 발명의 제어기(110)는 제어 입력 제한부(130)의 출력을 추가로 입력받고, 보조 상태 변수 계산부(114)가 구비될 수 있다. In order to perform system control in view of the above-described problems, the controller 110 of the present invention may additionally receive the output of the control input limiting unit 130, and the auxiliary state variable calculating unit 114 may be provided.

보조 상태 변수 계산부(114)는 제어 입력과 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이를 입력받아 보조 상태 변수를 업데이트한다. 보조 상태 변수 계산부(114)에서 제공되는 보조 상태 변수에 기초하여 제어기(110)는 제어 입력을 생성할 수 있다. 이하, 제어기(110)의 세부적인 구성과 함께 보조 상태 변수 계산부(114)의 특징에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다. The auxiliary state variable calculating unit 114 calculates a difference between the control input and the output of the control input limiting unit 130, and receives the difference to update the auxiliary state variable. The controller 110 may generate a control input based on the auxiliary state variable provided by the auxiliary state variable calculator 114. Hereinafter, features of the auxiliary state variable calculating unit 114 together with the detailed configuration of the controller 110 will be described in more detail.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 제어기(110)는 절환 함수 계산부(111), 제어 입력 계산부(112), 외란 보상부(113) 및 보조 상태 변수 계산부(114)를 포함한다. 2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the controller 110 includes a switching function calculation unit 111, a control input calculation unit 112, a disturbance compensation unit 113, and an auxiliary state variable calculation unit 114.

실시예들에 따른 제어기(110) 및 이를 구성하는 각각의 장치 또는 부(unit)는, 전적으로 하드웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 본 발명의 제어기(110)의 각각의 구성요소는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭한다. 하드웨어는 CPU(Central Processing Unit) 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 절환 함수 계산부(111)는, 하드웨어 및 이를 위한 소프트웨어의 조합을 지칭할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 제어기(110)를 구성하는 각 부는 반드시 물리적으로 구분되는 별개의 구성요소를 지칭하는 것으로 의도되지 않는다. 즉, 도 2에서 제어기(110)의 각 부는 서로 구분되는 별개의 블록으로 도시되었으나, 이는 제어기(110)를 이에 의해 실행되는 동작에 의해 기능적으로 구분한 것이다. 실시예에 따라서는 전술한 각 부 중 일부 또는 전부가 동일한 하나의 장치 내에 집적화될 수 있으며, 또는 하나 이상의 부가 다른 부와 물리적으로 구분되는 별개의 장치로 구현될 수도 있다. 예컨대, 각각의 부는 분산 컴퓨팅 환경 하에서 서로 통신 가능하게 연결된 컴포넌트들일 수도 있다.The controller 110 according to the embodiments and each device or unit constituting the same may have aspects that are entirely hardware or partially hardware and partially software. For example, each component of the controller 110 of the present invention refers to a combination of hardware and software driven by the hardware. The hardware may be a data processing device including a central processing unit (CPU) or other processor. In addition, software driven by hardware may refer to a running process, an object, an executable, a thread of execution, a program, or the like. For example, the switching function calculator 111 may refer to a combination of hardware and software for the same. In addition, each part constituting the controller 110 in the present specification is not intended to refer to separate components that are physically separated. That is, in FIG. 2, each part of the controller 110 is illustrated as a separate block that is separated from each other, but this is functionally divided by the operation executed by the controller 110. Depending on the embodiment, some or all of the above-described parts may be integrated in the same one device, or one or more parts may be implemented as separate devices physically separated from other parts. For example, each part may be components communicatively connected to each other under a distributed computing environment.

제어기(110)는 하기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력받은 레퍼런스(

)를 추종하도록 제어 입력을 생성할 수 있다. 제어기(110)는 가변 구조 제어 방법 중 하나인 이산 시간 슬라이딩 모드(Discrete-time sliding mode control, DSMC) 제어 방법을 적용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템(10)은 하기 수학식 1로 표현되는 이산 시간 상태 공간 방정식으로 정의된다.In the system environment of the discrete time state spatial equation according to Equation 1 below, the controller 110 receives the reference (

) To create a control input. The controller 110 may apply a discrete-time sliding mode control (DSMC) control method, which is one of the variable structure control methods. Specifically, the control system 10 according to an embodiment of the present invention is defined as a discrete time state space equation represented by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

(여기서,

는 상태 변수로 부하부(120)에서 제공되는 피드백 값이며,

는 제어기(110)로부터 제공되는 제어 입력,

는 일반화된 외란, A는 시스템 매트릭스로

로 정의되며, B는 입력 매트릭스로

로 정의되고, T는 샘플링 주기에 해당한다. A, B는 가제어성을 가지며, 외란의 변동치는 소정 값 미만이 되도록 가정(

)한다. 또한,

는 제어 입력과 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이로,

로 정의되고,

은 제어 입력 제한부(130)에 설정된 제어 입력 절대값의 최대 제한값이다.)(here,

Is a feedback value provided by the load unit 120 as a state variable,

Is a control input provided from the controller 110,

Is the generalized disturbance, A is the system matrix

Is defined as B is the input matrix

Defined as, T corresponds to the sampling period. A and B have controllability, and it is assumed that the fluctuation of disturbance is less than a predetermined value (

)do. Also,

Is the difference between the control input and the output of the control input limiting unit 130,

Is defined as,

Is the maximum limit value of the absolute value of the control input set in the control input limiting unit 130.)

제어기(110)는 보조 상태 변수 계산부(114)에서 제공되는 보조 상태 변수(

)를 고려하여, 절환 함수 계산부(111) 및 외란 보상부(113)의 출력을 계산하고, 제어 입력(

)을 생성할 수 있다. 보조 상태 변수 계산부(114)에서 생성되는 보조 상태 변수(

)는 하기 수학식 2와 같이 정의된다.The controller 110 is an auxiliary state variable provided by the auxiliary state variable calculator 114 (

), the outputs of the switching function calculation unit 111 and the disturbance compensation unit 113 are calculated, and the control input (

). The auxiliary state variable generated by the auxiliary state variable calculator 114 (

) Is defined as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

(여기서,

는 보조 상태의 이득 파라미터로,

로 정의될 수 있으며,

는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,

Is the auxiliary state gain parameter,

Can be defined as

Is a gain matrix related to the switching function.)

보조 상태 변수 계산부(114)는 이전 상태의 제어 입력과 이전 상태의 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이(

)를 고려하여, 현재 상태의 보조 상태 변수(

)를 업데이트할 수 있다. 보조 상태 변수 계산부(114)는 이전 상태의 제어 입력과 이전 상태의 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이(

)에 제1 값을 곱한 제2 값으로 조정할 수 있다. 여기서, 제1 값은 제어기(110)의 파라미터(GB)일 수 있다. 또한, 보조 상태 변수는 직전 상태의 보조 상태 변수값에 제3 값을 곱한 값과 상기 제2 값을 조합하여 현재의 보조 상태 변수 값을 업데이트할 수 있다. 여기서, 제3 값은 보조 상태의 이득 파라미터(

)에 해당한다. 보조 상태 변수는 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이 및 보조 상태 이득 파라미터를 기초로 업데이트될 수 있다.The auxiliary state variable calculating unit 114 is the difference between the control input of the previous state and the output of the control input limiting unit 130 of the previous state (

Considering ), the secondary state variable of the current state (

). The auxiliary state variable calculating unit 114 is the difference between the control input of the previous state and the output of the control input limiting unit 130 of the previous state (

) To the second value multiplied by the first value. Here, the first value may be the parameter GB of the controller 110. In addition, the auxiliary state variable may update the current auxiliary state variable value by combining the value of the auxiliary state variable of the immediately preceding state by a third value and the second value. Here, the third value is a gain parameter of the auxiliary state (

). The auxiliary state variable may be updated based on a difference between the control input provided to the control input limiter and the output of the control input limiter and an auxiliary state gain parameter.

보조 상태 변수 계산부(114)에서 업데이트된 현재의 보조 상태 변수(

)는 제어기(110)의 절환 함수 계산부(111)에 제공된다.The current auxiliary state variable updated by the auxiliary state variable calculator 114 (

) Is provided to the switching function calculator 111 of the controller 110.

절환 함수 계산부(111)는 업데이트된 현재 상태의 보조 상태 변수(

)를 고려한 현재 상태의 절환 함수 출력(

)를 정의할 수 있다. 절환 함수 계산부(111)는 외부로부터 입력되는 레퍼런스(

), 피드백된 부하부의 상태 변수(

), 보조 상태 변수(

)로 구성된 절환 함수 출력(

)를 계산할 수 있다. 절환 함수 출력(

)은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.The switching function calculation unit 111 is an auxiliary state variable of the updated current state (

Output of the switching function of the current state considering)

) Can be defined. The switching function calculation unit 111 is a reference input from the outside (

), the state variable of the feedback load part (

), secondary state variable (

Output of the switching function consisting of)

). Switching function output (

) Is defined as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

(여기서,

는 오차 함수로,

로 정의되고,

는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,

Is the error function,

Is defined as,

Is a gain matrix related to the switching function.)

즉, 상기 절환 함수 출력은 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 제어 대상으로부터 출력된 상태 변수의 오차 및 상기 보조 상태 변수를 기초로 정의된다. That is, the switching function output is defined based on the error of the reference variable input from the outside, the state variable output from the control object, and the auxiliary state variable.

외란 보상부(113)는 외란 추정 이득(

)과 절환 함수 출력(

)에 기초하여 외란 추정 값(

)을 산출한다. 수학식 1의 상태 공간 방정식에서, 절환 함수 출력(

)를 0으로 만들기 위한, 외란 보상부(113)가 추정한 외란 추정 값(

)과, 제어 입력 계산부(112)의 제어 입력(

)가 정의된다. 외란 추정 값(

)은 하기 수학식 4와 같이 정의된다.Disturbance compensation unit 113 is a disturbance estimated gain (

) And switching function output (

Disturbance estimate based on)

). In the state-space equation of Equation 1, the switching function output (

The disturbance estimation value estimated by the disturbance compensation unit 113 to make) 0 (

) And the control input of the control input calculator 112 (

) Is defined. Disturbance estimate (

) Is defined as in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

(여기서,

는 오차 함수(

)가 슬라이딩 매니폴드로 도달하는 속도를 결정하는 파라미터,

는 포화 함수(

)의 이득이며,

는 포화 함수의 경계층의 두께(boundary layer thickness)를 결정하는 파라미터,

는 외란 추정 이득,

는 외란 추정 값이다.)(here,

Is the error function (

) Is the parameter that determines the speed at which the sliding manifold reaches,

Is the saturation function (

)

Is a parameter that determines the boundary layer thickness of the saturation function,

Is the disturbance estimation gain,

Is the disturbance estimate.)

제어 입력 계산부(112)는 절환 함수 출력(

) 및 상기 외란 추정 값(

)에 기초하여 현재 상태의 제어 입력(

)을 계산한다. 현재 상태의 제어 입력(

)은 하기 수학식 5와 같이 정의된다.The control input calculator 112 outputs a switching function (

) And the disturbance estimated value (

Control input of the current state based on)

). Current state control input (

) Is defined as in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

즉, 현재 상태의 제어 입력은 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값, 외부로부터 입력되는 레퍼런스, 상기 제어 대상으로부터 출력된 상태 변수 및 상기 보조 상태 변수를 기초로 정의된다. 생성된 제어 입력은 제어 입력 제한부(130)로 제공된다. That is, the control input of the current state is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, a state variable output from the control object, and the auxiliary state variable. The generated control input is provided to the control input limiting unit 130.

제어 입력 계산부(112)는 수학식 5를 제어 입력으로 가지는 가변 구조 제어기가 슬라이딩 표면(sliding surface)에서 절환 함수 출력 값을 0으로 만들도록 제어 입력을 생성할 수 있다.The control input calculator 112 may generate a control input such that the variable structure controller having Equation 5 as the control input makes the switching function output value to 0 on a sliding surface.

하기, 수학식 6 은 제어 입력 제한을 받지 않는 것으로 가정한 종래의 제어 시스템(이산 시간 상태 공간 방정식:

, 절환 함수:

, 외란 추정 방법:

, 제어 입력:

)의 외란 보상부에서 외란 추정 오차 다이나믹스(dynamics)를 나타낸 것이다. Equation 6 below is a conventional control system (discrete time state spatial equation:

, Switching function:

, Disturbance estimation method:

, Control input:

) Indicates the dynamics of the estimation error of the disturbance in the disturbance compensation unit.

[수학식 6][Equation 6]

(여기서,

는 실제 외란(

)과 추정 외란(

)의 차이를 의미한다.)(here,

Is the actual disturbance (

) And estimated disturbance (

) Means the difference.)

이고,

을 임의의 양수 M 및 모든 k에 대해 만족하는 경우(외란의 변화율이 M으로 바운드되면),

과 무관하게

을 만족하는 k가 반드시 존재하는 것이 증명된다. 즉, 제어 입력 제한을 받지 않는 제어 시스템의 외란 추정 오차 다이나믹스에서, 외란 추정 오차는

으로 안정화되는 것을 알 수 있다.

ego,

Is satisfied for any positive M and all k (if the rate of change of the disturbance is bound to M),

Irrespective of

It is proved that k satisfying k must exist. That is, in the disturbance estimation error dynamics of the control system that is not restricted by the control input, the disturbance estimation error is

It can be seen that it is stabilized.

하기, 수학식 7은 제어 입력 제한을 받지 않은 것으로 가정한 종래의 제어 시스템의 제어 입력 계산부(112)에서의 폐루프 슬라이딩 모드 다이나믹스(closed-loop sliding mode dynamics)을 나타낸 것이다.Equation 7 below shows closed-loop sliding mode dynamics in the control input calculator 112 of the conventional control system assuming that the control input is not limited.

[수학식 7][Equation 7]

즉, 제어 입력 제한이 없고, 외란의 변화율이 충분히 작을 경우, 절환 함수(

)는 안정하고 거의 0으로 수렴될 수 있다.That is, if there is no control input limit and the rate of change of the disturbance is sufficiently small, the switching function (

) Is stable and can converge to almost zero.

상기 수학식 6 및 7에 의한 결과는 입력 제어 명령이 제한되지 않는 상황에서, 외란 보상값과 절환 함수가 발산하지 않고, 일정 값으로 수렴되어 안정화되는 것을 의미한다. The results of Equations 6 and 7 mean that in a situation in which the input control command is not limited, the disturbance compensation value and the switching function do not diverge, and converge to a constant value to stabilize.

이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템(10)은 제어 입력 제한 상황에서도 외란 추정 오차 다이나믹스와 폐루프 슬라이딩 모드 다이나믹스는 상기 수학식 6, 수학식 7과 동일한 형태로 나타날 수 있다. 하기와 같은 과정을 통해 상술한 내용이 증명된다.In this regard, the control system 10 according to an embodiment of the present invention may exhibit disturbance estimation error dynamics and closed-loop sliding mode dynamics in the same form as in Equations (6) and (7), even in a control input limit situation. The above-mentioned contents are verified through the following process.

본 발명의 폐루프 슬라이딩 모드 다이나믹스는 하기와 같이 계산될 수 있다. The closed loop sliding mode dynamics of the present invention can be calculated as follows.

상기 수학식 3에서

(1) 식이 도출될 수 있다. 그리고 수학식 1 및 수학식 2 및 상기 (1)식에 치환하여 정리하면 (2) 식이 도출되고, (2)식에 수학식 5를 치환하면 (3) 식이 도출되고, (3)식을 정리하면 (4)와 같은 폐루프 슬라이딩 모드 다이나믹스 결과가 도출된다.In Equation 3 above

(1) Equation can be derived. Then, by substituting Equation 1 and Equation 2 and Equation (1) above, Equation (2) is derived, and substituting Equation 5 by Equation (2) results in Equation (3) and Equation (3). When (4), the closed loop sliding mode dynamics result is obtained.

즉, 본 발명의 폐루프 슬라이딩 모드 다이나믹스는 제어 입력 제한이 있어도 제어 입력 제한이 없는 상태의 폐루프 슬라이딩 모드 다이나믹스와 동일한 결과를 가질 수 있다.That is, the closed-loop sliding mode dynamics of the present invention may have the same result as the closed-loop sliding mode dynamics in a state in which there is no control input limit even if there is a control input limit.

또한, 상기

으로부터 하기 수학식 8이 도출될 수 있다. Also, the

From Equation 8 below can be derived.

[수학식 8][Equation 8]

상기 수학식 8을 상기 수학식 4에 치환하며, 본 발명의 외란 보상부(113)의 외란 추정 값은 하기 수학식 9와 같이 정리된다.Substituting Equation 8 into Equation 4, the estimated disturbance value of the disturbance compensator 113 of the present invention is summarized as in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

즉, 본 발명의 외란 추정 오차 다이나믹스는 제어 입력 제한이 있어도 제어 입력 제한이 없는 상태의 외란 추정 오차 다이나믹스와 동일한 결과를 가질 수 있다.That is, the disturbance estimation error dynamics of the present invention may have the same result as the disturbance estimation error dynamics in a state in which there is no control input limit even if there is a control input limit.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(110)는 보조 상태 변수 계산부(114)에서 제공되는 보조 상태 변수에 기초하여 제어 입력을 생성하여, 외란이 존재하고 입력 제어 명령이 제한되는 상황에서도 외란 보상값과 절환 함수 값이 발산하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 제어 성능의 저하가 방지되고, 안정성이 확보될 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 실시예에 대해 설명하도록 한다. The controller 110 according to an embodiment of the present invention generates a control input based on the auxiliary state variable provided by the auxiliary state variable calculator 114 to compensate for the disturbance even in a situation where a disturbance exists and an input control command is limited. The value and the switching function value can be prevented from diverging. Accordingly, a decrease in control performance can be prevented and stability can be secured. Hereinafter, an embodiment of a controller according to an embodiment of the present invention will be described.

[실시예][Example]

제어 대상은 400W AC 서보 모터로, 산업용 볼-스크류 드라이브 시스템에 장착된다. 제어 입력 제한부(130)에 설정된 최대 제어 입력 제한(

)은 5.7A, 샘플링 주기(T)는 0.125 ms이다. 제어기의 각 파라미터는 하기 표 1과 같이 설정되었다. The control target is a 400W AC servo motor, mounted on an industrial ball-screw drive system. Maximum control input limit set in the control input limiter 130 (

) Is 5.7A, and the sampling period (T) is 0.125 ms. Each parameter of the controller was set as shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

제어 대상의 레퍼런스는 제어 대상의 각변위(angular position,

) 및 각속도(angular velocity,

)이다. 도 3는 예시적인 레퍼런스를 도시한 그래프이다. 도 3a는 각각 제어 대상의 각변위에 대한 레퍼런스, 도 3b는 제어 대상의 각속도에 대한 레퍼런스를 도시한 그래프이다.The reference of the control target is the angular position of the control target

) And angular velocity,

)to be. 3 is a graph showing an exemplary reference. 3A is a graph showing a reference to an angular displacement of a control object, and FIG. 3B is a graph showing a reference to an angular velocity of the control object.

도 4는 종래의 제어 입력 제한과 외란 보상을 구비한 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다. 도 4a는 각변위 오차, 도 4b는 각속도, 도 4c는 제어 입력, 도 4d는 외란 추정 값의 변화를 도시한 것이다. 4 is a graph showing the results of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a controller having a conventional control input limit and disturbance compensation. 4A shows the angular displacement error, FIG. 4B shows the angular velocity, FIG. 4C shows the control input, and FIG. 4D shows the change in the disturbance estimation value.

도 5는 본 실시예에 따른 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다. 도 5a는 각변위 오차, 도 5b는 각속도, 도 5c는 제어 입력, 도 5d는 외란 추정 값의 변화를 도시한 것이다.5 is a graph showing the results of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to the controller according to the present embodiment. 5A shows the angular displacement error, FIG. 5B shows the angular velocity, FIG. 5C shows the control input, and FIG. 5D shows the change in the disturbance estimation value.

도 4 및 도 5를 비교하면, 본 실시예에 따른 제어기의 각변위 오차가 더 적게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 레퍼런스의 각속도 또한 보다 정밀하게 추종되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 외란 추정 값도 제어 입력 포화 상태에서도 외란 성분만을 추정하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 제어기는 외란이 존재하고 입력 제어 명령이 제한되는 상황에서도 외란 보상값과 절환 함수 출력이 와인드업(wind up) 되는 것을 방지하여 안정적인 서보 제어를 제공할 수 있다. 또한, 가변 구조 제어 방법 및 외란 보상부의 장점인 강인성과 뛰어난 추종 성능 구조를 유지하면서 제어 입력 제한으로부터 강인성까지 제공할 수 있다.By comparing FIGS. 4 and 5, it can be seen that the angular displacement error of the controller according to the present embodiment is less, and it can be seen that the angular velocity of the reference is also more precisely followed. Also, it can be confirmed that the disturbance estimation value estimates only the disturbance component even in the control input saturation state. That is, the controller according to the present embodiment can provide stable servo control by preventing the disturbance compensation value and the switching function output from being winded up even when a disturbance exists and an input control command is limited. In addition, while maintaining the robustness and excellent following performance structure, which are advantages of the variable structure control method and the disturbance compensation unit, it is possible to provide from the control input limit to the toughness.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법에 대해 설명한다. 제어기는 상술한 도 1 내지 도 5의 제어기(110)일 수 있으며, 본 실시예의 설명을 위해 도 1 내지 도 5가 참조될 수 있다. Hereinafter, a control method of a controller according to another embodiment of the present invention will be described. The controller may be the controller 110 of FIGS. 1 to 5 described above, and FIGS. 1 to 5 may be referred to for description of the present embodiment.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 제어 입력 제한부를 거쳐서 제어 대상을 제어하는 제어기의 제어 방법으로, 상기 제어기로부터 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 계산하는 단계(S100); 상기 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 기초로 보조 상태 변수를 업데이트하는 단계(S110); 상기 보조 상태 변수에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하고, 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계(S120); 및 상기 절환 함수 출력 및 상기 외란 추정값에 기초하여 제어 입력을 계산하는 단계(S130)를 포함한다. Referring to FIG. 6, a control method of a controller according to another embodiment of the present invention is a control method of a controller that controls a control target through a control input limiting unit, control input and control provided from the controller to the control input limiting unit Calculating a difference in output of the input limiting unit (S100); Updating an auxiliary state variable based on the difference between the control input and the output of the control input limiter (S110); Calculating a switching function output based on the auxiliary state variable, and calculating a disturbance estimation value based on the switching function output (S120); And calculating a control input based on the switching function output and the disturbance estimate (S130).

먼저, 상기 제어기로부터 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이를 계산한다(S100).First, the difference between the control input provided from the controller to the control input limiting unit and the control input and the output of the control input limiting unit is calculated (S100).

제어기(110)는 상기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력받은 레퍼런스 명령(

)을 추종하도록 제어 입력을 생성할 수 있다. 제어기(110)는 가변 구조 제어 방법 중 하나인 이산 시간 슬라이딩 모드(Discrete-time sliding mode control, DSMC) 제어 방법을 적용할 수 있다. In the system environment of the discrete time state spatial equation according to Equation 1, the controller 110 receives the reference command (

) To generate a control input. The controller 110 may apply a discrete-time sliding mode control (DSMC) control method, which is one of the variable structure control methods.

[수학식 1][Equation 1]

(여기서,

는 상태 변수로 부하부(120)에서 제공되는 피드백 값이며,

는 제어기(110)로부터 제공되는 제어 입력,

는 일반화된 외란, A는 시스템 매트릭스로

로 정의되며, B는 입력 매트릭스로

)한다. 또한,

는 제어 입력과 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이로,

로 정의되고,

Is a feedback value provided by the load unit 120 as a state variable,

Is a control input provided from the controller 110,

Is the generalized disturbance, A is the system matrix

Is defined as B is the input matrix

Is defined as, and T corresponds to the sampling period. A and B have controllability, and it is assumed that the disturbance fluctuation is less than a predetermined value (

)do. Also,

Is defined as,

구체적으로, 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이를 계산하는 단계(S100)는 제어기(110)의 보조 상태 변수 계산부(114)에서 수행될 수 있다. 보조 상태 변수 계산부(114)는 이전 상태의 제어 입력과 이전 상태의 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이(

)를 계산할 수 있다.Specifically, the step (S100) of calculating the difference between the control input and the output of the control input limiting unit 130 may be performed by the auxiliary state variable calculating unit 114 of the controller 110. The auxiliary state variable calculating unit 114 is the difference between the control input of the previous state and the output of the control input limiting unit 130 of the previous state (

).

다음으로, 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이를 기초로 보조 상태 변수를 업데이트 한다(S110).Next, an auxiliary state variable is updated based on the difference between the control input and the output of the control input limiting unit 130 (S110).

상기 단계(S110)는 제어기(110)의 보조 상태 변수 계산부(114)에서 수행될 수 있다. 보조 상태 변수 계산부(114)는 이전 상태의 제어 입력과 이전 상태의 제어 입력 제한부(130)의 출력의 차이(

)를 고려하여, 현재 상태의 보조 상태 변수(

)를 업데이트할 수 있다. 보조 상태 변수(

)는 하기 수학식 2와 같이 정의된다. The step S110 may be performed by the auxiliary state variable calculator 114 of the controller 110. The auxiliary state variable calculating unit 114 is the difference between the control input of the previous state and the output of the control input limiting unit 130 of the previous state (

Considering ), the secondary state variable of the current state (

). Secondary state variable (

) Is defined as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

(여기서,

는 보조 상태의 이득 파라미터로,

로 정의될 수 있으며,

는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,

Is the auxiliary state gain parameter,

Can be defined as

Is a gain matrix related to the switching function.)

즉, 보조 상태 변수는 상기 제어 입력 제한부로 제공되는 제어 입력과 상기 제어 입력 제한부의 출력의 차이 및 보조 상태 이득 파라미터를 기초로 업데이트될 수 있다.That is, the auxiliary state variable may be updated based on the difference between the control input provided to the control input limiter and the output of the control input limiter and the auxiliary state gain parameter.

보조 상태 변수 계산부(114)에서 업데이트된 현재 상태의 보조 상태 변수(

)는 제어기(110)의 절환 함수 계산부(111)에 제공된다.The auxiliary state variable of the current state updated by the auxiliary state variable calculator 114 (

) Is provided to the switching function calculator 111 of the controller 110.

다음으로, 보조 상태 변수에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하고 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산한다(S120).Next, a switching function output is calculated based on the auxiliary state variable, and a disturbance estimation value is calculated based on the switching function output (S120).

절환 함수 계산부(111)는 현재 상태의 보조 상태 변수(

)를 고려하여 현재 상태의 절환 함수 출력(

)을 계산할 수 있다. 절환 함수 계산부(111)는 외부로부터 입력된 현재 상태의 레퍼런스 명령(

), 피드백된 부하부의 상태 변수(

), 보조 상태 변수(

)로 구성된 절환 함수 출력(

)을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력(

)은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.The switching function calculator 111 is a secondary state variable of the current state (

Considering ), the output of the switching function of the current state (

). The switching function calculator 111 is a reference command of the current state input from the outside (

), the state variable of the feedback load part (

), secondary state variable (

Output of the switching function consisting of)

). Switching function output (

) Is defined as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

(여기서,

는 오차 함수로,

로 정의되고,

는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,

Is the error function,

Is defined as,

Is a gain matrix related to the switching function.)

즉, 상기 절환 함수 출력은 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 제어 대상으로부터 출력된 상태 변수의 오차 및 상기 보조 상태 변수를 기초로 정의된다.That is, the switching function output is defined based on the error of the reference variable input from the outside, the state variable output from the control object, and the auxiliary state variable.

외란 보상부(113)는 외란 추정 이득(

)과 절환 함수(

)에 기초하여 외란 추정 값(

)을 산출한다. 외란 보상부(113)의 출력은 외란 추정 값일 수 있다. 수학식 1의 상태 공간 방정식에서, 절환 함수 출력(

)을 0으로 만들기 위한, 외란 보상부(113)가 추정한 외란 추정 값(

)과, 제어 입력 계산부(112)의 제어 입력(

)가 정의된다. 외란 추정 값(

) And switching function (

Disturbance estimate based on)

). The output of the disturbance compensation unit 113 may be an estimated disturbance value. In the state-space equation of Equation 1, the switching function output (

) And the control input of the control input calculator 112 (

) Is defined. Disturbance estimate (

) Is defined as in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

(여기서,

는 오차 함수(

는 포화 함수(

)의 이득이며,

는 외란 추정 이득,

는 외란 추정 값이다.)(here,

Is the error function (

Is the saturation function (

)

Is the disturbance estimation gain,

Is the disturbance estimate.)

마지막으로, 상기 절환 함수 출력 및 상기 외란 추정값에 기초하여 상기 제어 입력을 계산한다(S130). Finally, the control input is calculated based on the switching function output and the disturbance estimate (S130).

제어 입력 계산부(112)는 절환 함수 계산부의 출력(

) 및 상기 외란 추정 값(

)에 기초하여 현재 상태의 제어 입력(

)을 계산한다. 제어 입력(

)은 하기 수학식 5와 같이 정의된다.The control input calculator 112 outputs the switching function calculator (

) And the disturbance estimated value (

Control input of the current state based on)

). Control input(

) Is defined as in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

즉, 현재 상태의 제어 입력은 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값, 외부로부터 입력되는 레퍼런스, 상기 제어 대상으로부터 출력된 상태 변수 및 상기 보조 상태 변수를 기초로 정의된다.That is, the control input of the current state is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, a state variable output from the control object, and the auxiliary state variable.

제어 입력 계산부(112)는 수학식 5를 제어 입력으로 가지는 가변 구조 제어기가 슬라이딩 표면(sliding surface)에서 절환 함수를 0으로 만들도록 제어 입력을 생성할 수 있다.The control input calculator 112 may generate a control input such that the variable structure controller having Equation 5 as the control input makes the switching function 0 on a sliding surface.

이상에서 설명한 실시예들에 따른 제어기의 제어 방법에 의한 동작은, 적어도 부분적으로 컴퓨터 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 실시예들에 따른 제어기의 제어 방법에 의한 동작을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다.The operation by the control method of the controller according to the above-described embodiments may be at least partially implemented in a computer program and recorded in a computer-readable recording medium. A program for implementing an operation by a control method of a controller according to embodiments is recorded and a computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer are stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disks, and optical data storage devices. In addition, the computer readable recording medium may be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed manner. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing the present embodiment will be readily understood by those skilled in the art to which this embodiment belongs.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to embodiments, the present invention should not be construed as being limited by these embodiments or the drawings, and those skilled in the art will appreciate the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope.

10: 제어 시스템
110: 제어기
111: 절환 함수 계산부
112: 제어 입력 계산부
113: 외란 보상부
114: 보조 상태 변수 계산부
120: 부하부
121: 전류 제어기
122: 제어 대상
123: 인코더
130: 제어 입력 제한부10: Control system
110: controller
111: switching function calculator
112: control input calculation unit
113: disturbance compensation department
114: auxiliary state variable calculation unit
120: load unit
121: current controller
122: control target
123: encoder
130: control input limiter

Claims

A controller for controlling a control target through a control input limiting unit,
An auxiliary state variable calculator which calculates a difference between a control input provided from the controller to the control input limiter and an output of the control input limiter, and updates an auxiliary state variable based on the difference;
A switching function calculator for calculating a switching function output based on the auxiliary state variable;
A disturbance compensation unit to calculate a disturbance estimate based on the switching function output; And
And a control input calculator configured to calculate a control input based on the switching function output and the disturbance estimation value.

According to claim 1,
And the auxiliary state variable is updated based on a difference between the control input provided to the control input limiter and the output of the control input limiter and an auxiliary state gain parameter.

According to claim 1,
The switching function output is defined on the basis of the error of the reference variable input from the outside, the state variable output from the control target, and the auxiliary state variable.

According to claim 1,
And the disturbance estimation value is defined based on the switching function output and the disturbance estimation gain.

According to claim 1,
The control input is a controller characterized in that it is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, a state variable output from the control target, and the auxiliary state variable.

As a control method of a controller that controls a control target through a control input limiting unit,
Calculating a difference between a control input provided from the controller to the control input limiter and an output of the control input limiter;
Updating an auxiliary state variable based on the difference between the control input and the output of the control input limiter;
Calculating a switching function output based on the auxiliary state variable, and calculating a disturbance estimate based on the switching function output; And
And calculating a control input based on the switching function output and the disturbance estimation value.

The method of claim 6,
And the auxiliary state variable is updated based on a difference between the control input provided to the control input limiter and the output of the control input limiter and an auxiliary state gain parameter.

The method of claim 6,
The switching function output is defined on the basis of the error of the reference variable input from the outside, the state variable output from the control target, and the auxiliary state variable.

The method of claim 6,
The disturbance estimation value is defined based on the switching function output and the disturbance estimation gain.

The method of claim 6,
The control input is a control method of the controller, characterized in that defined on the basis of the switching function output, the disturbance estimation value, an external input reference, the state variable output from the control object and the auxiliary state variable.

A computer program stored in a medium to execute a control method of a controller according to any one of claims 6 to 10 in combination with hardware.