KR19990018503A - Single Rod Hydraulic Cylinder Control Unit of Virtual Reality Motion Reproducer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가상 현실 운동 재현기에 있어서, 이산 주파수역에서 외란을 고려한 성능 지수를 최소화하는 편로드 유압 실린더 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a single-rod hydraulic cylinder control device for minimizing the performance index considering disturbance in the discrete frequency range in the virtual reality motion reproducer.
본 발명은 주파수역에서 외란을 고려하는 성능 지수를 최소화하는 H∞제어기를 이용하여 외부 외란과 모델링 오차에 강인한 편로드 유압 실린더 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a single-rod hydraulic cylinder control device that is robust to external disturbance and modeling error by using the H ∞ controller that minimizes the figure of merit considering the disturbance in the frequency domain.
Description
본 발명은 가상 현실 운동 재현기에 있어서, 외란이 존재하는 주파수역에서 성능 지수를 최소화하여 편로드 유압 실린더를 제어하기 위한 편로드 유압 실린더 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a single-rod hydraulic cylinder control device for controlling a single-rod hydraulic cylinder by minimizing the figure of merit in the frequency range in which disturbance exists in the virtual reality motion reproducer.
종래의 가상 현실 운동 재현기의 편로드 유압 실런더 제어 장치는 도 1에 도시한 바와 갈이 기준 신호(r(t))를 일입력으로 하는 가산기(100), 상기 가산기(100)의 출력을 입력으로 PID(Proportion Differential Integral) 제어를 통해 보상하는 보상기(110) 및 상기 보상기(110)의 출력에 따라 동작하고 그 출력(y(t))을 상기 가산기(100)의 타입력으로 피드백하는 플랜트(Plant)(120)로 구성된다.The single-rod hydraulic cylinder control apparatus of the conventional virtual reality motion reproducer includes an adder 100 and a output of the adder 100 having a grinding reference signal r (t) as one input as shown in FIG. 1. A plant that operates according to the compensator 110 that compensates through PID (Proportion Differential Integral) control as an input and the output of the compensator 110 and feeds the output y (t) to the type force of the adder 100. It consists of (Plant) (120).
이와 같이 구성되는 종래의 가상현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 장치의 동작을 설명한다.The operation of the single rod hydraulic cylinder control device of the conventional virtual reality motion reproducer configured as described above will be described.
기준 신호(r(t))는 가산기(100)에서 이전에 플랜트(120)로 부터 출력되어 피드백된 출력 신호(y(t))가 감산된후 보상기(110)에서 PID 제어를 통해 보상된다. 즉, 아래 수학식 1에 나타낸 바와 같이 상기 가산기(100)의 출력(e)은 보상기(110)에서 PD 제어를 통해 제어력(U)으로 출력된다.The reference signal r (t) is compensated through the PID control in the compensator 110 after the output signal y (t) fed out from the plant 120 and fed back from the plant 120 is subtracted. That is, as shown in Equation 1 below, the output e of the adder 100 is output as the control force U through the PD control in the compensator 110.
여기서, 상기 KP는 비례 게인이고, KD는 미분 게인이고, KI는 적분 게인이다.Here, K P is proportional gain, K D is differential gain, and K I is integral gain.
따라서 기준값(r(t))으로 부터 출력값(y(t))이 가산된 오차값(e)은 보상기(110)에서 PID에 의해 보상되어 제어력(U)으로 출력된다. 상기 보상기(110)로 부터 출력되는 제어력(U)은 상기 플랜트(120)를 작동시키게 되고 상기 플랜트(120)로 부터 출력되는 출력값(y(t))은 상기 가산기(100)의 감산 단자(-)로 입력되어 다음에 입력되는 기준 신호(r(t))로 부터 감산된다.Therefore, the error value e obtained by adding the output value y (t) from the reference value r (t) is compensated by the PID in the compensator 110 and output as the control force U. The control force U output from the compensator 110 operates the plant 120 and the output value y (t) output from the plant 120 is a subtraction terminal (−) of the adder 100. And subtracted from the reference signal r (t) input next.
따라서 종래의 가상현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 장치는 기준 입력에 대한 플랜트(120)의 출력값(y(t))에 의해 의존하여 제어하기 때문에 제어성능에 한계가 있다.Therefore, since the conventional single-rod hydraulic cylinder control device of the virtual reality motion reproducer is controlled depending on the output value y (t) of the plant 120 with respect to the reference input, the control performance is limited.
즉, 종래의 가상현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 장치는 외부 외란과 센서 잡음을 체계적으로 고려할 수 없는 문제점이 있었다.That is, the conventional single-rod hydraulic cylinder control device of the virtual reality motion reproducer has a problem that can not consider the external disturbance and sensor noise systematically.
상기 문제점을 개선하기 위한 본 발명은 가상 현실 운동 재현기에 있어서, 외부 외란과 모델링 오차에 강인하고 성능을 향상시키기 위한 편도로 유압 실린더 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.An object of the present invention for improving the above problems is to provide a hydraulic cylinder control device in one way for improving the performance and robust to external disturbance and modeling error in the virtual reality motion reproducer.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 가상 현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 장치는 가상 현실 운동 재현기의 실린더를 임의대로 움직이기 위해 설정된 기준 신호를 입력시키기 위한 기준 입력 수단, 상기 기준 입력 수단으로 부터 출력되는 기준 신호로 부터 실린더의 위치 추정 신호를 감산하여 오차 신호를 출력하는 감산 수단 및 상기 감산 수단으로 부터 출력되는 오차 신호를 입력으로 외란이 존재하는 주파스역에서 성능 지수를 최소화하여 외브 외란과 모델링 오차에 강인한 제어력을 발생하는 보상 수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the single-rod hydraulic cylinder control device of the virtual reality motion reproducer according to the present invention is provided with reference input means for inputting a reference signal set for arbitrarily moving a cylinder of the virtual reality motion reproducer, the reference input. Subtracting means for subtracting the position estimation signal of the cylinder from the reference signal output from the means for outputting an error signal and minimizing the figure of merit in the frequency range where disturbance exists by inputting the error signal output from the subtraction means It is characterized in that it comprises a compensation means for generating a robust control force to the disturbance disturbance and modeling error.
도 1은 종래의 편로드 유압 실린더 제어 장치의 구성도1 is a configuration diagram of a conventional single-rod hydraulic cylinder control device
도 2는 본 발명에 의한 편로드 유압 실린더 제어 장치의 구성도2 is a configuration diagram of a single-rod hydraulic cylinder control device according to the present invention
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 감산기 110 : 보상기100: subtractor 110: compensator
120 : 플랜트 200 : 플랜트120: plant 200: plant
201 : 유압 장치 202 : 서보 밸브201: hydraulic device 202: servo valve
203 : 실린더 구동 및 감지부 204 : 증폭부203: cylinder driving and detecting unit 204: amplifying unit
205 : 입출력 장치 210 : 보상기205: input and output device 210: compensator
220 : 기준 입력부 230 : 감산기220: reference input unit 230: subtractor
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예릍 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 의한 가상 현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 장치는 도 2 에 도시한 바와 같이 기준 입력부(220), 보상기(210) 및 감산기(230)로 구성된다.The single rod hydraulic cylinder control device of the virtual reality motion reproducer according to the present invention includes a reference input unit 220, a compensator 210, and a subtractor 230 as shown in FIG. 2.
상기 기준 입력부(220)는 가상 현실 운동 재현기의 실린더를 임의대로 움직이기 위해 설정된 기준 신호(r(t))를 입력시키기 위한 것이다.The reference input unit 220 is for inputting a reference signal r (t) set to arbitrarily move the cylinder of the virtual reality motion reproducer.
상기 감산기(230)는 상기 기준 입력부(220)로 부터 출력되는 기준 신호(r(t))로 부터 실린더의 위치 추정 신호(y(t))를 감산하여 오차 신호(e(t))를 출력한다.The subtractor 230 subtracts the cylinder position estimation signal y (t) from the reference signal r (t) output from the reference input unit 220 and outputs an error signal e (t). do.
상기 보상기(210)는 상기 감산기(230)로 부터 출력되는 오차 신호(e(t))를 입력으로 외란이 존재하는 주파수역에서 성능 지수를 최소화하여 외부 외란과 모델링 오차에 강인한 제어력(u(t))을 발생하는 것으로, 상기 감산기(230)로 부터 출력되는 오차 신호(e(t))를 입력으로 상기 기준 신호(r(t))와 외부 외란에 주파수 전달함수 가중치를 주어 외부 외란이 존재하는 주파수역에서 성능 지수를 최소화한다.The compensator 210 receives the error signal e (t) output from the subtractor 230 and minimizes the figure of merit in the frequency region where the disturbance exists, thereby controlling the control force (u (t) that is robust to external disturbance and modeling error. )), And the external disturbance exists by giving a frequency transfer function weight to the reference signal r (t) and the external disturbance by inputting the error signal e (t) output from the subtractor 230. Minimize the figure of merit in the frequency range.
한편, 플랜트(200)는 상기 보상기(210)로 부터 발생된 제어력(u(t))에 따라 작동하는 것으로, 유압 장치에서 유압을 공급하거나 귀환시키기 위해 서브 밸브 위치에 따라 실린더를 수축 및 팽창하는 유압부(201), 서브 밸브틀 개폐하여 유입된 유압을 실린더로 보내거나 상기 유압부(201)로 보내는 서보 밸브(Servo-Valve)(202), 상기 서보 밸브(202)를 통해 보내진 유압에 따라 작동하고 외부 외란(ξ)을 받는 유압 실린더의 작동에 따라 그 변위를 측정하여 변위 측정 신호를 출력하는 실린더 구동 및 감지부(203), 상기 실린더 규모 및 감지부(203)로 부터 출력되는 변위 측정신호를 증폭시키고 상기 서보 밸브(202)를 개폐하기 위한 신호를 출력하는 증폭부(204) 및 상기 증폭부(204)로 부터 출력되는 증폭된 위치 추정 신호(y(t))를 상기 감산기(230)로 출력하고 상기 보상기(210)로 부터 출력되는 제어력(u(t)), 즉 실린더 작동 신호를 상기 증폭부(204)로 출력하는 입출력부(205)로 구성된다.On the other hand, the plant 200 operates according to the control force u (t) generated from the compensator 210, and contracts and expands the cylinder according to the sub-valve position to supply or return hydraulic pressure from the hydraulic device. According to the hydraulic pressure sent through the servo valve (Servo-Valve) 202, the servo valve 202 to send the hydraulic pressure introduced by opening and closing the hydraulic unit 201, the sub-valve frame to the cylinder or the hydraulic unit 201 The displacement measurement output from the cylinder drive and detection unit 203 and the cylinder scale and detection unit 203 for measuring the displacement and outputting the displacement measurement signal according to the operation of the hydraulic cylinder subjected to external disturbance ξ. An amplifying unit 204 for amplifying the signal and outputting a signal for opening and closing the servo valve 202 and an amplified position estimation signal y (t) output from the amplifying unit 204. ) To the compensator 210 The control force u (t) output from the, that is, the input and output unit 205 for outputting the cylinder operation signal to the amplifier 204.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 가상 현실 운동 재현기의 편로드 유압실린더 제어 장치의 동작을 설명한다.The operation of the single rod hydraulic cylinder control device of the virtual reality motion reproducer according to the present invention configured as described above will be described.
가상 현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 알고리즘의 성능 지수는 다음 수학식 2에 나타낸 바와 같다.The performance index of the single-rod hydraulic cylinder control algorithm of the virtual reality motion reproducer is shown in Equation 2 below.
여기서, X(Z-1)은 다음 수학식 3과 같다.Here, X (Z −1 ) is as shown in Equation 3 below.
여기서, '*'는 애드조인트(adjoint)이고, Qc, Gc, Rc는 시스템의 주파수 특성이 따르는 가중치 함수이고, Φee, Φue, Φuu는 각각 제어력에 대한 스펙트럼, 기준 입력(r(t))과 출력(y(t)) 사이의 오차(e)에 대한 스펙트럼 및 제어력과 오차의 곱에 대한 스펙트럼을 나타낸다. 이때, ∑(Z-1)과 ∑(Z-1)*는 다음 수학식 4에 나타낸 바와 같은 조건을 만족한다.Where '*' is an adjoint, Q c , G c , and R c are weight functions that follow the frequency characteristics of the system, and Φ ee , Φ ue , and Φ uu are the spectral and reference inputs ( the spectrum of the error e between r (t)) and the output y (t) and the spectrum of the product of the control power and the error. At this time, ∑ (Z -1 ) and ∑ (Z -1 ) * satisfy the conditions as shown in Equation 4 below.
외란이 존재하는 주파수 대역의 성능 지수(JD)를 최소화시키는 보상기인 제어 기(220)는 CH∞에 의해 외란이 존재하는 주파수 대역의 성능 지수(JD)를 최소화에 내장된 함수는 다음 수학식 5와 같다.Compensation due controller 220 is built-in functions to minimize the performance index (J D) of a frequency band to the disturbance by the C H∞ exist to minimize the disturbance is present performance index (J D) of a frequency band which is then Equation 5
이와 같이 H∞제어기로 이루어진 보상기(210)는 외부 외란과 모델링 오차에 강인한 제어력(u(t))를 출력하게 되고 출력된 제어력은 가상 현실 재현기를 구동시킨다.As such, the compensator 210 composed of the H ∞ controller outputs a control force u (t) that is robust to external disturbances and modeling errors, and the output control power drives the virtual reality reproducer.
이와 같이 이루어진 보상기(210)를 이용하는 편로드 유압 실린더의 동작을 도 2를 참조하여 설명한다.The operation of the single-rod hydraulic cylinder using the compensator 210 thus constructed will be described with reference to FIG. 2.
상기 기준 입력부(220)에서는 가상 현실 운동 재현기의 실린더를 임의의 위치로 움직이기 위해 설정된 기준 신호(r(t))를 발생하여 상기 감산기(230)의 (+)입력단으로 입력시키고, 상기 감산기(230)에서는 상기 기준 입력부(220)로 부터 출력되는 기준 신호(r(t))로 부터 상기 플랜트(200)의 입출력부(205)로 부터 출력되는 현재의 실린더의 위치 추정 신호(y(t))를 감산하여 오차 신호(e(t))를 출력한다.The reference input unit 220 generates a reference signal r (t) which is set to move the cylinder of the virtual reality motion reproducer to an arbitrary position and inputs it to the (+) input terminal of the subtractor 230, and the subtractor In operation 230, the position estimation signal y (t) of the current cylinder output from the input / output unit 205 of the plant 200 from the reference signal r (t) output from the reference input unit 220. ) And subtracts the error signal e (t).
상기 감산부(230)로 부터 출력되는 오차 신호(e(t))는 상기 보상기(210)에 입력되어 외부 외란과 모델링 오차에 강인한 제어력(u(t))롤 출력하도록 한다.The error signal e (t) output from the subtractor 230 is input to the compensator 210 to output a control force u (t) that is robust to external disturbance and modeling error.
즉 상기 보상기(210)에서는 상기 감산부(230)로 부터 출력되는 오차 신호(e(t))를 입력으로 외란이 존재하는 주파수역에서 성능 지수를 최소화하여 성능을 향상시키도록 위의 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5에 따라 H∞제어하여 제어력(u(t))을 출력한다.That is, the compensator 210 inputs the error signal e (t) output from the subtractor 230 to minimize the figure of merit in the frequency range where the disturbance is present and to improve performance. In accordance with Equation 3, Equation 4 and Equation 5, H ∞ is controlled to output the control force u (t).
상기 보상기(210)에서 출력된 제어력(u(t)), 즉 실린더 작동 신호는 상기 입출력부(205)를 통해 상기 증폭부(204)로 입력되어 증폭된 후 상기 서보 밸브(202)를 작동시킨다. 즉, 상기 서보 밸브(202)는 상기 증폭부(204)로 부터 출력되는 증폭된 실린더 작동 신호에 따라 개폐된다.The control force u (t) output from the compensator 210, that is, the cylinder operation signal is input to the amplifying unit 204 through the input / output unit 205 and amplified to operate the servovalve 202. . That is, the servo valve 202 is opened and closed in accordance with the amplified cylinder operation signal output from the amplifier 204.
상기 서보 밸브(202)의 개폐에 의해 유입된 유압은 상기 유압부(201)에 입력되어 실린더를 수축 및 팽창시킨다. 다시말해서 상기 서보 밸브(202)의 개폐에 의한 서보 밸브의 위치에 따라 유압 장치로 유압을 공급하거나 귀환시켜 실린더를 수축 및 팽창시킨다.The hydraulic pressure introduced by opening and closing the servo valve 202 is input to the hydraulic unit 201 to contract and expand the cylinder. In other words, the cylinder is contracted and expanded by supplying or returning hydraulic pressure to the hydraulic device according to the position of the servovalve by opening and closing the servovalve 202.
한편, 상기 실린더 구동 및 감지부(203)에서는 상기 유압 실린더의 작동에 따라 해당하는 시점의 범위를 측정해서 변위 측정 신호로 상기 증폭부(204)로 출력한다. 상기 유압 실린더는 서보 밸브를 통해 보내진 유압에 따라 작동할 뿐 아니라 외부 외란(ξ)을 받기 때문에 상기 실린더 구동 및 감지부(203)내의 유압 실린더 센서가 상기 유압 실린더의 작동에 따라 변화되는 변위를 측정하여 상기 증폭부(204)로 변위 측정 신호를 출력하게 된다.On the other hand, the cylinder drive and detection unit 203 measures the range of the corresponding time point in accordance with the operation of the hydraulic cylinder and outputs to the amplifier 204 as a displacement measurement signal. Since the hydraulic cylinder not only operates according to the hydraulic pressure sent through the servo valve but also receives external disturbance ξ, the hydraulic cylinder sensor in the cylinder driving and detecting unit 203 measures the displacement that changes according to the operation of the hydraulic cylinder. To output a displacement measurement signal to the amplifier 204.
상기 실린더 구동 및 감지부(203)로 부터 출력되는 변위 측정 신호는 상기 증폭부(204)에서 증폭된후 입출력부(205)를 통해 위치 추정 신호(y(t))로 상기 감산기(230)의 (-)단자로 입력된다. 이때 상기 감산기(230)로 입력되는 위치 추정 신호(y(t))는 다음 시점의 보상을 위해 감산기(230)에서 감산된후 상기 보상기(210)의 제어력(u(t))를 출력하는데 이용된다.The displacement measuring signal output from the cylinder driving and sensing unit 203 is amplified by the amplifying unit 204 and then the position estimate signal y (t) through the input / output unit 205 of the subtractor 230. It is input with (-) terminal. In this case, the position estimation signal y (t) input to the subtractor 230 is subtracted from the subtractor 230 to compensate for the next time point and then used to output the control force u (t) of the compensator 210. do.
즉, 상기 플랜트(200)의 입출력부(205)로 부터 출력되는 위치 추정 신호(y(t))는 상기 감산기(230)에서 기준 신호(r(t))로 부터 감산되어 상기 보상기(210)로 피드백되는 오차 신호(e(t))를 발생시킨다.That is, the position estimation signal y (t) output from the input / output unit 205 of the plant 200 is subtracted from the reference signal r (t) by the subtractor 230 and the compensator 210. Generates an error signal e (t) which is fed back.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 가상 현실 운동 재현기의 편로드 유압 실린더 제어 장치는 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the single-rod hydraulic cylinder control device of the virtual reality motion reproducer according to the present invention has the following effects.
첫째, 외란이 존재하는 주파수 대역에서 성능 지수를 최소화하므로 모델링 오차와 외란에 대해 강하다.First, since the performance index is minimized in the frequency band where disturbance exists, it is strong against modeling error and disturbance.
둘째, 실험적 방법으로 구할 수 있기 때문에 물리적 법칙을 이용하는 종래의 방법에 비해 모델링 오차가 작아 정확한 제어기 설계가 가능하다.Secondly, since it can be obtained by an experimental method, the modeling error is small compared to the conventional method using the physical law, which enables accurate controller design.
Claims (2)
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| KR19990018503A true KR19990018503A (en) | 1999-03-15 |
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