KR20010104008A - 속도, 위치 등의 신호 제어에 있어서 외란에 강인한 제어기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치나 속도 제어 등의 제어 시스템에서 외부 외란에 강인한 초정밀 제어를 위한 방법에 관한 것으로, 외부 외란의 영향을 신경망의 일종인 오차 역전파 알고리즘을 사용하여 보상하도록 하였다. 구동 상태의 온-라인 위상에서 학습되는 이 신경망은 전향 신호와 역 전파법에 의해 구성된다. 발명한 신경망에서 총 노드의 수가 8개이기 때문에 간단하고, 수학적인 접근이 적게 구현이 가능하여 실제 산업현장 인원이 쉽게 쓸 수 있는 제어기이다. 이 시스템의 강인성은 전체 시스템 응답에 영향을 주지 않고, 신경망에서 시간 지연 없이 빠른 응답으로 보상을 하고 있다. 또, 기존 여러 제어기에 간단히 프로그램만 추가하여 구성 가능하다.

Description

속도, 위치 등의 신호 제어에 있어서 외란에 강인한 제어기{Robust controller for position, speed and other signal}

본 발명은 제어 시스템에서 외부 외란에 강인한 정밀 위치 제어의 방법으로,

일반적으로 제어 방식에서 구현이 간단한 PI 제어기가 많이 사용되고있으나, 위 시스템은 추적 제어기에서 고성능을 얻기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 출력 오차를 사용한 상태 변수를 추가 궤환함으로써 추적 제어기를 구현함이 잘 알려져 있다. 또한 강인 제어를 하기 위해서는 외부 외란의 영향을 전체 시스템에 영향이 없이 빨리 제거해 주는 것이 필요한데, 위 시스템은 적분항에 의해서 약간의 시간 지연을 피할 수가 없다. 강인 제어의 방법으로 자기 동조 제어 방식이 제시되었으나, 이 또한 충분히 빠른 적응을 나타내지는 못 하고 있다. 최근 패턴 인식이나 시스템 인식, 음성 인식 등의 분야에 인공 신경망이 많이 사용되고 있고, 특히 오차 역전파 알고리즘은 다층 네트워크 중에서 구현이 쉬운 것으로 알려져 있다. 이런 신경망 회로를 외부 외란을 보상하는데 이용하면 시간 지연이 없이 빠른 보상을 얻을 수 있다.

위치, 속도 등 신호 제어에 있어서 외란의 영향을 피할 수 없다. 초정밀 제어에서는 조그만 외적인 힘이나 저항 등의 변화는 제어기에 큰 영향을 미친다. 이러한 문제를 해결하고자 적응형 제어 등 여러 방안이 연구되었으나, 기존 제어기는 매우 복잡하고 구현이 어려웠다. 따라서 매우 간단하고 자동 적응이 되는 제어기를 개발하였다. 특히 부하 변화에 강인한 제어를 위해서 신경망의 한 종류인 역전파 방법을 사용하여 정궤환 보상하도록 하였다. 본 신경망 보상기는 외부의 영향을 온-라인으로 학습하여 외부 외란에 맞는 등가의 전류를 계산하여 정궤환하여 보상하도록 하였다. 역전파 알고리즘에서 각 층의 출력을 결정하는 활성함수는 제어 함수가 음과 양의 값을 가지므로 양극성 활성함수를 사용하였고, 디지털 제어기에서양극성 활성함수의 표현의 어려움은 지수 함수의 계산에 있는데, 다음과 같은 멱급수를 이용하여 구현하였다.

역전파 알고리즘에 의한 학습은 한 샘플링 주기 동안에 3번의 학습을 통해 외부 외란의 영향을 보상하도록 하였다. 3번에 학습은 가장 좋은 응답을 나타내면서도 빠른 학습을 하는 루틴이었다.

도 1은 발명한 신경망의 구성도.

도 2는 신경망을 사용한 시스템의 구성도로 외부 외란의 영향을 신경망 보상회로에서 등가 전류로 계산하여 정궤환해 줌.

도 3은 본 발명을 실제 구현하기 위해서 사용한 시스템의 구성.

도 4는 실제 시스템을 구성하여 실험한 결과로 일반적인 상태 궤환을 사용한 시스템의 실험 결과.

도 5는 발명한 시스템을 사용한 실험 결과.

도 6은 두 시스템의 성능 비교를 위해서 확대해 나타낸 그림으로 일반적인 상태 궤환에서 확대한 결과.

도 7은 발명한 시스템에서 확대한 실험 결과.

도 1은 발명한 신경망의 구성도를 나타내고 입력으로는 위치 y, 위치 목표 y_r, 속도 ω_r, 위치와 위치 목표의 차 y-y_r를 신경망의 입력으로 역전파 알고리즘에 의해 학습하도록 하였다. 그림에서 i는 입력층이고, j는 은닉층, k는 출력층을 나타내고 있다. W_ji와 W_kj는 각 층사이의 연결강도를 나타낸다.

도 2는 신경망을 사용한 시스템의 구성도로 역전파 알고리즘에서 학습해 나온 출력 u₂과 원하는 출력 u₁의 차를 계산하여 오차를 줄이는 방향으로 출력층에서 은닉층으로 역전파하여 학습한다.

도 3은 본 발명을 실제 구현하기 위해서 사용한 시스템의 구성로서 위치 제어를 실현하였는데, 전동기는 영구자석 동기 전동기를 사용하고, 주 컴퓨터는 586급으로 DSP 보드를 이용하여 제어하였다.

도 4는 실제 시스템을 구성하여 실험한 결과로 일반적인 추가된 상태 궤환 시스템을 사용한 실험 결과이고,

도 5는 발명한 시스템을 사용한 실험 결과이다.

도 6과 도 7은 두 시스템의 성능 비교를 더 확대해서 나타낸 그림이다. 실험에서는 관성 부하를 주고 관성에 의한 영향을 신경망에 의해서 보상하도록 하였는데, 도 4에서와 같이 관성 부하의 영향이 도 5에서 신경망 보상에 의해 없어지는 것을 알 수 있다. 도 6과 도 7의 성능 비교를 보면 추가된 상태 궤환을 사용한 시스템의 경우인 도 6은 오차가 0.136 rad 정도로 발생하고 있으나, 도 7의 신경망 보상에서는 오차가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다.

본 발명은 정밀 강인한 제어가 가능하여 X-Y Table을 사용하는 자동화 기기 및 로봇의 위치 제어에 사용하면 생산성이 높아질 것으로 사료된다. 또 국내에서 생산하는 자동화 기기의 신뢰성 향상 및 기계의 성능에도 높은 기여를 할 것이다. 또 이 제어기는 소형 액츄에이터, 무기 시스템, 컴퓨터의 하드 디스크, 시디롬 드라이버 류에도 많이 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. 상태 변수를 추가한 상태 변수 궤환 제어기 등의 기존 제어기에 병행하여 신경망 제어기를 구성하고, 온-라인 학습을 하면서 정궤환 보상하는 구조.
2. 실제 구현에 있어서 학습 루틴을 한 샘플링에 여러 번 수행을 하고, 활성함수를 간략한 근사함수로 구현하는 방법.