KR20160022171A - 슬라이딩 모드 제어장치 - Google Patents

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박성훈
강동중
임채석
이영석
사자드 람델
강범석
김태훈
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부산대학교 산학협력단
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D13/00—Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover
    • G05D13/34—Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover with auxiliary non-electric power
    • G05D13/60—Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover with auxiliary non-electric power using regulating devices with proportional band, derivative and integral action, i.e. PID regulating devices

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Abstract

본 발명은 퍼지-피아이디 게인 튜너가 결합되어 제어의 정확성과 속도를 보장할 수 있는 새로운 슬라이딩 모드 제어장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슬라이딩 모드 제어장치는, 입력값에 대하여 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 적용하여 출력하는 슬라이딩 모드 제어부와, 퍼지-피아이디 제어 알고리즘을 이용하여 상기 입력값에 대한 비례계수값, 미분값 및 적분값의 미세조정을 위한 게인을 조정하는 퍼지-피아이디 게인 튜너부와, 상기 슬라이딩 모드 제어부 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부의 출력값을 합산하는 제1합산부를 포함한다.

Description

슬라이딩 모드 제어장치{SLIDING MODE CONTROLLING APPARATUS}
본 발명은 슬라이딩 모드 제어장치에 관한 것으로서, 특히 퍼지-피아이디 게인 튜너가 결합되어 제어의 정확성과 속도를 보장할 수 있는 새로운 슬라이딩 모드 제어장치에 관한 것이다.
제품을 조립 및 검사하는 대부분의 산업용 로봇 팔은 고차원의 비선형성과 복잡성을 가지고 있다. 로봇 팔의 제어를 위한 시스템으로서 예컨대, 제어되는 대상물의 변위량 및 변위 속도를 포함하는 상태량이 목표 상태량에 추종하도록 비례적, 집합적, 편차적(Propotional, Integral, Derivative: PID) 제어를 통해 피드백되는 피아이디(PID) 제어기가 사용된다.
하지만, PID 제어기는 외란 및 제어 대상물의 특성 변화가 있을 경우 그 제어의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 이에 기존의 피아이디(PID) 제어기는 비선형성 및 복잡성에 대한 보상을 정확하게 하지 못해 로봇 움직임에 있어 부정확성을 유발한다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 퍼지 논리 제어기(Fuzzy Logic Controller; FLC), 슬라이딩 모드 제어기(Sliding Mode Controller) 등이 제시되었다. 퍼지 논리 제어기는 기존의 PID 제어기가 가지고 있는 고차원의 비선형성 동적 시스템에서의 수학적 모델 설계가 약한 단점을 보완하며, 인간의 언어적 표현, 지식 및 경험을 규칙베이스(rule base)로 만들어, 이 규칙베이스를 바탕으로 IF-THEN 규칙을 이용하여 제어 입력을 결정하는 제어방식이다. 또한, 슬라이딩 모드 제어기는 제어 대상물의 상태량을 설계된 선형 함수에 의해 나타나는 스위칭 초평면에 수렴하도록 하여 제어 대상물의 특성 교란 및 변화에 충분한 신뢰성을 보장한다.
하지만, 상기와 같은 종래의 제어기는 로봇 팔의 다양한 상태변화 및 고차원의 비선형성에 따른 제어의 정확성 및 제어속도 향상에 한계가 있었다.
등록특허 제10-0493769호
이에, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 퍼지-피아이디 게인 튜너를 결합함으로써 로봇 제어의 정확성을 높이고 제어 속도를 향상시킬 수 있는 새로운 슬라이딩 모드 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 슬라이딩 모드 제어장치는,
입력값에 대하여 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 적용하여 출력하는 슬라이딩 모드 제어부; 퍼지-피아이디 제어 알고리즘을 이용하여 상기 입력값에 대한 비례계수값, 미분값 및 적분값의 미세조정을 위한 게인을 조정하는 퍼지-피아이디 게인 튜너부; 상기 슬라이딩 모드 제어부 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부의 출력값을 합산하는 제1합산부를 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 퍼지-피아이디 게인 튜너부는 비례계수 퍼지 제어기, 미분 퍼지 제어기 및 적분 퍼지제어기를 포함한다.
또한, 본 발명에서, 기설정된 표현, 지식, 경험에 대한 규칙을 저장하는 규칙베이스부; 상기 적분 퍼지제어기는 다수의 입력값을 퍼지화시키는 퍼지화부; 상기 퍼지화된 다수의 데이터에 상기 규칙베이스에 저장된 규칙을 적용하여 상기 데이터의 특성을 추론하는 추론엔진부; 및 상기 추론된 데이터의 특성으로부터 비퍼지화하여 상기 입력값을 추출하는 비퍼지화부를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1합산부의 출력값을 이용하여 로봇을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어출력값을 피드백 받아 상기 입력값과 합산하여 상기 슬라이딩 모드 제어부 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부로 전송하는 제2합산부; 더 포함한다.
본 발명에 따르면 종래의 슬라이딩 모드 제어기에서 발생하는 채터링 현상을 퍼지-피아이디 게인 튜너가 현저하게 줄여주므로 제어 정확도 측면에서 기존의 슬라이딩 모드 제어기에 비해 우수하다.
또한, 종래의 슬라이딩 모드 제어기에서 작동을 위해서는 구축하기가 어려움 동적 시스템이 마련되어야 하는데, 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 제어장치에서는 퍼지-피아이디 제어기를 이용하므로 이러한 동적 시스템을 구축할 필요가 없다.
또한, 본 발명에 따르면 종래의 퍼지-피아이디 제어기와 비교하여 제어 응답속도가 빠르므로 제어 속도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬라이딩 모드 제어장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 퍼지-피아이디 게인 튜너의 적분 퍼지제어기의 구성도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 제어장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 제어장치는 슬라이딩 모드 제어부(110) 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부(120)를 포함하여 구성된다.
슬라이딩 모드 제어부(110)는 입력되는 입력값에 대하여 기설정된 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 적용하여 출력한다. 이러한 슬라이딩 모드 제어부(110)는 슬라이딩 모드 제어기(sliding mode controller)를 포함한다. 본 실시 예에서 슬라이딩 모드 제어부(110)는 입력값에 대하여 슬라이딩 면을 결정한다. 이러한 슬라이딩 면은 제어하고자 하는 로봇의 상태량을 기설정된 선형 함수에 의해 입력 데이터가 수렴하는 평면이다. 이로써 로봇의 특성에 따른 교란 및 변화를 최소화할 수 있다.
퍼지-피아이디 게인 튜너부(120)는 기설정된 퍼지-피아이디 제어 알고리즘을 이용하여 상기 입력값에 대한 비례계수값, 미분값 및 적분값의 미세조정을 위한 게인을 조정한다. 이를 위하여 비례계수 퍼지 제어기(121), 미분 퍼지 제어기(122) 및 적분 퍼지제어기(123)를 포함한다. 구체적으로 비례계수 퍼지 제어기(121)는 입력값에 대하여 비례계수값의 게인을 미분 퍼지 제어기(122)는 입력값에 대하여 미분값의 게인을, 적분 퍼지제어기(123)는 입력값에 대하여 적분값의 게인을 퍼지 논리 제어기를 이용하여 조정하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 적분 퍼지제어기(123)은 규칙베이스부(1231), 퍼지화부(1232), 추론엔진부(1233) 및 비퍼지화부(1234)를 포함하여 구성된다.
규칙베이스부(1231)는 기설정된 인간의 언어적 표현, 지식, 경험에 대한 규칙을 저장한다. 적분 퍼지제어기(1232)는 입력값을 퍼지화한다. 추론엔진부(1233)는 이와 같이 퍼지화된 다수의 데이터에 규칙베이스(1231)에 저장된 규칙을 적용하여 데이터의 특성을 추론하며, 비퍼지화부(1234)는 상기 추론된 데이터의 특성으로부터 비퍼지화하여 입력값을 추출하도록 한다.
또한, 제1합산부(130)는 슬라이딩 모드 제어부(110) 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부(120)의 출력값을 합산하여 출력한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서 슬라이딩 모드 제어장치는 제어부(140) 및 제2합산부(150)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
제어부(140)는 제1합산부(130)의 출력값을 이용하여 로봇을 제어하며, 제2합산부(1500는 제어부(140)의 제어출력값을 피드백 받아 입력값과 합산하여 슬라이딩 모드 제어부(110) 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부(120)로 전송한다. 구체적으로, 제2합산부(150)는 입력값과 제어부(140)의 출력값 간의 오차를 계산하고 그 오차만큼 슬라이딩 모드 제어부(110)와 퍼지-파이이디 게인 튜너부(120)에서 보정하도록 한다. 이는 제어부(140)에서의 로봇 제어에 대한 정확도를 향상시키도록 한다.
이와 같이, 본 발명에서는 슬라이딩 모드 제어부를 퍼지-피아이디 게인 튜너부와 결합시킴으로써 로봇 제어의 정확성을 높은 상태로 유지하는 동시에 제어속도를 2배 이상 빠르게 할 수 있다. 즉, 퍼지 논리 제어기가 결합된 피아이디 게인 튜너에 있어서의 높은 정확성을 유지하면서 동시에 슬라이딩 보드 제어기의 신속한 제어속도를 지니게 되는 것이다.
또한, 종래에 퍼지 논리 제어기를 이용하여 피아이디 제어기의 세 가지 요소, 즉 비례계수, 미분, 적분을 미세조정하여 고차원의 비선형성 시스템에서도 우수한 정확도를 지닌 제어가 가능하다는 점에 비하여, 본 발명에서는 로봇 제어에 우수한 정확도를 지닌 퍼지 논리 제어기를 이용한 피아이디 제어기에 슬라이딩 모드 제어기라는 새로운 개념의 제어방식을 도입하여 이를 결합시킨 새로운 제어기를 제시함으로써 우수한 제어 정확도 뿐만 아니라 신속한 제어 속도를 보장할 수 있도록 한다.
이로써, 종래의 슬라이딩 모드 제어기에서는 채터링 현상이 발생하여 정확도에 문제점이 있었지만, 본 발명에서의 새로운 슬라이딩 모드 제어기는 퍼지 피아이디 게인 튜너가 이러한 채터링 현상을 현저하게 줄여주므로 제어 정확도 측면에서 기존의 것보다 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 새로운 슬라이딩 모드 제어장치에서는 종래의 퍼지-피아이디 제어기와 비교하여 제어 응답속도가 빠르므로, 제어 속도를 높일 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 슬라이딩 모드 제어부 120 : 퍼지-피아이디 게인 튜너부
121 : 비례계수 퍼지 제어기 122 : 미분 퍼지 제어기
123 : 적분 퍼지제어기 130 : 제1합산부
140 : 제어부 150 : 제2합산부
1231 : 규칙베이스부 1232 : 퍼지화부
1233 : 추론엔진부 1234 : 비퍼지화부

Claims (4)

  1. 입력값에 대하여 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 적용하여 출력하는 슬라이딩 모드 제어부;
    퍼지-피아이디 제어 알고리즘을 이용하여 상기 입력값에 대한 비례계수값, 미분값 및 적분값의 미세조정을 위한 게인을 조정하는 퍼지-피아이디 게인 튜너부;
    상기 슬라이딩 모드 제어부 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부의 출력값을 합산하는 제1합산부; 를 포함하는 슬라이딩 모드 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퍼지-피아이디 게인 튜너부는 비례계수 퍼지 제어기, 미분 퍼지 제어기 및 적분 퍼지제어기를 포함하는 슬라이딩 모드 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    기설정된 표현, 지식, 경험에 대한 규칙을 저장하는 규칙베이스부;
    상기 적분 퍼지제어기는 다수의 입력값을 퍼지화시키는 퍼지화부;
    상기 퍼지화된 다수의 데이터에 상기 규칙베이스에 저장된 규칙을 적용하여 상기 데이터의 특성을 추론하는 추론엔진부; 및
    상기 추론된 데이터의 특성으로부터 비퍼지화하여 상기 입력값을 추출하는 비퍼지화부; 를 포함하는 슬라이딩 모드 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1합산부의 출력값을 이용하여 로봇을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어출력값을 피드백 받아 상기 입력값과 합산하여 상기 슬라이딩 모드 제어부 및 퍼지-피아이디 게인 튜너부로 전송하는 제2합산부; 더 포함하는 슬라이딩 모드 제어장치.
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