KR20180093331A - Method for stabilization of nonlinear system including singular perturbation - Google Patents

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KR20180093331A
KR20180093331A KR1020170019253A KR20170019253A KR20180093331A KR 20180093331 A KR20180093331 A KR 20180093331A KR 1020170019253 A KR1020170019253 A KR 1020170019253A KR 20170019253 A KR20170019253 A KR 20170019253A KR 20180093331 A KR20180093331 A KR 20180093331A
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이호재
문지현
강현빈
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a stabilizing method of a nonlinear system having singular perturbation, which can more stabilize a nonlinear system by using a sample value controller newly built to converge a state variable of the nonlinear system having singular perturbation towards zero.

Description

특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법 {Method for stabilization of nonlinear system including singular perturbation}[0001] The present invention relates to a method for stabilizing a nonlinear system including a singular perturbation,

본 발명은 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특이섭동이 나타나는 비선형시스템의 동특성 제어를 위한 샘플치제어기를 이용하여 비선형시스템을 점근적으로 안정화하기 위한 비선형시스템의 안정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of stabilizing a nonlinear system having a singular perturbation, and more particularly, to a method of stabilizing a nonlinear system for asymptotically stabilizing a nonlinear system using a sample value controller for controlling the dynamic characteristics of a nonlinear system exhibiting singular perturbations ≪ / RTI >

특이섭동 시스템은 시간 스케일이 상대적으로 빠른 상태변수(즉, fast mode)와 느린 상태변수(즉, slow mode)가 동시에 존재하는 동적시스템을 말한다.The singular perturbation system refers to a dynamic system in which the time scale is relatively fast (ie, fast mode) and the slow state variable (ie, slow mode).

특이섭동은 비선형시스템에도 많이 나타나는데, 예를 들면 도립진자 시스템의 구동에 사용되는 직류전동기의 관성모멘트는 도립진자의 관성모멘트에 비하여 상대적으로 매우 작아 무시할 수 있으며, 이 경우 패스트 모드(fast mode)와 슬로우 모드(slow mode)의 동특성이 동시에 존재하게 된다. 또한, 기생(parasitic) 인덕턴스를 포함한 터널다이오드 회로 및 고이득 궤환시스템 역시 패스트 모드(fast mode)와 슬로우 모드(slow mode)의 동특성이 동시에 존재한다.For example, the moment of inertia of a DC motor used to drive an inverted pendulum system is relatively small compared to the moment of inertia of an inverted pendulum and can be ignored. In this case, the fast mode and the non- The dynamic characteristics of the slow mode are simultaneously present. In addition, the tunnel diode circuit including the parasitic inductance and the high gain feedback system also have the dynamic characteristics of the fast mode and the slow mode simultaneously.

비선형시스템에 존재하는 패스트 모드의 동특성 즉, 시간적으로 빠른 동특성을 특이섭동이라고 하며, 이러한 특이섭동을 갖는 비선형시스템은 패스트 모드의 동특성과 슬로우 모드의 동특성이 혼재함에 따라 시스템을 안정화하기 위해 샘플치제어기를 사용하고 있다.In the nonlinear system with the singular perturbation, the dynamic characteristics of the fast mode existing in the nonlinear system, that is, the temporal fast dynamic characteristics, are called as the singular perturbations. In order to stabilize the system as the dynamic characteristics of the fast mode and the slow mode are mixed, Is used.

상기 샘플치제어기는 비선형시스템에서 샘플링된 상태변수를 이용하여 산출한 제어신호를 사용하여 비선형시스템의 동특성을 제어함으로써 비선형시스템을 안정화하게 된다.The sample value controller stabilizes the nonlinear system by controlling the dynamic characteristics of the nonlinear system using the control signals calculated using the sampled state variables in the nonlinear system.

그런데, 패스트 모드와 슬로우 모드의 동특성이 혼재되어 나타나는 비선형시스템의 제어를 위한 샘플치제어기는 이산시간 영역에서 설계하는 것이 용이하기 때문에, 미분방정식으로 표현되는 비선형시스템의 동역학을 적분하여 이산화한 차분방정식을 기반으로 샘플치제어기를 설계하는 것이 일반적이다.However, since the sample value controller for controlling the nonlinear system in which the dynamic characteristics of the fast mode and the slow mode are mixed is easy to design in the discrete time domain, it is difficult to design the differential equation by integrating the dynamics of the nonlinear system represented by the differential equation It is common to design a sample value controller.

그러나, 비선형시스템의 동특성을 나타내는 비선형 미분방정식의 적분에 의한 이산화 모델링은 일반적으로 불가능하므로 적분방정식의 근사화 식을 이용하여 근사화 오차를 포함한 이산시간 모델을 구성하게 되는데, 이를 기반으로 설계한 샘플치제어기를 이용하는 경우 비선형시스템의 안정화 성능이 저하되는 문제점이 존재하게 된다.However, since the discretization modeling by integration of nonlinear differential equations representing the dynamic characteristics of a nonlinear system is generally impossible, a discrete-time model including the approximation error is constructed using the approximation equation of the integral equation. The sample value controller There is a problem that the stabilization performance of the nonlinear system is deteriorated.

일본공개특허 특개평7-287602호Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-287602

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 상태변수를 '0'으로 수렴시킬 수 있게 구축된 새로운 샘플치제어기를 이용하여 상기 비선형시스템을 보다 안정화할 수 있는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a nonlinear system capable of stabilizing the nonlinear system by using a new sample value controller constructed to converge a state variable of a non- And a method of stabilizing a nonlinear system having a specific perturbation.

이에 본 발명에서는, 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 동특성 모델을 구축하는 제1단계; 상기 동특성 모델에 종속하여 상기 비선형시스템의 동특성 제어를 위한 샘플치제어기를 구축하는 제2단계; 상기 동특성 모델의 상태변수에 기초하여 상기 샘플치제어기가 동특성 제어를 위한 제어신호를 주기적으로 산출하는 제3단계; 상기 제어신호를 비선형시스템의 제어입력으로서 사용하는 제4단계를 포함하며, 상기 샘플치제어기는 상기 상태변수를 '0'으로 수렴시킬 수 있게 된 것임을 특징으로 하는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법을 제공한다.Accordingly, in the present invention, a first step of constructing a dynamic characteristic model of a nonlinear system having a specific perturbation; A second step of constructing a sample value controller for controlling the dynamic characteristics of the nonlinear system depending on the dynamic characteristics model; A third step of periodically calculating a control signal for dynamic characteristic control by the sample value controller based on a state variable of the dynamic characteristic model; And a fourth step of using the control signal as a control input of the nonlinear system, wherein the sample value controller is able to converge the state variable to '0'. .

구체적으로, 상기 샘플치제어기는 Specifically, the sample value controller

Figure pat00001
Figure pat00001

의 형태로 구성되며, 이때 상기 θi(zkT)는 동특성 모델의 퍼지규칙발화도이고, 상기 xkT, zkT는 각각 동특성 모델의 상태변수 x, 전반부 변수 z의 kT 시점에서 샘플링된 값이고, 상기 ukT는 kT 시점에서 샘플치제어기가 산출한 제어신호 u이고, 상기 Ki는 샘플치제어기의 제어이득이다.(Z kT ) is a fuzzy rule utterance of the dynamic characteristic model, and x kT and z kT are values sampled at a time point kT of the state variable x and the front variable z of the dynamic characteristic model, respectively, U kT is the control signal u calculated by the sample value controller at time kT, and Ki is the control gain of the sample value controller.

그리고, 상기 샘플치제어기의 제어이득 Ki = Mi*N 이며, 상기 Mi는 비선형시스템의 동특성 모델에 종속하여 구축된 식 6의 선형행렬부등식을 만족하는 행렬 Mj의 해이고, 상기 N은 식 6의 선형행렬부등식을 만족하는 행렬 S의 해에 대한 역행렬이다.And Mi is a solution of a matrix Mj satisfying the linear matrix inequality of Equation 6 constructed in dependence on the dynamic characteristic model of the nonlinear system, Is the inverse of the solution of the matrix S satisfying the linear matrix inequality.

아울러, 상기 비선형시스템의 동특성 모델은 In addition, the dynamic characteristics model of the nonlinear system

Figure pat00002
이고,
Figure pat00002
ego,

상기

Figure pat00003
이고, 상기 I는 항등행렬이고, 상기 ε은 특이섭동 파라미터이고, 상기 x는 상태변수이고, 상기 Ai와 Bi는 각각 시스템행렬과 입력행렬이고, 상기 u는 제어입력이고, 상기 θi(z)는 퍼지규칙발화도이다.remind
Figure pat00003
, Where I is an identity matrix, the epsilon is a singular perturbation parameter, x is a state variable, Ai and Bi are respectively a system matrix and an input matrix, u is a control input, Fuzzy rule.

본 발명에 따른 비선형시스템의 안정화 방법에 의하면, 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 상태변수를 '0'으로 수렴하도록 제어함으로써 결과적으로 상기 비선형시스템을 효과적으로 안정화할 수 있게 된다.According to the stabilization method of the nonlinear system according to the present invention, it is possible to effectively stabilize the nonlinear system as a result by controlling the state variable of the nonlinear system having the singular perturbation to converge to '0'.

도 1은 터널다이오드 회로의 예시도
도 2는 도 1에 도시한 터널다이오드 회로의 실제 구동특성을 고려하여 모델링한 회로도
도 3은 본 발명에 따른 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법을 나타낸 순서도
도 4는 본 발명에 따른 샘플치제어기를 이용한 폐루프 샘플치 제어시스템을 나타낸 블록도
도 5는 본 발명에 의해 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 상태변수(x1,x2)가 '0'으로 수렴됨을 예증하기 위한 모의실험 결과를 나타낸 그래프
1 shows an example of a tunnel diode circuit
Fig. 2 is a circuit diagram modeling the actual driving characteristics of the tunnel diode circuit shown in Fig. 1
3 is a flow chart illustrating a method of stabilizing a nonlinear system having a singular perturbation according to the present invention
4 is a block diagram showing a closed loop sample value control system using a sample value controller according to the present invention.
5 is a graph showing simulation results for illustrating that the state variable (x1, x2) of a nonlinear system having a specific perturbation converges to zero according to the present invention.

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

특이섭동을 갖는 비선형시스템의 동특성은 아래의 식 1과 같은 형태의 상미분방정식으로 표현할 수 있다.The dynamic characteristics of a nonlinear system with singular perturbations can be expressed by the ordinary differential equation of the form:

식 1 : x1' = f1(x,u)Equation 1: x1 '= f1 (x, u)

εx2' = f2(x,u)     ? x2 '= f2 (x, u)

상기 x1'은 비선형시스템의 슬로우 모드의 동특성을 나타낸 것이고, 상기 x2'은 비선형시스템의 패스트 모드의 동특성을 나타낸 것이며, 상기 x는 비선형시스템의 상태변수이고, 상기 u는 비선형시스템의 동특성 및 상태 제어를 위한 제어입력(샘플치제어기의 제어신호)이다.Wherein x1 is the dynamic characteristic of the slow mode of the nonlinear system, x2 'is the fast mode dynamic characteristic of the nonlinear system, x is the state variable of the nonlinear system, u is the dynamic characteristic of the non- (The control signal of the sample value controller).

상기 식 1과 같이 표현되는 동특성을 갖는 비선형시스템으로는 예를 들면, 모터를 이용하여 구동되는 기계장치와 이 기계장치의 출력을 센싱하기 위한 센서를 포함하는 폐루프 시스템이 있다.The nonlinear system having dynamic characteristics expressed by the above-mentioned Equation 1 is, for example, a closed loop system including a mechanical device driven by a motor and a sensor for sensing the output of the mechanical device.

상기 기계장치의 출력을 센싱하기 위한 센서의 동특성은 모터의 동특성보다 빠른 특징이 있으며, 이에 상기 폐루프 시스템은 시간적으로 빠른 동특성과 느린 동특성이 혼재하여 나타나게 된다.The dynamic characteristics of the sensor for sensing the output of the mechanical device are faster than the dynamic characteristics of the motor, so that the closed loop system exhibits a combination of fast dynamic characteristics with time and slow dynamic characteristics.

한편, 첨부한 도 1에는 터널다이오드 회로의 설계도가 도시되어 있고, 도 2에는 터널다이오드 회로의 실제 구동특성을 고려하여 모델링한 회로도가 도시되어 있다.FIG. 1 is a schematic diagram of a tunnel diode circuit, and FIG. 2 is a circuit diagram modeling the tunnel diode circuit in consideration of actual driving characteristics of the tunnel diode circuit.

도 1과 같이 전원(1)과 저항(2) 및 캐패시터(3)가 직렬 연결되고 상기 캐패시터(3)에 병렬 연결된 터널다이오드(4)로 구성된 터널다이오드 회로는, 실제 구동 시 도 2에 보듯이 크기가 εL인 아주 작은 기생 인덕턴스(5)가 존재하는 동특성을 보인다.As shown in FIG. 1, a tunnel diode circuit composed of a power source 1, a resistor 2 and a capacitor 3 connected in series and a tunnel diode 4 connected in parallel to the capacitor 3, And a very small parasitic inductance (5) of size ε L is present.

도 2에 도시된 터널다이오드 회로의 동특성을 모델링하면 위에 식 1과 같은 형태로 표시된다.The dynamic characteristics of the tunnel diode circuit shown in FIG. 2 are modeled as shown in Equation 1 above.

상기 식 1과 같은 형태의 상미분방정식으로 표현되는 동특성을 갖는 비선형시스템은 시간적으로 슬로우 모드의 동특성(x1')과 패스트 모드의 동특성(x2')이 혼재되어 나타나며, 이때 패스트 모드의 동특성을 특이섭동이라고 한다.A nonlinear system having a dynamic characteristic represented by an ordinary differential equation of the form as shown in Equation (1) has a dynamic characteristic (x1 ') of a slow mode and a dynamic characteristic (x2') of a fast mode in a time- It is called perturbation.

상기와 같은 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 경우 시스템을 안정화하기 위하여 샘플치제어기를 사용하는데, 기존의 샘플치제어기는 이산시간 영역에서 설계하는 것이 용이하기 때문에 연속시간에 대한 미분방정식[x'=f(x)]으로 표현되는 비선형시스템의 동특성을 이산화하여 x(t+1)=x(t)+∫f(x)와 같이 적분방정식을 포함한 형태로 표현해야 하나, 상기 미분방정식[x'=f(x)]의 적분은 일반적으로 수식화하여 표현하는 것이 불가능하다.In the case of the nonlinear system with the above-mentioned singular perturbation, a sample value controller is used to stabilize the system. Since the conventional sample value controller is easy to design in the discrete time domain, the differential equation [x '= f (x)], it is necessary to discretize the dynamic characteristics of the nonlinear system and express it in a form including an integral equation such as x (t + 1) = x (t) + f (x) f (x)] can not be expressed in general form.

따라서, 종래의 샘플치제어기는 ∫f(x)의 근사화 식을 사용하여 이산화한 비선형시스템의 동특성 모델에 맞춰 설계된다.Therefore, the conventional sample value controller is designed in accordance with the dynamic characteristic model of the nonlinear system which is discretized using the approximation equation of? F (x).

그러나, 이렇게 ∫f(x)의 근사화 식을 이용하여 이산화한 비선형시스템의 동특성 모델을 기반으로 하여 설계된 샘플치제어기를 사용하는 경우, 비선형시스템의 상태변수를 '0'으로 수렴시키는 것이 불가능하며, 결국 비선형시스템을 안정화하는데 한계가 존재하게 된다.However, when the sample value controller designed based on the dynamic model of the discretized nonlinear system using the approximation equation of ∫ f (x) is used, it is impossible to converge the state variable of the nonlinear system to '0' As a result, there is a limit to stabilizing the nonlinear system.

이에 본 발명에서는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 동특성을 이산화하지 않고 연속시간에 대해 타카기--수게노(Takagi--Sugeno: T--S) 퍼지모델 형태로 모델링하고, 이렇게 모델링한 비선형시스템의 동특성 제어를 위한 새로운 샘플치제어기를 구축함으로써 비선형시스템을 보다 효과적으로 안정화할 수 있도록 한다.In the present invention, the dynamic characteristics of a nonlinear system with a specific perturbation are modeled in the form of a Takagi - Sugeno (T - S) fuzzy model for a continuous time without discretization, By constructing a new sample value controller for dynamics control, nonlinear systems can be more effectively stabilized.

이를 위하여, 본 발명에서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 전역적(Global) 동특성 모델을 구축하는 제1단계, 상기 동특성 모델에 종속하여 상기 비선형시스템의 동특성 및 상태 제어를 위한 샘플치제어기를 구축하는 제2단계, 상기 동특성 모델의 샘플링된 상태변수(즉, 비선형시스템의 상태변수)에 기초하여 상기 샘플치제어기가 비선형시스템의 동특성 제어를 위한 제어신호를 주기적으로 산출하는 제3단계, 상기 제어신호를 상기 비선형시스템의 제어입력으로서 사용하는 제4단계를 포함하는 비선형시스템의 안정화 방법을 제시한다.To this end, according to the present invention, as shown in FIG. 3, there are a first step of constructing a global dynamic characteristic model of a nonlinear system having a singular perturbation, a first step of constructing a global dynamic characteristic model of a non- A second step of constructing a sample value controller, a second step of periodically calculating a control signal for controlling the dynamic characteristics of the nonlinear system based on sampled state variables of the dynamic characteristics model (i.e., state variables of the nonlinear system) And a fourth step of using the control signal as a control input of the nonlinear system in step 3, and a fourth step of stabilizing the nonlinear system.

먼저, 상기 제1단계에서와 같이 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 전역적 동특성을 모델링하여 동특성 모델을 구축한다.First, as in the first step, the dynamic characteristics model is constructed by modeling the global dynamic characteristics of the nonlinear system having the singular perturbation.

위에 식 1과 같이 표현되는 비선형시스템의 동특성을 섹터 논리니어리티(sector nonlinearity) 기법을 이용하여 퍼지화하면 아래 식 2와 같이 표현된다.If the dynamics of the nonlinear system expressed as Equation 1 is fuzzy using the sector nonlinearity technique,

식 2 : Equation 2:

Figure pat00004
Figure pat00004

그리고, 상기 식 2를 싱글톤 퍼지화, 곱셈추론, 중심값 평균 비퍼지화에 의하여 타카기--수게노(Takagi--Sugeno: T--S) 퍼지모델 형태로 표현하면 아래 식 3과 같다. 즉, 상기 비선형시스템의 전역적 동특성 모델은 아래 식 3과 같이 구축된다.Then, Equation 2 can be expressed as Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy model by singleton fuzzification, multiplication inference, and center value mean non-fuzzy, . That is, the global dynamic characteristic model of the nonlinear system is constructed as shown in Equation 3 below.

식 3 : Equation 3:

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, 상기 Here,

Figure pat00006
Figure pat00006

이고,

Figure pat00007
을 만족한다.ego,
Figure pat00007
.

여기서, 상기 I는 항등행렬이고, 상기 ε은 패스트 모드의 동특성과 슬로우 모드의 동특성을 분리하는 정도를 나타내는 특이섭동 파라미터이고, 상기 x=(x1,x2)는 상태변수이고, 상기 Ai와 Bi는 각각 비선형시스템의 동특성에 따라 결정되는 시스템행렬과 입력행렬이고, 상기 u는 동특성 제어를 위한 제어입력(또는 샘플치제어기의 제어신호라고 함)이고, 상기 θi(z) 및 z는 각각 비선형시스템을 타카기--수게노 퍼지모델 형태로 표현하기 위해 사용되는 퍼지규칙발화도와 전반부 변수이다.(X1, x2) is a state variable, and Ai and Bi are a state variable, and I is an identity matrix, and is a singular perturbation parameter representing a degree of separating a dynamic characteristic of a fast mode from a dynamic characteristic of a slow mode, Where u is the control input (or control signal of the sample value controller) for controlling the dynamic characteristics, and θi (z) and z are respectively the nonlinear system and the system matrix determined by the dynamic characteristics of the nonlinear system It is the fuzzy rule utterance used in the Takagi-Sueno fuzzy model form and the first half variable.

참고로, 상기

Figure pat00008
는 x를 미분한 것으로서 x'과 동일한 표현이다.For reference,
Figure pat00008
Is the derivative of x and is the same expression as x '.

상기 식 3과 같은 동특성을 갖는 비선형시스템을 제어하기 위하여 상기 식 3의 동특성 모델에 종속하여 시간구간 [kT, kT+T]에 대해 아래 식 4와 같은 형태의 샘플치제어기를 모델링하여 구축한다.In order to control the nonlinear system having the same dynamic characteristic as Equation (3), a sample value controller of the following Equation (4) is constructed by modeling the time interval [kT, kT + T] depending on the dynamic characteristic model of Equation (3).

식 4 : Equation 4:

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, 상기 θi(zkT)는 상기 동특성 모델의 퍼지규칙발화도이고 구체적으로는 퍼지규칙발화도 θi(z)의 kT 시점(t= kT)에서 샘플링된 값이며, 상기 xkT, zkT는 각각 상기 동특성 모델의 상태변수 x, 전반부 변수 z의 kT 시점(t= kT)에서 샘플링된 값이고, 상기 ukT는 kT 시점(t= kT)에서 샘플치제어기가 산출한 제어신호(혹은 제어입력) u이고, 상기 Ki는 샘플치제어기의 제어이득이다.Here, the θi (z kT) is a value sampled at kT time (t = kT) of a fuzzy rule firing also and specifically, fuzzy rule firing Fig θi (z) of the dynamic characteristic model, the x kT, z kT is (T = kT) of the state variable x and the front-end variable z of the dynamic behavior model, and u kT is a value sampled at a time t (k) ) u, and Ki is a control gain of the sample value controller.

상기 식 4와 같이 구성되는 샘플치제어기를 이용하여 상기 식 1 및 식 3과 같이 표현되는 슬로우 모드 및 패스트 모드의 동특성을 갖는 비선형시스템의 샘플치 제어시스템을 도 4와 같이 구성할 수 있다.A sample value control system of a nonlinear system having a slow mode and a fast mode dynamic characteristic expressed by Equations (1) and (3) using a sample value controller constructed as shown in Equation (4) can be constructed as shown in FIG.

도 4에 도시된 폐루프 타입의 샘플치 제어시스템은 상기 샘플치제어기(12)를 이용하여 비선형시스템(10)을 점근적으로 안정화하기 위한 것으로서, 비선형시스템(10)의 출력단과 샘플치제어기(12)의 입력단 사이에 연결 구성되는 스위칭부(14)와, 상기 샘플치제어기(12)의 출력단과 비선형시스템(10)의 입력단 사이에 연결 구성되는 ZOH(Zero Order Holder)(16) 포함한다.The closed-loop type sample value control system shown in FIG. 4 is for asymptotically stabilizing the nonlinear system 10 using the sample value controller 12, and includes an output terminal of the nonlinear system 10 and a sample value controller And a Zero Order Holder (ZOH) 16 connected between the output of the sample value controller 12 and the input of the nonlinear system 10.

상기 스위칭부(14)는 일정한 시간 간격으로 온(On) 작동하여 비선형시스템(10)의 상태변수(x) 값이 샘플치제어기(12)에 입력 가능하도록 구성되고, 상기 ZOH(16)는 일정 시간 간격으로 샘플링된 상태변수(x) 값에 기초하여 샘플치제어기(12)가 산출한 제어신호(u)를 상기 비선형시스템(10)의 제어입력으로서 제공하여 비선형시스템(10)으로 입력 가능하도록 구성된다.The switching unit 14 is configured to be turned on at predetermined time intervals to allow the value of the state variable x of the nonlinear system 10 to be input to the sample value controller 12, The control signal u calculated by the sample value controller 12 is supplied as the control input of the nonlinear system 10 based on the value of the state variable x sampled at time intervals so as to be input to the nonlinear system 10 .

다시 말하면, 샘플치제어기(12)는 주기적으로 샘플링(예를 들어, kT 시점에서 샘플링)된 비선형시스템(10)의 상태변수(x) 값을 입력받아 비선형시스템(10)의 동특성 제어를 위한 제어신호(u)를 산출하고, 상기 제어신호(u)는 ZOH(16)를 통해 비선형시스템(10)의 동특성 및 상태 제어를 위한 제어입력으로서 사용된다. 이때 상기 ZOH(16)는 주기적으로 산출되는 제어신호(u)를 다음 제어신호가 발생하기 전까지 유지시켜 비선형시스템(10)의 안정화를 위한 제어입력으로서 상기 비선형시스템(10)에 연속적으로 입력되도록 한다. In other words, the sample value controller 12 receives the value of the state variable x of the nonlinear system 10 that is periodically sampled (for example, sampled at the time kT) and controls the control for the dynamic characteristics of the nonlinear system 10 And the control signal u is used as a control input for the dynamic characteristics and state control of the nonlinear system 10 via the ZOH 16. [ At this time, the ZOH 16 keeps the periodically calculated control signal u until the next control signal is generated so as to be continuously inputted to the nonlinear system 10 as a control input for stabilization of the nonlinear system 10 .

아울러, 상기 샘플치제어기(12)는 주기적으로 샘플링되는 비선형시스템(10)의 상태변수(x) 값을 입력받음과 더불어 전반부 변수(z)도 입력받는다.In addition, the sample value controller 12 receives the state variable x of the nonlinear system 10 to be periodically sampled, and also receives the first-half variable z.

여기서, 상기 비선형시스템의 샘플치 제어시스템을 모델링하면 아래 식 5와 같이 표현된다.Here, the model value of the sample value control system of the nonlinear system is expressed as Equation 5 below.

식 5 : Equation 5:

Figure pat00010
Figure pat00010

그리고, 상기 식 5와 같이 표현되는 샘플치 제어시스템을 구성하는 샘플치제어기의 제어이득 Ki = Kj = Mi*N (i,j = 1,2,...r)이고, 상기 N=S-1이다.Further, the expression (5) controls the gain of the control sample values constituting the sample value control system expressed as Ki = Kj = Mi * N ( i, j = 1,2, ... r) , and wherein N = S - 1 .

이때, 식 4를 구성하는 상기 제어이득 Ki 는 상기 식 5에서 다른 변수들과의 아래 첨자를 구분하기 위해 "Kj" 로 표현한 것일 뿐이며, 식 5에서 i와 j가 동일한 값으로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.In this case, the control gain K i constituting Equation 4 is expressed as " Kj " in order to distinguish subscripts from other variables in Equation 5, and means that i and j are limited to the same value in Equation 5 It is not.

여기서, 상기 Mi는 아래 식 6의 선형행렬부등식에 의해 결정되는 행렬 Mj의 해이고, 상기 N은 아래 식 6의 선형행렬부등식에 의해 결정되는 행렬 S의 해에 대한 역행렬로서 소정의 비특이행렬이다.Where Mi is a solution of a matrix Mj determined by the linear matrix inequality of Equation 6 below and N is a predetermined nonspecific matrix as an inverse matrix for a solution of a matrix S determined by the linear matrix inequality .

즉, 상기 제어이득(Ki)은 아래 식 6과 같은 선형행렬부등식을 만족하는 행렬 S와 Mj를 구함으로써 결정할 수 있다. 아래 식 6의 선형행렬부등식은 리아푸노프 안정도 이론에 근거하여 비선형시스템의 동특성 모델을 구성하는 행렬 Ai와 Bi 및 E를 이용하여 구성된다. 즉, 아래 식 6의 선형행렬부등식은 리아푸노프 안정도 이론을 근거로 비선형시스템의 동특성 모델에 종속하여 구축된다.That is, the control gain Ki can be determined by obtaining matrices S and Mj satisfying the linear matrix inequality as shown in Equation 6 below. The linear matrix inequality in Eq. (6) is constructed using matrices Ai, Bi, and E, which form the dynamic model of the nonlinear system based on the Lyapunov stability theory. In other words, the linear matrix inequality of Equation 6 below is built on the dynamic model of the nonlinear system based on the Lyapunov stability theory.

식 6 : Equation 6:

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 S, Mj, X, Y는 비선형시스템의 동특성에 종속하여 결정되는 서로 다른 변수에 해당하는 행렬이고, 상기 T는 비선형시스템의 상태변수(x)를 샘플링하는 주기이고, 상기 ST, AiT, BiT, MjT는 각각 S, Ai, Bi, Mj의 전치행렬이다.Wherein S, Mj, X, Y the matrix corresponding to the different variables to be determined dependent on the dynamic characteristics of the non-linear system, wherein T is a period for sampling the state variable (x) of the nonlinear system, the S T, Ai T , Bi T , and Mj T are transpose matrices of S, Ai, Bi, and Mj, respectively.

적절한 상수값으로서 설정된 c1, c2에 대하여, 수치적 최적화 기법에 의하여 상기 식 6의 선형행렬부등식을 만족하는 S, Mi=Mj, X=XT >0, Y=YT >0 가 존재하면 상기 식 4와 같이 구성된 샘플치제어기는 상기 식 1 및 식 3과 같은 동특성을 갖는 비선형시스템의 상태변수(x)를 '0'으로 수렴시켜 시스템을 점근적으로 안정화할 수 있게 된다.When with respect to c1, c2 is set as an appropriate constant value, numerical optimization by Method S, Mi = Mj, X = satisfying the linear matrix inequality of formula 6 X T> 0, Y = Y T> 0 is present the The sample value controller constructed as shown in Equation (4) is able to stabilize the system asymptotically by converging the state variable (x) of the nonlinear system having the dynamic characteristics as Equations (1) and (3) to '0'.

이에 상기 샘플치제어기는 상기 식 6을 만족하는 S, Mi를 이용하여 계산한 제어이득(Ki)을 적용함으로써 상기 식 1 및 식 3과 같은 동특성을 갖는 비선형시스템을 점근적으로 안정화할 수 있게 된다. Accordingly, the sample value controller can asymptotically stabilize the nonlinear system having the dynamic characteristics as expressed by Equations (1) and (3) by applying the control gain (Ki) calculated using S and Mi satisfying Equation (6) .

다시 말해, 상기 샘플치제어기의 제어이득(Ki)을 상기 식 6을 만족하도록 결정함으로써 샘플치제어기가 비선형시스템의 상태변수(x)를 '0'으로 수렴시킬 수 있는 제어특성을 가지게 되며, 이렇게 샘플치제어기의 제어특성을 결정함으로써 상기 샘플치제어기를 이용한 샘플치 제어시스템은 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 상태변수(x)가 '0'으로 수렴하도록 제어하게 되고 결국 상기 비선형시스템을 점근적으로 안정화할 수 있게 된다.In other words, by determining the control gain (Ki) of the sample value controller to satisfy Equation (6), the sample value controller has a control characteristic capable of converging the state variable x of the nonlinear system to '0' By determining the control characteristics of the sample value controller, the sample value control system using the sample value controller controls the state variable x of the nonlinear system having the singular perturbation to converge to '0', so that the nonlinear system is asymptotic It becomes possible to stabilize it.

여기서, 본 발명의 효용성을 예증하기 위한 모의실험 및 그 결과를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a simulation and a result of demonstrating the utility of the present invention will be described.

먼저, 아래와 같은 파라미터로 구성되는 식 3과 같은 형태의 동특성을 갖는 비선형시스템을 가정한다.First, we assume a nonlinear system with the same dynamic characteristics as Equation 3, which consists of the following parameters.

Figure pat00012
Figure pat00012

식 4와 같이 구성된 샘플치제어기의 샘플링 주기 T를 0.02로 설정하고, 식 6과 같은 선형행렬부등식의 c1, c2를 0.05로 설정한 뒤, 상기 선형행렬부등식을 풀면 아래와 같은 해가 존재한다.The sampling period T of the sample value controller constructed as shown in Equation 4 is set to 0.02, and c1 and c2 of the linear matrix inequality as shown in Equation 6 are set to 0.05, and solving the above linear matrix inequality results in the following solution.

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 S와 M1, M2를 이용하여 샘플치제어기의 제어이득을 아래 K1, K2와 같이 결정한다.The control gains of the sample value controller are determined as K1 and K2 by using S, M1 and M2.

Figure pat00014
Figure pat00014

다음, 비선형시스템의 초기 상태변수 x(0)=(1,1)로 선정하고 모의실험을 수행한 결과를 도 5에 나타내었다.Next, the initial state variable x (0) = (1,1) of the nonlinear system is selected and simulation results are shown in FIG.

도 5에 보듯이, 비선형시스템의 상태변수(x1,x2)가 시간이 지남에 따라 점차 '0'으로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the state variables (x1, x2) of the nonlinear system gradually converge to '0' over time.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modifications are also included in the scope of the present invention.

10 : 비선형시스템
12 : 샘플치제어기
14 : 스위칭부
16 : ZOH(Zero Order Holder)
10: Nonlinear system
12: Sample value controller
14:
16: Zero Order Holder (ZOH)

Claims (4)

특이섭동을 갖는 비선형시스템의 동특성 모델을 구축하는 제1단계;
상기 동특성 모델에 종속하여 상기 비선형시스템의 동특성 제어를 위한 샘플치제어기를 구축하는 제2단계;
상기 동특성 모델의 상태변수에 기초하여 상기 샘플치제어기가 동특성 제어를 위한 제어신호를 주기적으로 산출하는 제3단계;
상기 제어신호를 비선형시스템의 제어입력으로서 사용하는 제4단계를 포함하며,
상기 샘플치제어기는 상기 상태변수를 '0'으로 수렴시킬 수 있게 된 것임을 특징으로 하는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법.
A first step of constructing a dynamic characteristic model of a nonlinear system having a specific perturbation;
A second step of constructing a sample value controller for controlling the dynamic characteristics of the nonlinear system depending on the dynamic characteristics model;
A third step of periodically calculating a control signal for dynamic characteristic control by the sample value controller based on a state variable of the dynamic characteristic model;
And a fourth step of using the control signal as a control input of the nonlinear system,
Wherein the sample value controller is adapted to converge the state variable to '0'.
청구항 1에 있어서,
상기 샘플치제어기는
Figure pat00015

의 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법.
상기 θi(zkT)는 동특성 모델의 퍼지규칙발화도이고, 상기 xkT, zkT는 각각 동특성 모델의 상태변수 x, 전반부 변수 z의 kT 시점에서 샘플링된 값이고, 상기 ukT는 kT 시점에서 샘플치제어기가 산출한 제어신호 u이고, 상기 Ki는 샘플치제어기의 제어이득이다.
The method according to claim 1,
The sample value controller
Figure pat00015

Wherein the nonlinear system is configured in the form of a nonlinear system.
Wherein θi (z kT) is a fuzzy rule of dynamic characteristics model ignition also, the x kT, z kT are each a value sampled at kT time of the state variables of the dynamic characteristic model x, the first half of the variable z, said u kT is in kT point The control signal u calculated by the sample value controller, and Ki is the control gain of the sample value controller.
청구항 2에 있어서,
상기 샘플치제어기의 제어이득 Ki = Mi*N 인 것을 특징으로 하는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법.
상기 Mi는 비선형시스템의 동특성 모델에 종속하여 구축된 선형행렬부등식을 만족하는 행렬 Mj의 해이고, 상기 N은 선형행렬부등식을 만족하는 행렬 S의 해에 대한 역행렬이다.
The method of claim 2,
Wherein the control gain of the sample value controller is Ki = Mi * N.
Where Mi is a solution of a matrix Mj that satisfies the linear matrix inequality constructed in dependence on the dynamic model of the nonlinear system and N is an inverse matrix for the solution of the matrix S satisfying the linear matrix inequality.
청구항 1에 있어서,
상기 비선형시스템의 동특성 모델은
Figure pat00016

인 것을 특징으로 하는 특이섭동을 갖는 비선형시스템의 안정화 방법.
상기
Figure pat00017
이고, 상기 I는 항등행렬이고, 상기 ε은 특이섭동 파라미터이고, 상기 x는 상태변수이고, 상기 Ai와 Bi는 각각 시스템행렬과 입력행렬이고, 상기 u는 제어입력이고, 상기 θi(z)는 퍼지규칙발화도이다.
The method according to claim 1,
The dynamic model of the nonlinear system
Figure pat00016

Wherein the nonlinear system has a specific perturbation.
remind
Figure pat00017
, Where I is an identity matrix, the epsilon is a singular perturbation parameter, x is a state variable, Ai and Bi are respectively a system matrix and an input matrix, u is a control input, Fuzzy rule.
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