유연시스템의 과도변위 제한을 위한 비선형 입력성형제어기

Abstract

실제 산업현장에서 잔류진동 발생을 저감하기 위해 개루프(Open-loop)제어 방식의 입력성형제어기법(Input shaping controller)이 사용 된다. 그러나 실제 산업 현장의 크레인 구동기는 전기적 및 물리적 원인에 의한 구동기의 비선형 동적 특성으로 인해 이론적인 출력이 제한된다. 이로 인해 입력성형제어기의 잔류진동 저감 성능을 극대화 할 수 없다. 또한 입력성형제어기를 설계하는 이론 주파수와 실제 시스템의 주파수에 측정 오차 및 입력성형제어 실행중 주파수의 변화에 의한 modelling error에 의해 입력성형제어기의 잔류진동 저감 성능은 감소한다. 다음 원인에 의한 입력성형제어기의 잔류진동 저감성능의 감소는 특히 작은 잔류진동으로 인한 결함으로 큰 문제를 야기 시키는 로봇, 반도체 및 항공우주 분야에서는 작은 잔류진동도 제거하기 위해 입력성형제어기의 잔류진동 저감 성능을 더욱 개선할 필요가 있다. 본 논문 에서는 다음 문제를 인식하고 실제 산업 현장에서 입력성형제어기의 잔류진동 저감 성능의 극대화를 위해 유연 시스템의 비선형 구동기를 고려하고 주파수의 modelling error에 강인한 입력성형제어기를 개발한다. 개발한 새로운 입력성형제어기의 잔류진동 저감 성능을 실험적으로 검증하기 위해 실험 장치를 개발하였다. 프로파일을 이용하여 개발한 gantry 실험 장치인 MINI-CRANE은 Siemens PLC (Programmable Logic Controller)로 구성하였다. 실험 장치의 구동을 위해 절대 엔코더를 포함하고 있는 3개의 servo motor를 사용하였고 payload의 흔들림을 측정하기 위해 intelligent vision sensor를 사용하였다. 또한 정확한 실험 과 분석 및 유익한 기능을 추가하기 위해 GUI(graphical user interface)를 구성 하였다. 비선형 구동기에 의한 잔류진동 저감 성능을 개선하기 위해 유연시스템의 비선형 구동기를 고려하고 추가적으로 과도변위를 제한하기 위해 vector diagram approach을 활용하여 구동기의 비선형 동적특성을 포함시킨 비선형 입력성형제어기 MDL-ZVC(Modified Deflection Limiting Zero Vibration)를 개발한다. 그리고 시스템의 start-stop motion을 위해 MDL-ZVC 입력성형제어기를 대칭적으로 사용하여 MDL-ZVC2 입력성형제어기를 개발하고 이동거리 move distance(xd)를 제어하기 위해 pulse duration 시간 t4 를 결정하는 식을 제시한다. 개발한 입력성형제어기MDL-ZVC에 주파수의 modelling error에 의한 잔류진동저감 성능을 강인하게 하기 위해 강인성을 개선한 입력성형제어기 MDL-ZVDC(Modified Deflection Limiting-Zero Vibration Derivative Compensation) 를 개발한다. MDL-ZVDC 입력성형제어기의 입력시간을 결정하기 위해 numerical optimization을 사용하였다. 그리고 시스템의 start-stop motion을 위해 MDL-ZVDC 입력성형제어기를 대칭적으로 사용하여 MDL-ZVDC2 입력성형제어기를 개발하고 이동거리 move distance(xd)를 제어하기 위해 pulse duration 시간 t6 를 결정하는 식을 제시한다. 그리고 기존의 과도변위 입력성형제어기에 비해 과도변위 제한 및 잔류진동저감성능이 동일하고 마지막 입력의 크기를 유연시스템 구동기의 최고 속도로 가하여 목표거리에 도달하는 시간을 단축하고 bending moment발생을 저감한 HDL-ZV(High speed Deflection Limiting Zero Vibration)를 개발했다. 개발된 입력성형제어기들은 과도변위 제한 및 잔류진동 저감 성능 등을 수치 시뮬레이션과 개발한 실험장치를 활용한 실험으로 검증한다.|For the vibration reduction of flexible systems, input shaping controller could be used. In the reality, there are many non-ideal effects such as electrical and physical factors, nonlinear actuator dynamics. Due to the non-ideal effects in the industrial applications such as robotics, semiconductor and aerospace industry sectors, the input shaping controller has been shown with limited control performance. In order to cope with the non-ideal effects, system modeling errors, several exact solutions by using the input shaping technique are newly developed to reduce the transient deflection and residual vibration of flexible systems and to present a high control performance with control robustness. This thesis presents a test-bed for the experimental verification of presenting the below developing controller algorithms, a deflection-limiting controllers with the inclusion of non-ideal actuator dynamics, and a high-speed deflection-limiting controller by utilizing variable impulse magnitudes. At first, the test-bed, called MINI-CRANE, which is built with Siemens PLC (Programmable Logic Controller)-Technology CPU, Sinamics CU320, and synchronous servo-motors with absolute encorders, and intelligent vision camera. For a user interface, the GUI (graphical user interface) program is developed with the softwares of WinCC flexible, SCL, CFC, visual basic. Secondly, MDL-ZVC (Modified Deflection Limiting Zero Vibration) controller is developed by approximating the actuator nonlinearity by an exponential function which will result in the controller performance degradation. The MDL-ZVC controller is shown that it presents the adjustable transient deflection magnitude and zero residual vibration under the nonlinear actuator dynamics. For the rest-to-rest motion, the MDL-ZVC controller is used symmetrically to get a specified move distance by a pulse duration. Thirdly, the MDL-ZVDC (Modified Deflection Limiting Zero Vibration Derivative Compensation) controller is developed to improve the robustness of the MDL-ZVC controller with respect to the modelling error of flexible systems. For the MDL-ZVDC controller, a numerical optimization formulation is presented by minimizing the final switching time with the nonlinear formula to non-ideal actuators. For the rest-to-rest motion, the MDL-ZVDC2 controller is developed by symetrically utilizing the MDL-ZVDC controller for a specified move distance. Fourthly, the HDL-ZV(High speed Deflection Limiting Zero Vibration) controller is developed to use the maximum linear actuator speed with the adjustable transient deflection magnitude and zero residual vibration of flexible systems. The HDL-ZV controller presents the high-speed cruising operation which will be necessary for industrial applications with the reduction of bending moment.