일체형 전기유압시스템을 위한 외란 관측기 기반 강인 위치 제어기 설계

Abstract

본 논문에서는 일체형 전기유압시스템의 위치제어 성능 개선을 위한 외란보상 문제를 다룬다. 실제 산업 현장에서 사용 많이 사용하던 지속적으로 모터를 동작시켜 유체를 고압상태로 유지시키고 서보밸브의 위치를 제어하여 결합된 실린더로 유량을 공급해주었던 서보 밸브 기반 유압시스템과는 달리 펌프기반으로 모터의 속도 및 회전방향을 제어하는 방식으로 구동부를 제외한 모든 구성요소들을 일체화시켜 이동성, 관리의 편리성 및 에너지 효율성을 갖춘 일체형 전기유압시스템이 개발되었다. 구동부의 배치가 모터에 비해 자유롭고 큰 힘을 낼 수 있다는 유압시스템의 장점에 이동성 및 에너지 효율성까지 갖추게 됨으로써 모바일 로봇을 포함한 다양한 분야에서 유압시스템을 적용 할 수 있게 되었다. 지금까지의 연구에서는 유압시스템이 가지고 있는 제어적인 문제인 펌프에서 발생하는 유체 누출로 인한 데드존 현상으로부터 생기는 비선형성과 구동 중 발생하는 열 및 구동 환경에 따라 달라지는 온도 변화로 인한 체적탄성계수의 변화로 생기는 시스템의 불확실성 및 마찰에 취약하다는 점을 고려하여 외란이나 시스템의 불확실성에도 강건성을 가지는 비선형 제어기법인 Sliding Mode Control (SMC) 이나 비선형성을 제거하기 위해 Feedback linearization 기법을 주로 사용해 왔다. 하지만 SMC는 Sliding Surface를 기준으로 Chattering 현상이 발생하는데 구동 속도가 빠른 일체형 전기유압시스템에 실제로 사용 하게 되면 시스템에 무리가 가서 시스템의 수명을 단축 시킬 수 있는 문제가 있으며 Feedback linearization 기법은 정확한 모델을 알아야 한다는 전제와 함께 온도에 따른 시스템 불확실성을 고려하지 않아서 제어 성능에 한계가 있다. 본 논문에서는 일체형 전기유압시스템의 수학적 모델을 수립하여 시스템 식별을 거친 뒤 유압 시스템의 구동부 위치 제어 성능을 저해하는 가장 큰 문제인 마찰 및 모델 불확실성을 보상하기 위해 비선형 외란관측기를 설계하고 외란관측기와 백스테핑 방법을 결합하여 시스템이 외란이 있음에도 강건성을 갖는 위치제어기를 설계하는 것을 최종적인 목표로 한다. 제안한 제어 알고리즘은 MATLAB & Simulink를 통해 사용하여 확인하였고 제안한 방법을 실험적으로 검증하기 위해 실험 환경을 구축하고 적용한 뒤 제어 성능을 검증한다.