공압 시스템의 위치 제어 및 고장 허용 제어에 관한 연구

Abstract

현대의 산업에서는 고 정밀성, 반복 작업, 대량생산, 위험 작업 등의 요구되는 요소들이 증대됨에 따라 기계의 사용이 필수화 되었다. 기계의 사용이 없이는 수익을 내는 것이 매우 힘들거나 혹은 목적을 달성하는 것 자체가 불가능한 경우가 대다수이다. 이러한 상황들로 인하여 기계 시스템은 점점 발달되며 복잡해지고 있다. 이러한 기계 장비들은 센서와 액추에이터의 조합으로 이루어지며, 이에 대한 작동 방식이나 제어 방법에 대한 연구가 활발히 진행되었다.

기계 시스템의 제어는 물론 알고리즘을 수행하는 제어기도 중요하지만, 시스템의 물리량을 측정하는 센서의 사용은 필수적이다. 고성능의 센서일수록 제어의 성능도 향상되며, 따라서 지금에 이르러서의 센서는 매우 정밀하지만 동시에 복잡한 구조를 갖고 있다. 이러한 복잡한 구조는 반드시 고장의 우려를 증대시킬 수밖에 없는데, 따라서 이에 대한 대책의 필요성이 대두되고 있다. 센서의 고장은 육안으로 판별할 수 없으며, 보통 그 사용되는 수가 많기 때문에 점검을 통한 예방이 매우 어렵다. 센서 고장으로 인한 시스템의 제어 불능은 심각한 안전 위협을 초래하거나 막대한 손실을 초래할 수 있다. 따라서 센서의 이런 고장 상황 시에도 이를 판별하고 대처하는 방안이 필요하다.

본 논문에서는 공압 로드리스 실린더를 특정하여 모델링하며, 모델링된 시스템을 기반으로 한 고장 진단 및 고장 허용 제어 전략을 제안하였고, 도출된 결과는 다음과 같다.

1. 공압 로드리스 실린더에 대한 수학적인 모델링 과정을 수행하고, 완성된 시스템 모델의 타당성을 확인하였다.

2. 시스템 제어를 위한 백스테핑 기반 제어기를 설계하였으며, 확장 상태 관측기를 설계하여 시스템 상태 값을 추정하고 제어 성능을 향상시켰다.

3. System Reconfiguration Scheme 개념을 적용한 고장 허용 제어(FTC) 알고리즘을 추가하여, 센서의 이상 상황에도 제어 목표를 달성할 수 있게 하였다.

4. 최종적으로 구축된 제어 시스템을 MATLAB/Simulink 프로그램을 통하여 구축하였고, 시뮬레이션 수행을 통해 제안한 제어 전략이 잘 수행되었음을 검증하였다.