양자거동을 모사한 분산형 입자 군집 최적화 기반 고정구조 강인제어기 설계에 관한 연구 :A study on the fixed-structure robust controller design based on a quantum inspired distributed particle swarm optimization

송동호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 송동호 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 金泰亨

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2013

양자거동을 모사한 분산형 입자 군집 최적화 기반 고정구조 강인제어기 설계에 관한 연구

송동호 機械工學科 2013.01 학위논문

2012

양자거동 메커니즘이 적용된 분산형 입자군집최적화 기법을 이용한 고정구조 강인제어기 설계에 관한 연구

송동호 , 김태형 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 2012.04 학술대회자료

2011

감쇠동흡진기의 최적설계

송동호 , 김영탁 , 김태형 대한기계학회 춘추학술대회 2011.11 학술대회자료

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본 연구에서는 메타 휴리스틱 기법을 이용하여 종래의 방법들 보다 용이하며 뛰어난 안정성과 적용성을 바탕으로하는 고정구조 강인제어기 설계 기법에 관한 연구를 수행하였고, 다수의 H_∞ 성능 지표와 시스템의 내부 안정성에 관한 제약조건을 동시에 만족시키는 고정구조 강인제어기의 설계 방법론에 대해 제안하였다. 이를 위해, 첫 째로 본 연구에서는 광역탐색 능력과 국소탐색 능력의 적절한 조화를 바탕으로 종래의 입자 군집 최적화 알고리즘의 성능을 크게 향상시킨 새로운 알고리즘을 개발하였다. 먼저 광역탐색 능력의 신장을 위해, 순환 네트워크 형상에 기반한 이웃 구조를 입자 군집에 적용하였다. 이는 입자들의 정보교환이 기존의 방법에서는 단 하나의 최적 입자와만 이루어졌던 것과 달리, 특정 이웃 구조내에서 상호적으로 이루어지게 함으로써, 입자들의 다양성을 증진시켰고, 그 결과 국소 최적해에 조기수렴 하는 현상을 크게 완화하였다. 한편, 본 연구에서는 입자 군집 최적화 알고리즘의 국소탐색 능력의 개선을 위해서 양자이론에 기반한 자손입자 생성 메커니즘을 도입하였다. 이 메커니즘의 가장 주된 역할은 국소 영역에서 집중적인 탐색 능력을 발휘하여 국소탐색 능력을 강화하는 것인데, 이외에도 부가적으로 앞서 언급한 순환 네트워크 형상에 기반한 이웃 구조의 도입에 기인하여 발생하는 과도한 입자들의 발산을 예방하는 효과도 있다. 또한, 제어 성능에 관련된 다수의 제약조건을 다루기 위해 가상 목적함수를 이용하는 2상 제약조건 처리 기법을 도입하였다. 이는 종래의 제약조건 처리기법에서 빈번하게 사용하던 문제에 의존하는 변수, 예를 들면, Lagrangian multiplier 혹은 Penalty factor, 를 전혀 이용하지 않는다는 이점을 갖고있다. 한편, 본 연구에서 제안하는 고정구조 강인제어기 설계 기법의 광범위한 적용가능성을 입증하기위해 3개의 전형적인 제어기 설계 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 통해 본 설계 기법의 뛰어난 안정성을 확인하였다. 마지막으로, 본 연구에서 제안하는 고정구조 강인제어기 설계 기법을 실제 시스템을 통하여 검증하기 위해 자기부상 시스템의 강인 PID 제어기 설계에 적용하였다. 이 과정에서, 제어기 설계를 위한 자기부상 시스템의 수리모델을 획득하기 위해 본 연구에서 제안한 Hybrid CNT-CPSO 알고리즘 기반 직접 시스템 식별을 수행하였고, 획득한 수리모델을 바탕으로 강인 PID 제어기를 설계하였다. 상용 소프트웨어 MATLAB & Simulink의 Robust Control Toolbox를 바탕으로 동일한 수리모델에 관하여 설계한 강인제어기와 그 성능에 대하여 비교 분석하였고, 이를 통해 본 연구에서 제안하는 Hybrid CNT-CPSO 알고리즘 기반 고정구조 강인제어기 설계 기법의 우수한 성능을 입증하고자 한다.

In this research, an easy-to-use design methodology for fixed-structure robust controller which satisfies both multiple H_∞ performance indices and internal stability simultaneously based on meta-heuristic approach with remarkable reliability and validity is proposed. For this purpose, a novel particle swarm optimization algorithm improving the overall particles’searching ability by well balancing between exploration and exploitation ability is firstly developed. From the exploration perspective, a cyclic-network topology based neighborhood structure is incorporated to reduce the possibility of particles to be trapped into local optima. This local social learning from their respective neighborhood instead of only one global best particle in the swarm results in an advancement of particles’diversity and thus enhances the algorithm with high reliability. Also, from the consideration of exploitation point of view, a quantum principle-based offspring creation mechanism is adopted. This quantum behaved technique contributes to mainly enhancing intensive searching ability in a local region and additionally preventing from an algorithm failure due to excessively diverse exploration by adopting social neighborhood structure mentioned before as well. Next, a simple 2-phases constraints handling technique utilizing concept of virtual objective function is adopted in order to handle given multiple control performance specifications. This method does not introduce any additional problem-dependent variables such as coefficient of Lagrangian multiplier or Penalty factor. Meanwhile, typical three numerical examples are studied, and its results are compared with conventional researches’to show the applicability of the proposed methodology to the synthesis of fixed-structure robust controllers. These clearly proved that the developed design scheme provides a powerful impetus with remarkable reliability to fixed-robust controller synthesis. Finally, in order to verify the proposed design scheme in a real application, H_∞ robust PID controller design for magnetic levitation system is conducted. In this process, direct system identification is carried out by also using proposed hybrid CNT-CPSO algorithm to get a mathematical model of magnetic levitation system. Then, the proposed optimization-based robust controller design process is performed. The experimental results of designed controller are compared with those of Robust Control Toolbox (MATLAB & Simulink) based one to demonstrates the considerable effectiveness and wide validity of proposed fixed-structure robust controller design scheme based on hybrid CNT-CPSO algorithm.

제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 관련 연구 최근 동향 3
1.3 연구의 필요성 및 목표 6
제 2 장 고정구조 강인제어기 설계 문제의 정식화 9
2.1 고정구조 강인제어기 설계 문제의 정식화 9
제 3 장 Hybrid CNT-CPSO 알고리즘 12
3.1 제약조건을 갖는 최적화 문제의 기술 14
3.2 입자 군집 최적화 (PSO) 알고리즘 15
3.3 Hybrid CNT-CPSO 알고리즘 19
3.3.1 Constraint Handling 메커니즘 19
3.3.2 Cyclic Network Topology based neighborhood 구조 22
3.3.3 Quantum-Infusion 메커니즘 25
3.3.4 고정구조 강인제어기 설계에의 적용 29
제 4 장 고정구조 강인제어기 설계 시뮬레이션 30
4.1 설계 시뮬레이션 1 31
4.2 설계 시뮬레이션 2 37
4.3 설계 시뮬레이션 3 43
4.4 고찰 48
제 5 장 자기부상 시스템의 강인 PID제어기 설계 57
5.1 자기부상 시스템의 모델링 및 선형화 59
5.2 Hybrid CNT-CPSO 알고리즘 기반 자기부상 시스템의 식별 61
5.3 강인 PID제어기의 설계 68
5.4 검증 72
제 6 장 결 론 75
참고 문헌 77
국문 초록 83
ABSTRACT 85

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