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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김영덕 (경상대학교, 경상국립대학교 대학원)

지도교수
이호성
발행연도
2022
저작권
경상대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수19

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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A rotary motion control system inherently contains plant uncertainties such as unmodeled dynamics, nonlinear friction, plant parameter changes, and external disturbances. Precise motion control requires not only fast response time, high accuracy, and high precision, but also robust performance against internal uncertainties and external disturbances. This implies that the motion control system should follow quickly and precisely the reference command, and compensates adequately for various uncertainties and disturbances.
It is well known that the PID controller has limited capabilities in suppressing steady-state errors, compensating external disturbances and unmodeled nonlinear dynamics, following the prescribed trajectory, and so on. In order to compensate unmodeled nonlinear dynamics such as Coulomb and static friction, we added a friction compensator based on friction modeling and verified its effectiveness against nonlinear friction components through simulations and experiments. In order to provide robustness to the motion control system, we have included the disturbance observer (DOB) that is effective against rotary inertia changes, step and sinusoidal external disturbances.
For precise track-following performance, we designed and tested two kinds of feedforward tracking controllers: the zero phase error tracking controller (ZPETC) and the zero phase error tracking controller-alternative (ZPETC-alt). Since ZPETC and ZPETC-alt are not robust against internal and external disturbances, we have added the disturbance observer in the feedback loop and tested their performance under various conditions through simulations and experiments.
In order to achieve the ultimate tracking performance of the rotary motion control system, we designed the high-performance position controller (HPPC) that includes the PID controller, the friction compensator, the disturbance observer and the zero phase error tracking controller. We have verified its excellent tracking performance by simulations and experiments. This confirms that the combination of purpose-designed controllers can perform better than a single general purpose controller such as the PID controller.

목차

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 및 필요성 2
1.3 이론적 배경 3
1.3.1 제어 정의 및 목적 3
1.3.2 제어 일반 3
1.3.3 제어 문제점 5
1.3.4 제어기 설계 확장성 5
제 2 장 회전운동 시스템 7
2.1 모델링 기법 7
2.2 회전운동 모델링 8
2.3 직류 서보모터 모델링 8
2.4 마찰력 9
2.5 Quanser Qube Servo2 model 10
2.5.1 구조 및 작동원리 10
2.5.2 시스템 모델링 12
2.5.3 시스템 매개 변수 식별 14
2.5.4 마찰력 모델링 17
제 3 장 회전운동 위치 제어시스템 제어 20
3.1 PID 제어기 20
3.1.1 배경 20
3.1.2 구조 및 설계 21
3.1.3 제어이득 조정 23
3.1.4 디지털 제어 24
3.1.5 성능평가 28
3.1.6 PID 제어기 설계와 성능평가에 대한 고찰 30
3.2 마찰 보상기 31
3.2.1 배경 31
3.2.2 구조 및 설계 31
3.2.3 성능평가 33
3.2.4 마찰 보상기 설계와 성능평가에 대한 고찰 34
제 4 장 외란 관측기 설계 및 성능평가 35
4.1 배경 35
4.2 2 자유도 제어기 36
4.3 외란 추정 이론 37
4.4 구조 및 설계 39
4.5 성능평가 43
4.5.1 외란 추정과 보상 43
4.5.2 관성 모멘트 감소 및 마찰 보상기 효과 45
4.5.3 외부 힘 외란 입력 47
4.5.4 외부 위치 외란 입력 51
4.6 외란 관측기 설계와 성능평가에 대한 고찰 55
제 5 장 피드 포워드 추적제어기 설계 및 성능평가 56
5.1 배경 56
5.2 피드백 제어 56
5.3 피드 포워드 제어 57
5.3.1 완전 추적제어 57
5.3.2 ZPETC (zero phase error tracking control) 60
5.3.3 ZPETC-alt (zero phase error tracking control-alternative) 63
5.4 목표궤적 67
5.5 구조 및 설계 69
5.6 성능평가 70
5.6.1 목표궤적 전이 시간 변화 70
5.6.2 관성 모멘트 감소 및 마찰 보상 효과 72
5.6.3 외부 힘 외란 입력 76
5.6.4 외부 위치 외란 입력 80
5.6.5 ZPETC-alt 성능평가 82
5.7 외란 관측기와 ZPETC 제어성능 비교 84
5.8 피드 포워드 추적제어기 설계와 성능평가에 대한 고찰 91
제 6 장 고성능 위치제어기 설계 및 성능평가 92
6.1 목적 92
6.2 구조 및 설계 93
6.3 성능평가 94
6.3.1 관성 모멘트 감소 94
6.3.2 다양한 형태의 외부 외란 입력 96
6.4 제어기 확장 단계별 성능 비교 98
6.5 고성능 위치제어기 설계와 성능평가에 대한 고찰 109
제 7 장 결론 및 향후 과제 110
7.1 결론 110
7.2 향후 과제 111
참고문헌 113
부 록 119

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