[논문 리뷰] Disturbance Observer based Control of Integrating Processes with Dead-Time using PD controller

Sujay D. Kadam|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 30.

Advanced Control Systems Design참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 정착 시간, 이득 마진, 위상 마진 사양을 조합한 정착 시간, 이득 마진, 위상 마진 사양을 사용하여 통합형 플러스 사라진 시간(IPDT) 프로세스를 위한 PD 컨트롤러 튜닝 방법을 제안한다. 이는 정규 제어 성능을 향상시키기 위해 간섭 관측기를 도입한 것으로, 기존 방법에 비해 훨씬 높은 제어 신호 에너지 효율성과 간섭 제거 성능을 달성한다. ISE 및 IAE와 같은 성능 지표와 제어 신호 에너지가 크게 감소한다.

ABSTRACT

The work presented here addresses the issue of tuning PD controllers for controlling integrating plus dead-time (IPDT) processes using settling time and gain and phase margin specifications. Tuning formulae are derived for PD controller being used for controlling IPDT processes. Simulations have been carried out to determine the effectiveness of the tuning formulae. Also, comparison between proposed and the other existing tuning methods with respect to performance indices, time domain specifications and the control effort expressed in terms of control signal energy has been done. Effects of gain margin and settling time specifications on process output responses have been discussed. A PD controller cannot account for load disturbances. So, a disturbance observer is suggested for use along with the PD controller. Regulatory and tracking responses are then compared with respect to performance indices and control effort.

연구 동기 및 목표

• 안정성 마진이 낮고 시간 지연이 있는 통합형 플러스 사라진 시간(IPDT) 프로세스를 위한 PD 컨트롤러 튜닝 과제 해결.
• 주된 컨트롤러에서 적분 동작을 피함으로써 제어 노력 감소, 대신 간섭 관측기를 통해 부하 간섭을 처리.
• 제어 신호 에너지를 증가시키지 않고 효과적인 간섭 추정 및 제거를 통해 정규 제어 성능 향상.
• 정착 시간, 이득 마진, 위상 마진 등의 주파수 도메인 사양을 기반으로 체계적인 튜닝 절차 제공.
• 기존의 잘 알려진 튜닝 방법에 비해 서보 및 정규 제어 시나리오에서 뛰어난 성능을 보여줌.

제안 방법

• 이득 마진($A_m$), 위상 마진($\phi_m$), 정착 시간($T_s$)을 설계 사양으로 사용하여 PD 컨트롤러의 해석적 튜닝 규칙 유도.
• 위상 및 이득 교차 주파수를 사용하여 방정정식 (9) 및 (12)를 통해 컨트롤러 파rameter($K_{c_{PD}}$, $T_{d_{PD}}$)와 주파수 도메인 기준 간의 관계 수립.
• 부하 간섭을 추정하고 상쇄하기 위해 이득 $K_c$를 갖는 간섭 관측기 도입, 실제 출력과 모델 출력의 차이를 이용.
• 모델 기반 관측기 구조를 사용하여 $\widehat{D}(s) = K_c[Y(s) - Y_M(s)]$로 표현하며, 완벽한 모델링을 위해 $G_M(s) = G_I(s)$ 를 가정.
• 제어 신호 에너지를 제어 노력 평가 지표로 사용하여 다양한 방법 간 성능 비교.
• PD 컨트롤러와 병렬로 간섭 관측기를 적용하여 명시적 성능를 유지하면서도 간섭 제거 성능 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이득 마진, 위상 마진, 정착 시간 사양을 기반으로 한 PD 컨트롤러 튜닝이 IPDT 프로세스의 성능 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ2 기존 방법(Wang-Cluett, Sree-Chidambaram, Ali-Majhi)과 비교해 볼 때, 제안된 튜닝 방법은 시간 도메인 응답 및 제어 노력 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 간섭 관측기가 제어 신호 에너지를 증가시키지 않으면서 정규 제어 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 고정된 위상 마진 조건에서 이득 마진 또는 정착 시간 사양의 변화가 폐쇄 루프 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 PD 컨트롤러에 간섭 관측기를 결합한 성능은 서보 및 정규 제어 시나리오에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 제안된 PD 튜닝 방법은 서보 및 정규 제어 시나리오에서 제어 신호 에너지가 211.4로, Wang-Cluett(425.6) 및 Ali-Majhi(5743) 방법보다 현저히 낮게 달성된다.
• 정규 제어에서 제안된 방법은 ISE 0.03과 IAE 1.002를 달성하여, Ali-Majhi의 (ISE: 1.259, IAE: 5.842) 및 Sree-Chidambaram의 (ISE: 1.4518, IAE: 6.526)를 능가한다.
• 간섭 관측기는 간섭 발생 시에만 작동하므로 추가 제어 노력 없이도 효과적인 간섭 제거를 가능하게 한다.
• 기존 방법보다 더 빠른 정착 시간을 달성하면서도 원하는 위상 마진과 이득 마진를 유지한다.
• 제어 신호 에너지 측면에서 제안된 방법은 서보 및 정규 제어 시나리오 전반에서 다른 방법보다 일관되게 낮다.
• 제안된 방법은 이득 마진 및 정착 시간 사양의 변화에 대해 강건하며, 고정된 위상 마진 조건에서 예측 가능한 응답 행동을 보인다.