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dc.contributor.advisor Chang, Pyung Hun -
dc.contributor.author Lee, Jun Young -
dc.date.accessioned 2017-04-26T01:45:31Z -
dc.date.available 2016-05-18T00:00:00Z -
dc.date.issued 2013 -
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1306 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002262491 -
dc.description.abstract This thesis presents a design method of robust Proportional-integral-derivative (PID) control by using backstepping control with time delay estimation (TDE) and nonlinear damping. PID controllers are widely used as feedback control in many industrial control system fields. The structure of a PID control is simple and consists of three terms that include a proportional gain, an integral gain and a differential gain. The control makes its desired output by assigning PID gains that are required to control systems precisely after calculating the error between the desired input and output of systems. Gains of PID control have definite physical meaning. If these gains are tuned carefully, acceptable performance can be obtained since steady-state error and transient response are improved simultaneously. To select PID gains, many previous studies investigated methods of tuning PID control gains to get good performance. Methods of tuning gains are selected on the analytical basis of closed-loop stability and performance. Since PID controllers are linear models and many studies deal with linear plants, it is very difficult to select PID gains for nonlinear plants. Although many previous studies have been conducted such as Fuzzy control and optimal control, the methods proposed in these studies are very difficult and theoretically complex. As a result, PID gains are usually tuned heuristically. A systematic method was proposed by Chang et al. to select gains of robust PID control for nonlinear plants by using second-order controller canonical forms in discrete PID controllers from the viewpoint of a sampled-data system. In that study, although the plant model was unknown, the method was enabled to determine robust PID gains by using time delay control (TDC) when the plant has second-order controller canonical form and when TDC and PID controls are conducted in discrete time domain. Due to the equivalence to TDC, the gains of PID control were determined.TDC is a simple and effective technique for estimating system nonlinearities and uncertainties. This method uses the time delayed signal of system variables to estimate uncertainties of a system. While TDC has the advantage of requiring no prior knowledge of the system model, it also has the disadvantage of time delay estimation (TDE) error due to hard nonlinearities. It degrades the system stability and performance. When PID gains are tuned by using TDC with a system that has hard nonlinearities, system stability and performance cannot be guaranteed. To overcome TDE error and guarantee the stability of a system,backstepping control with TDE and nonlinear damping was proposed. Based on this method, in this paper, the equivalent relationship between PID control and backstepping control with TDE, nonlinear damping will be presented to select PID gains efficiently. While general PID controllers have constant gains, the proposed PID controller has variable PID gains due to nonlinear damping that uses the feedback state. In addition, the gains of the proposed PID control will be analyzed to identify the characteristics of the purposed controller. Since the proposed PID control uses the equivalent control method by backstepping control with TDE and nonlinear damping, it has the enhanced control performance and stability with respect to the difficulties presented above. ⓒ 2013 DGIST -
dc.description.tableofcontents Ⅰ. INTRODUCTION 1
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1.1 Motivations and objects 1
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1.2 Dissertation structure 4
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Ⅱ. Preliminaries 5
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2.1 Target System and Control Objective 5
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2.2 Preliminaries 6
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2.2.1 Backstepping control 6
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2.2.2 Time Delay Estimation (TDE) 7
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2.2.3 Nonlinear damping 9
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2.3 Backstepping control with TDE , nonlinear damping 11
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2.3.1 Outline 11
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2.3.2 Control design 12
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2.3.3 Stability analysis 16
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Ⅲ. The Design of Variable PID Control and Overviews 21
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3.1 Introduction 21
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3.2 The design of variable PID control 22
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3.2.1 PID control in the discrete time domain 22
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3.2.2 Backstepping control with TDE, nonlinear damping in discrete time domain 24
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3.2.3 The Relationship between PID control with Backstepping control with TDE, nonlinear damping in discrete time domain 25
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3.2.4. A constant dc-bias vector uDC 27
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3.3 Consideration of variable structure PID control 28
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3.4 Comparison with the previous study 30
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3.5 Simple method to design proposed PID control by the previous study 32
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3.6 Conclusion 33
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Ⅳ. Simulation 34
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4.1 Introduction 34
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4.2 One-link robot manipulator 34
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4.2.1 Simulation setup 34
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4.2.2 Design of controllers 36
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4.2.3 Simulation results 37
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4.3. Two-link robot manipulator 43
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4.3.1 Simulation setup 43
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4.3.2 Design of controllers 45
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4.3.3 Simulation results 47
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4.4. Conclusion 58
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Ⅴ. Experiment 59
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5.1 Introduction 59
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5.2 Experiment 59
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5.2.1 Experimental setup 59
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5.2.2 Design of controllers 61
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5.2.3 Experimental results 64
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5.3 Conclusion 77
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Ⅵ. Conclusion 78
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dc.format.extent 89 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject PID control -
dc.subject backstepping control -
dc.subject nonlinear damping -
dc.subject time delay estimation (TDE) -
dc.subject PID 제어기 -
dc.subject 시간 지연을 이용한 추정(TDE) -
dc.subject 비선형 댐핑(Nonlinear damping) -
dc.subject 백스테핑(backstepping) 제어 -
dc.subject PID control -
dc.subject backstepping control -
dc.subject nonlinear damping -
dc.subject time delay estimation (TDE) -
dc.subject PID 제어기 -
dc.subject 시간 지연을 이용한 추정(TDE) -
dc.subject 비선형 댐핑(Nonlinear damping) -
dc.subject 백스테핑(backstepping) 제어 -
dc.title A Design Method of Robust PID Control by Using Backstepping Control with Time Delay Estimation and Nonlinear Damping -
dc.title.alternative 시간 지연을 이용한 추정과 비선형 댐핑을 이용하는 백스테핑 컨트롤을 기반으로 하는 강인 PID 컨트롤의 디자인 방법 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2262491 -
dc.description.alternativeAbstract 논문은 시간지연을 이용한 추정(TDE)과 비선형 댐핑(nonlinear damping)을 이용하는 백스테핑 컨트롤(backstepping control)을 기반으로 하는 강인 PID 컨트롤의 디자인 방법을 제안한다. PID 제어기는 귀환 제어기로서 많은 산업 컨트롤 시스템 분야에서 널리 사용되며 비례, 미분, 적분 이득으로 구성되어 있다. PID 제어기는 우리가 원하는 입력과 시스템 출력 사이의 오차를 이용하고, 시스템을 제어하기 위해 요구되는 이득 값을 선택해서 원하는 입력 값을 시스템의 출력 값이 되도록 한다.
PID 제어기의 이득 값은 시스템의 성능과 관련하여 물리적인 의미를 가지고 있으며, 이 이득값들이 잘 조절 되었을 때, 과도응답과 정상상태 오차가 동시에 잘 개선됨으로써 만족할만한 성능을 가지게 된다. 만족할만한 성능을 가지는 PID 제어기를 얻기 위해서 이득 값을 조절하는 것에 대한 많은 과거 연구가 이루어 졌다. 그러나 이들 연구는 대부분 선형 플랜트에서 진행되었으며 실제로 비선형 플랜트에서 이득 값을 선택하는 것은 어렵다. 비선형 플랜트에서도 PID 제어기를 구현하기 위한 많은 연구가 있지만 이들 연구에서 제안된 방법은 어렵고 이론적으로 복잡하며 때로는 안정성 분석에 대한 문제가 야기 된다. 그 결과, PID 이득 값은 체험적인 방법을 통하여 조절되는 것이 일반적이다. 이러한 문제에 대해, 디지털 시스템의 관점으로부터 비선형 플랜트에 대한 강건 PID 제어기의 이득 값을 선정하는 것에 대한 체계적인 방법이 제안되었다. 이 연구에서는, 플랜트의 모델을 정확히 알지 못함에도 불구하고, 플랜트가 이차 제어기 표준형으로 나타난다고 고려될 때, 제어기가 이산 시간 영역에서 실행된다면, 시간 지연을 이용한 제어기(TDC)를 이용해서 강건한 PID 제어기의 이득 값을 결정하는 방법이 제시되었다. 시간지연을 이용한 제어기와 PID 제어기의 등가 관계를 이용해서 PID 제어기의 이득 값이 결정 되었다. 시간지연을 이용한 제어기는 시스템의 비선형과 불확실성을 시간지연을 이용해 추정하는 간단하고 효율적인 제어기이다. 현재 시스템의 상태를 추정하기 위하여 한 단계 과거 시점의 시간에서 생성된 시스템 변수들의 정보를 이용하는 방법이다. 이 제어기는 시스템의 정확한 정보를 필요로 하지 않는 이점을 가지는 반면, 강한 비선형으로 인해 야기되는 시간 지연 추정에 의해 생기는 오차(TDE error)를 가진다는 단점 있다. 이 오차에 의해 시스템의 성능과 안정성이 저하된다. 문제는 강한 비선형을 가진 시스템에서 TDC 를 사용하여 PID 제어기의 이득 값을 구할 때, PID 제어기는 시간지연을 이용한 제어기(TDC)와 같은 특징을 가지게 되므로 시스템의 안정성과 성능이 보장되지 못하게 된다. 이러한 이유 때문에 이 연구에서는 시간지연 추정에 의해 생기는 오차(TDE error)를 상쇄시키고 제어기의 생성과정에서 안정성을 보장하는 시간 지연을 이용한 추정(TDE)과 비선형 댐핑(nonlinear damping)을 포함하는 백스테핑 제어기(backstepping control)를 이용한다. 이 제어기를 이용하여 우리는 등가의 PID 제어기를 구현하였고, 백스테핑 방법을 기반으로 하는 제어기의 파라미터를 이용하여 등가 PID 제어기의 이득 값들을 구성하였다. 따라서 PID 제어기는 강한 비선형에도 안정성이 보장되는 우수한 특징을 가지게 되었으며, 비선형 시스템에서 PID 제어기의 이득 값을 조절하는 것에 대한 문제를 해결하게 되었다. 또한, 제안된 PID 제어기는 비선형 댐핑에 의해서 가변 이득을 가지게 되며, 이는 시스템의 파라미터 변화와 외란에 강하다는 장점을 가지게 된다. 따라서 이 논문에서는 시간 지연 추정과 비선형 감쇠를 이용하는 백스테핑 제어기를 간단히 언급하고, 이를 이용해서 등가의 PID 제어기를 구성하고 제어기의 이득 값들을 구할 것이다.
또한, 제안된 PID 제어기에서 이득 값들의 크기와 형태를 분석할 것이며, 추가적으로 시간지연을 이용한 제어기(TDC)를 이용한 PID 제어기와 이 논문에서 제안된 PID 제어기를 비교할 것이다. 이러한 내용들은 모의실험과 실험을 통하여 증명 된다. ⓒ 2013 DGIST
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dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Moon, Jeon Il -
dc.date.awarded 2013. 2 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2016-05-18 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 로봇공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Jun Young -
dc.contributor.affiliatedAuthor Chang, Pyung Hun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Moon, Jeon Il -
dc.contributor.alternativeName 이준영 -
dc.contributor.alternativeName 장평훈 -
dc.contributor.alternativeName 문전일 -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Master

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