비선형 마찰력의 추정과 보상에 관한 연구
A Study on the Estimation and Compensation of Nonlinear Friction
- 주제(키워드) 비선형 마찰력 , 쿨롱 마찰력 관측기 , 퍼지 기초 함수 , 적응형 마찰력 관측기 , 역진자 시스템
- 주제(KDC) 569
- 주제(DDC) 621
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 홍석교
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 논문에서는 비선형 마찰력이 시스템에 미치는 영향을 분석하고, 비선형 마찰력이 시스템 응답에 나타나는 악영향을 제거하기 위한 방법에 대하여 논의한다. 비선형 마찰력이 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위하여 비선형 마찰력이 포함하고 있는 마찰력 요소들을 살펴본 후 여러 가지 마찰력 요소들을 동시에 표현할 수 있는 다양한 마찰력 모형을 정의한다. 정의된 비선형 마찰력 모형을 이용하여 스프링-질량체-마찰력 모형에 존재하는 비선형 마찰력에 의해 발생되는 예기치 않은 응답 특성을 살펴보며, 비선형 마찰력이 존재하는 불안정 다변수 시스템이 선형 안정화 제어기에 의해 제어될 때 발생하는 문제에 대해서도 분석해본다. 이러한 비선형 마찰력의 영향을 제거하기 위해서 비선형 마찰력 관측기를 이용한다. 마찰력 관측기로는 마찰력의 비선형적 요소 중 시스템에 가장 크게 영향을 주는 쿨롱 마찰력을 관측하기 위한 비선형 마찰력 관측기와 퍼지 기초 함수를 이용한 적응형 마찰력 관측기 두 가지가 제시된다. 비선형 마찰력에 의해 발생되는 시스템의 응답 성능의 저하를 해결하기 위하여 논의된 비선형 마찰력 모형과 그 특성을 바탕으로 설계된 쿨롱 마찰력 관측기와 퍼지 기초 함수 기반의 적응형 마찰력 관측기를 이용하여 비선형 마찰력에 의해 정상 상태에서 리밋 사이클 현상을 보이는 실제 역진자 시스템의 응답 성능 개선 효과를 실험을 통하여 증명한다.
more초록/요약
This thesis deals with the effects of nonlinear friction on a system and study methods that eliminate the negative effect on the system response. To analysis the effects of the nonlinear friction on a system, this thesis examine friction elements composing nonlinear friction and then define friction models that are able to express various friction elements. Using defined friction models, unexpected response due to nonlinear friction in spring-mass-friction model and problems generated when an unstable and multi-variable system captured by nonlinear friction is driven by a linear controller are studied. To remove these effects of nonlinear friction, nonlinear friction observers are introduced. Two friction observers are proposed. One of them is a Coulomb friction observer to estimate the Coulomb friction and the other is an adaptive fuzzy observer using fuzzy basis functions. The proposed compensation methods using the friction observer for nonlinear friction are validated by experiment using an inverted pendulum system having limit cycle in steady state. To remove these effects of nonlinear friction, nonlinear friction observer is introdued. Two friction observer is proposed. One of them is a Coulomb fricton observer to estimate the Coulomb friction and the other is an adaptive fuzzy observer using fuzzy basis functions. The proposed compensation methods using the friction observer for nonlinear friction are validated by experiment using an inverted pendulum system having limit cycle in steady state.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 2
1.2 연구내용 6
제 2 장 마찰력과 마찰력 모형 9
2.1 마찰력 요소 10
2.1.1 점성 마찰력(Viscous Friction) 11
2.1.2 쿨롱 마찰력(Coulomb friction) 12
2.1.3 정지 마찰력(Stiction) 12
2.2 마찰력 모형 13
2.2.1 정적 마찰력 모형(Static Friction Model) 13
2.2.2 동적 마찰력 모형(Dynamic Friction Model) 15
2.2.3 LuGre 모형(정적 마찰력 모형과의 관계) 16
제 3 장 비선형 마찰력이 존재하는 시스템의 응답 18
3.1 용수철-질량체-마찰력 모델 19
3.2 역진자 시스템의 동역학적 특성과 마찰력의 영향 24
3.2.1 비선형 마찰력이 존재하지 않는 역진자 시스템의 안정화 24
3.2.2 비선형 마찰력이 존재하는 역진자 시스템의 특성 27
제 4 장 마찰력 관측기 설계 및 마찰력 보상 32
4.1 비선형 마찰력 관측기를 통한 쿨롱 마찰력 관측 33
4.1.1 비선형 마찰력이 추가된 역진자 시스템의 선형 모델 33
4.1.2 쿨롱 마찰력 추정을 위한 비선형 관측기 34
4.2 퍼지 기초 함수를 이용한 적응형 마찰력 관측기 36
4.2.1 퍼지 기초 함수를 이용한 비선형 마찰력 정의 36
4.2.2 적응형 퍼지 마찰력 관측기 구현 41
4.2.3 추정된 마찰력을 이용한 마찰력 보상 알고리듬 47
제 5 장 모의실험 및 실험 52
5.1 실험 장치 설정 및 제어기 설계 53
5.2 실험 및 실험 결과 1 55
5.3 실험 및 실험 결과 2 66
5.3.1 관측기 성능 실험 67
5.3.2 가중치 벡터 실시간 업데이트를 통한 마찰력 보상 실험 68
5.3.3 가중치 벡터 사전 추정 후 마찰력 보상 실험 68
제 6 장 결 론 74
6.1 결론 75
참 고 문 헌 77
부 록(Appendix) 83
