CAN을 이용한 역진자 시스템의 시간지연 영향 분석 및 개선
Analysis and Improvement of Effects of Time-Delay in an Inverted Pendulum System Using CAN
- 발행기관 亞洲大學敎 大學院
- 지도교수 홍석교
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 산업대학원 정보전자공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 논문에서는 CAN 프로토콜을 이용하여 기존의 중앙집중형 제어시스템을 네트워크 기반의 제어시스템으로 전환하는 과정과 네트워크 기반 제어시스템을 구 성하는 각 노드들 사이의 통신과정에서 발생하는 시간지연의 영향 분석과 개선에 대하여 다루고 있다. 기존의 point-to-point 방식의 중앙집중형 제어시스템은 많은 배 선을 필요로 하고 시스템의 확장 및 유지 보수에 있어서 어려움이 많지만, 네트워 크 기반 제어시스템으로의 전환을 통해 이러한 문제점들을 해결할 수 있다. 그러나, 네트워크 기반 제어시스템은 여러기기들이 한정된 매체인 네트워크 버스를 공유하 기 때문에 데이터의 전송 중에 원치않는 시간지연이 발생할 수 있다. 특히, 표본화 주기보다 큰 시간지연의 발생은 시스템의 제어 주파수를 변경시켜, 결국 시스템을 불안정하게 만든다. 본 논문에서는 이러한 문제의 해결을 위해 시간지연에 의해 제어 주파수가 변경될 때 그 주파수에 맞는 LQ 제어 이득을 시스템에 제공하는 이득 계획기를 제안하였다. 이득 계획기는 상태궤환 이득값들이 표본화 주기의 증가에 비례하기 때문에 표본화 주기를 변수로 하는 1차 함수로의 표현이 가능하다. 이를 검증하기 위해 기존의 중앙집중형으로 구성되어 있던 역진자 시스템을 CAN 프로토콜을 이용해서 계측부, 제어부, 구동부로 이루어진 네트워크 기반 제어시스템 으로 전환하였고, 이득 계획기의 유무에 따른 역진자 수레의 위치 응답의 비교를 통해 이득 계획기를 사용한 역진자의 제어 성능이 향상된 것을 확인 할 수 있었다.
more초록/요약
This thesis presents a design progress of a networked control system through the controller area network (CAN) and the analysis and improvement of effects of time delay in the networked control system. Conventional implementation techniques with point-to-point connections induce many problems such as difficulty in maintenance and complexity of wiring. The networked control system framework reduces these problems, but makes another problem: time delay. Especially, time delay larger than one sampling period in a networked control system can change the control frequency of the system, and may cause the system to be unstable. To solve this problem, in this thesis, a gain scheduler is used for offering a suitable LQ control gain when the control frequency is changed. It is observed that the feedback control gains are proportional to the increase of sampling period; that is, the gain is a function of the sampling period. With this observation, it is found that the gain can be scheduled in terms of the resulting first-order algebraic equations. The proposed method is evaluated by comparing cart-position responses of an inverted cart pendulum with and without the gain scheduler. The inverted pendulum system is a networked control system in which the controller, sensors and actuators are connected through CAN. Experimental results show that cart-position responses with the gain scheduler are better in performance than those without the gain scheduler.
more목차
본문차례
제 1 장 서론 = 1
제 2 장 네트워크 기반 제어시스템 = 3
제 3 장 Controller Area Network = 4
3.1 CAN 프로토콜의 특성 = 4
3.2 CAN 인터페이스 구조 = 4
3.3 통신방식 = 5
3.3.1 Broadcast 통신방식 = 5
3.3.2 Remote request 통신방식 = 5
3.4 데이터 메시지 프레임 구조 = 7
3.5 전송중재 방식 = 7
3.6 전송시간 = 8
제 4 장 네트워크 시스템에서의 시간지연 영향 = 9
제 5 장 CAN을 이용한 역진자 제어시스템 = 11
5.1. CAN을 이용한 데이터의 교환 과정 = 12
5.2 Petri-Net을 이용한 시스템 분석 = 12
5.3 역진자 모델링 = 14
5.4 시간 지연이 고려된 역진자 모델링 = 16
제 6 장 제어기 설계 및 성능개선 = 17
6.1 Linear Quadratic Regulator를 이용한 상태 궤환 제어기 설계 = 17
6.2 이득 계획기 = 18
6.3 시간지연이 고려된 역진자 모델을 이용한 이득 계획기 = 20
6.4 저역 필터 = 22
제 7 장 실험 및 결과 = 23
7.1 시스템 구성 = 23
7.2 CAN에서의 데이터 통신 = 26
7.3 중앙집중형 제어시스템과 네트워크 기반 제어시스템의 성능 비교 = 27
7.4 시간지연에 따른 네트워크 기반 제어시스템의 성능 변화 = 27
7.5 이득 계획기를 이용한 역진자 시스템의 제어 = 30
7.6 시간지연이 고려된 이득 계획기를 이용한 역진자 시스템의 제어 = 31
7.7 시간지연이 랜덤(random)하게 발생했을 때의 역진자 시스템 제어 = 35
제 8 장 결론 = 37
참고문헌
ABSTRACT
