Motivated by the idea of the time delay estimation used in the Time Delay Control (TDC), Time Delay Observer (TDO) is constructed firstly for nonlinear single-input single-output (SISO) plant in phase variable form in Chapter 1. Owing to this idea, TDO does not require a model, and hence is easy to design for nonlinear systems in the phase variable form, even when the plant dynamics is not well known. Not in-cluding a model, TDO turned out to be robust to parameter variations and computationally efficient; yet achieved better accuracy. For this observer, the convergence property and the sensitivity to sensor noise was analyzed. Then, in a simulation with a nonlinear plant, TDO achieved an accuracy level similar to sliding mode observer and better than a Kalman filter. Chapter 3 extends the TDO for nonlinear SISO plants in the phase variable form to MIMO plants. The extended TDO reconstructs the states of the plant expressed in the generalized observability canonical form (GOBCF), yet requiring neither the transformation of a plant, nor the real time computation of system nonlinearity. Consequently, when the TDO is used for several control schemes based on the transformed coordinates, the observer turned out to be computationally efficient and easy to design for nonlinear MIMO plants. In a simulation of a two-link manipulator with flexible joints, the control performances using TDO appeared to be similar to those using actual states and superior to those using numerical differentiation. Chapter 4 presents input/output linearization (IOL) method using TDC and TDO. This method enables the IOL method to plants when all the states of plant are not measurable or the measured plant output is very noisy. The designed control system requires neither an accurate plant model nor the real time computation of plant nonlinearity. Consequently, the proposed control algorithm turned out to be computationally efficient and easy to design for nonlinear plants. In a simulation for a second order nonlinear plant, the output followed desired response well and the control performance appeared to be superior to IOL using TDC and numerical differentiation. Also the experiment with a pneumatic servo system shows results consistent with those obtained from the simula-tion, and it was confirmed that the proposed control algorithm could be effectively used in a real closed-loop system. Finally, Chapter 5 verifies the theories of the previous three chapters with experiment on a robot trajectory control system. By this experiment, it is confirmed that that the TDO reconstructs the state reliably and TDO can be effectively used in a real closed-loop system.
시간지연 제어기법 (Time delay control: TDC)에서 사용되는 시간지연 추정방법을 기초로 하여, 먼저 본 논문의 1장에서는 위상변수 형태의 비선형 단일 입출력 계에 대하여 시간지연 관측기를 설계하였다. 이러한 시간지연 추정방법을 사용함으로써, TDO는 모델에 대한 정확한 정보를 필요치 않기 때문에 그 설계가 단순하고, 실제 구현을 했을 때 계산량이 매우 적으며, 플랜트의 매개변수 변화에 대하여 매우 강인한 성능을 갖는 특성을 지니고 있다. 한편, 제안된 TDO에 대하여 관측오차의 수렴성과 센서 잡음에 대한 민감성을 해석하였고, 2차 비선형계에 대한 모의실험을 통하여 제안된 관측기가 칼만 필터보다 더 우수하고, 슬라이딩 모드 관측기와는 비슷한 관측 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 3장에서는 단일 입출력 계에 대한 TDO의 결과를 일반적인 다입출력 계의 플랜트로 확장하였다. 확장된 TDO는 generalized observability canonical form (GOBCF)으로 표현된 플랜트의 상태변수를 추정하는데, 관측기의 설계에 있어서, 플랜트의 좌표 변환이나 시스템 비선형성의 실시간 계산량을 요구하지 않는다. 따라서, TDO는, 이러한 변환된 좌표를 기준으로 설계되는 제어기를 위하여 사용되었을 때, 설계가 쉽고 계산량면에서 효율적인 관측기의 특성을 갖는다. 한편, 2 자유도의 유연 관절을 갖는 로봇에 대한 모의실험을 통하여, TDO가 수치미분을 사용한 제어기에 비하여 매우 우수한 제어성능을 보임을 확인할 수 있었다. 4장에서는 TDC와 TDO를 사용한 입출력 선형화를 유도하였다. 이 방법은 모든 상태변수가 측정가능하지 않거나 측정된 플랜트의 출력에 매우 큰 잡음이 있는 경우에도 TDC를 사용한 입출력 선형화를 가능하게 한다. 또한 설계된 제어 시스템은 플랜트의 정확한 모델과 이에 대한 실시간 계산을 필요치 않는 장점을 지니고 있다. 제안된 제어 시스템을 2차 비선형 시스템에 대하여 모의실험을 하였는데, 그 결과로부터, 유도된 제어 시스템의 출력이 원하는 응답을 잘 따라가고 수치미분을 사용한 경우에 비하여 우수한 제어성능을 보임을 확인할 수 있었다. 그리고, 공압 서보 시스템에 대한 실험을 통하여 제안된 제어 알고리즘이 실제의 폐루프 시스템에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 마지막으로 5장에서는 이전 장까지의 결과를 로봇의 궤적 제어에 적용하였다. 이 실험을 통하여 제안된 TDO가 상태변수를 신뢰성있게 추정함을 볼 수 있었고, 실제 제어 시스템에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인할 수 이었다.
