The robust control method is required for controlling nonlinear systems. For example, the control of robotic excavator is difficult from the standpoint of the following problems: parameter variations in mechanical structures, various nonlinearities in hydraulic actuators, and disturbance due to the contact with the ground. In mechanical structures, the inertial force and gravitational force varies largely with joint motions. Hydraulic actuators, massively coupled and complexly connected, have various nonlinear components. For such reasons, the robust controller is required for obtaining the good control performance in nonlinear systems.
Recently the Time Delay Control with Switching Action (TDCSA) method has been proposed as a promising technique in the robust control area, where the plant has unknown dynamics with parameter variations and substantial disturbances are present. More specifically, TDCSA consists of time delay control (TDC), which estimates the amounts of an unknown nonlinear dynamics and unexpected uncertainties and cancels it, and a switching action based on sliding mode control (SMC). The switching action, the discontinuous input of sliding mode control, keeps the tracking errors, which is occurred by the time delay estimation error, on the predefined sliding surface and improves the robustness. Its effectiveness has been demonstrated through a DC motor and a linear motor.
This thesis attempted to remedy the problems of TDCSA using an integral sliding surface and to show the excellence of this controller. Firstly, when TDCSA is applied to nonlinear system having saturation element and high frequency resonances, TDCSA reveals two problems: the one is windup problem and other is chattering problem or undesired vibration. These two problems should be solved. Secondly, the effectiveness of TDCSA has been shown through experiments on simple nonlinear system like as motors. So experiments on highly nonlinear systems are necessary to show the excellence of TDCSA using an integral sliding surface.
Firstly, the windup problem of TDCSA using an integral sliding surface results from the inherent two integral effects in this controller: the integral effect of time delay estimation and the integral term of the integral sliding surface. So we proposed the anti-windup schemes for the two integral effects, respectively. For compensating the integral effect of the time delay estimation, we used the existing anti-windup scheme of TDC. We proposed new reset sliding surface for the windup effect of the sliding variable. Through experiments on a SCARA-type robot, we showed that the windup phenomenon exists in TDCSA using an integral sliding surface and the proposed compensators are effective enough to overcome this windup problem.
Secondly, the undesired vibration and chattering problem of TDCSA using an integral sliding surface come from the switching action and high gains. Fast sliding mode dynamics or fast desired error dynamics improve the control performance, but excite the unmodeled resonance modes and cause undesired vibration or chattering. To solve this problem, we proposed a integral sliding surface design method using frequency-shaping features. This method is to incorporate frequency-shaping LQ design techniques into an integral sliding surface. By experimental results, the frequency-shaped integral sliding surface was shown to be a practicable for a single-link flexible arm. Motion control of a single-link flexible arm with unmodeled flexible modes was taken into account. The desired trajectory was tracked while minimally exciting the unmodeled flexible modes.
Finally, to control of a heavy-duty robotic excavator, TDCSA using an integral sliding surface was proposed. A heavy-duty robotic excavator has parameter variations in mechanical structures, various nonlinearities in hydraulic actuators, and disturbance due to the contact with the ground. This controller was applied to control a straight-line motion of a 21-ton hydraulic excavator. Through experiments, we showed that TDCSA using an integral sliding surface is effective enough to control a 21-ton robotic excavator or a nonlinear system; and that our proposed control achieves better tracking performances than an expert operator does. Considering that the experiments have been made over a broad motion range, under realistic working speed conditions, and on task surfaces with various inclines, we can confirm the validity of TDCSA using an integral sliding surface.
Consequently, in this thesis, the problems of TDCSA using an integral sliding surface were analyzed. By solving these problems, we can improve the TDCSA controller. In addition, the effectiveness of TDCSA using an integral sliding surface was verified through experiments on a highly nonlinear 21-ton robotic excavator. We can confirm the excellence of TDCSA controller.
비선형 시스템을 제어 시에 강인 제어기법이 요구된다. 예로서, 비선형 시스템인 굴삭기를 제어 시에 상당한 어려움이 존재한다. 굴삭기는 작업 중에 관절각의 변화에 따라서 관성력 및 중력이 크게 변화하고, 굴삭기의 유압 회로는 복잡하고 다양한 비선형을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 굴삭기는 실제 환경과 접촉하여 예측 못한 다양한 외란들이 발생한다. 이런 비선형 시스템을 제어하여 좋은 성능을 얻기 위해서는 강인 제어기법이 요구된다.
최근에 강인 제어 기법으로서 TDCSA (Time delay control with switching action)가 제안되었다. 이 제어기법은 TDCSA는 플랜트의 예측못한 외란과 잘 모르는 비선형 동역학의 양을 시간지연으로 추정하여 보상하는 시간지연을 이용한 제어기법 (Time Delay Control) 과 슬라이딩 모드 제어기법의 스위칭 액션으로 구성되어 있다. 여기서, 스위칭 액션은 슬라이딩 모드 제어기법에서 사용되는 불연속제어 입력이고, 추종 오차를 시간지연을 이용한 제어기법의 원하는 오차 동역학과 일치하는 적분형 슬라이딩 면 위로 보낸다. 그리고, 이 제어기의 성능은 모터의 경로 제어 실험을 통하여 입증되었다.
하지만, TDCSA 제어기법을 포화요소가 있는 시스템 또는 고주파 진동 모드를 가지고 있는 시스템에 적용할 때 문제점이 발생되었다. 먼저 포화요소가 있는 시스템에 TDCSA제어기법을 적용 시에, TDCSA의 적분 요소들과 포화요소가 결부해서 와인드업 (windup) 현상이 발생된다. 그리고, 고주파 진동 모드를 가지고 있는 시스템에 적용 시에 원하지 않는 진동 또는 떨림 현상이 발생되는 문제점이 있다. 이 두 개의 문제점에 대한 분석 및 해결책이 필요하다. 그리고, 비선형 시스템인 유압 굴삭기를 제어하기 위해서는 강인한 제어기가 필요하다. 이로서 TDCSA 제어기법을 굴삭기 제어에 적용하여 제어기법의 성능을 확인하고자 한다.
먼저 TDCSA 제어기법에서 발생되는 와인드업 현상을 분석하였다. 이때 TDCSA에는 2가지 적분요소가 있었다. 시간지연을 이용한 제어기법의 시간지연추정항과 슬라이딩 변수의 적분항이다. 이 2개의 적분 요소가 구동기의 포화요소와 결부해서 와인드업 현상이 발생된다. 이에 대한 해결방안으로서 시간지연추종항에 대한 와인드업 현상 보상기는 기존의 시간지연을 이용한 제어기법의 와인드업 방지 기법을 적용하여 해결하였고, 슬라이딩 변수의 적분항에 의하여 발생되는 와인드업 현상은 새로 제안된 슬라이딩 면 재구성 방법 (reset sliding surface) 방법으로 해결하였다. 그리고, Input-to-state stability 이론을 이용하여 전체 시스템이 안정하다는 것을 보였다.
두 번째로 모델링되지 않은 고주파 모드의 불확실성이 상존하는 실제의 제어환경 하에서 TDCSA를 적용할 경우, 제어입력의 고차모드에 대한 영향으로 인하여 원하지 않는 진동 및 떨림 (chattering) 현상이 발생한다. 이 진동 및 떨림을 방지하기 위하여 주파수 성형 기법을 이용하였다. 주파수 성형 기법을 이용하여 고주파 진동 모드를 자극시키지 않는 적분형 슬라이딩 면을 설계하였다. 고주파 진동 모드를 가지는 유연 관절 링크에 적용하여 주파수 성형된 적분형 슬라이딩 면이 고주파 진동 모드를 자극시키지 않는 실용적인 슬라이딩 면임을 보였다.
마지막으로 TDCSA의 제어성능을 확인하기 위하여 21톤의 유압 굴삭기에 적용하였다. 굴삭기 작업 중에 일정각 굴삭 작업을 다양한 경사면과 환경과 비접촉/접촉한 상태에서 실험을 수행하였다. 이 실험결과에 의하면 TDCSA는 21톤 유압 굴삭기를 제어하기에 효과적임을 알 수 있고, 뿐만 아니라 숙련된 작업자가 수행하는 성능 보다 좋은 성능을 얻었다.
결론적으로 TDCSA에서 발생되는 문제점들이 분석되었고, 이 문제점을 해결함으로써 TDCSA 제어기법의 성능을 향상시켰다. 그리고, 비선형 시스템인 21톤 유압 굴삭기를 효과적으로 제어함으로써 TDCSA 제어기법이 강인 제어기법임을 확인할 수 있었다.
