DC 모터의 고정밀 속도 서보제어를 위한 모델 예측 제어기 설계
Model predictive controller design for precise speed servo control of DC motors
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초록
본 연구에서는 DC 모터의 정밀한 속도 서보제어를 구현하기 위해 모델 예측 제어기(Model Predictive Controller; MPC)를 설계하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 검증한다. MPC는 매 샘플링 주기(sampling period)마다 일정 구간의 제어입력을 설계하고, 이 입력에 의한 특정 구간의 미래 출력을 예측하고 평가한다. MPC는 매 샘플링 주기마다 이러한 반복적인 과정을 거쳐 주어진 제약 조건을 만족하면서도 설정한 평가함수를 최소로 하는 최적의 제어입력을 계산해 제어대상에 인가한다. 따라서 제어대상 모델의 불확실성이나 파라미터 변동, 외란 등에 의한 영향이 매 샘플링 주기마다 실시간으로 출력 평가에 반영되므로 이들에 대한 강인한 제어성능이 얻어진다. 특히, 본 논문에서는 MPC의 제어성능에 영향을 미치는 설계 파라미터인 입력 및 출력 예측 구간의 크기와 평가함수에 사용된 하중행렬의 영향을 고려한 최적 설계 방법에 대해서도 상세히 검토하였다. 마지막으로, 설계한 MPC는 산업계에서 가장 널리 사용되는 PID 제어기의 제어성능과 비교함으로써 그 타당성을 확인하였다.
Abstract
In this paper, we deal with the design of a model predictive control (MPC) for precise speed servo control of DC motor systems. The proposed controller is designed in the form of optimal control that calculates and outputs the optimized control input under constraints for each sampling. In particular, MPC designs the control inputs in advance for each sampling and predicts the outputs using them. Thus, it shows excellent control performance even in the case of disturbance or model uncertainty. The effectiveness of the proposed controller was demonstrated through computer simulations using MATLAB/Simulink and DC motor experimental system using real time controller. Moreover, the effectiveness of the proposed controller was confirmed by comparing its control performance with PID controller, which was tested under the same experimental condition as the MPC.
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