상태 피드백 제어를 위한 비선형 외란 관측기 설계

Abstract

외란 관측기가 처음 소개된 이후로, 많은 연구들이 수행되어 왔다. 외란 관측기는 기존의 외부 루프 제어기에 추가되어 시스템의 불확실성과 외란을 제거하는 장점을 가진다. 일반적인 외란 관측기는 실제 시스템의 공칭 시스템과 함께, Q-필터라 불리는 두 개의 저역 통과 필터들로 구성이 되는데, Q-필터를 어떻게 설계하는 지에 따라 외란 관측기 기반의 전체 제어 시스템의 동작 및 안정성이 결정된다. 이를 바탕으로, 기존의 많은 논문들에 전체 시스템이 안정할 조건과 이를 만족시키는 Q-필터의 설계 방법들이 소개되었다. 하지만 기존의 외란 관측기는 출력 피드백 제어기를 대상으로 설계되는 것이 일반적이었다. 따라서, 만약 상태 피드백 기반의 외부 제어기가 외란 관측기와 함께 사용된다면, 상태 변수를 추정하는 상태 추정기가 추가적으로 필요하다. 본 논문에서는 일반적인 외란 관측기의 두 Q-필터가 고이득 관측기의 형태를 가지는 점에 착안, Q-필터의 상태 변수를 상태 피드백 제어기를 위한 상태 추정치로 사용한 새로운 외란 관측기의 구조를 제안한다. 제안되는 외란 관측기는 시스템의 불확실성과 외란을 제거하는 기존의 역할에 더해 상태 피드백 제어기를 위한 상태 추정기의 역할도 겸하게 된다. 본 논문에서 제안되는 외란 관측기의 또 다른 장점은 두 Q-필터가 독립적으로 설계될 수 있다는 점이다. 또한 외란 관측기가 상태 피드백 제어기와 함께 제어 시스템을 구성할 때, 전체 시스템이 시스템의 불확실성에 강인하게 안정할 조건과 이를 만족시키는 Q-필터를 설계하는 방법이 본 논문에 제시된다. 마지막으로, 로봇 매니퓰레이터 시스템을 대상으로 하는 모의 실험을 통해 제안된 외란 관측기의 효용을 입증한다.

A disturbance observer, together with a given outer-loop controller, controls the real plant. As a result, the overall closed-loop system recovers the output which is not affected by a plant uncertainty and an input disturbance. The conventional disturbance observer is composed of a nominal system of the real plant and low pass filters, called Q-filter. There have been many results regarding an internal stability condition of the overall closed-loop system and a Q-filter design satisfying this condition. The conventional disturbance observer is mostly added to the output feedback based control system which contains the outer-loop controller and the real plant. Therefore, if the controller is a state feedback based controller, not just the disturbance observer, but also an additional state estimator is needed. Since the Q-filter of the disturbance observer can be realized as a high-gain observer, the additional state estimator is replaced by the Q-filter. That is, the newly proposed control structure in this paper uses the state variable of the Q-filter as the estimation so that the state feedback based controller works with the disturbance observer. Moreover, the Q-filters of the proposed control structure can be designed independently. In this paper, a condition for the internal stability of the overall closed-loop system and a design procedure of the Q-filter satisfying the stability condition are suggested. Lastly, a simulation result is presented, when a robot manipulator system is the real plant.