Design of a delay compensator for networked control systems

Abstract

최근 설치 및 유지 보수 비용, 높은 신뢰성과 시스템 구성의 유연성 등의 장점으로 인하여 네트워크기반 제어 시스템(Networked Control System)이 자동차 및 제어기반의 산업 분야에서 많이 사용되고 있다. 보다 정확한 시스템 구성과 제어를 위하여 NCS 에서 발생하는 시간 지연 특성이 고려되어야 한다. 모두 같은 샘플링 주기를 가지는 NCS 에서 시간 지연은 실제 한 주기 이상의 긴 시간 지연을 가질 수 있다. 이 연구에서 제안된 시간 지연 모델은 한 주기 이상의 긴 시간 지연에 대하여 고려한다. 센서와 제어기 간의 지연(sensor-to-controller time delay) 및 제어기와 작동기 간의 지연(controller-to-actuator time delay)를 분리하여 고려하기 때문에, 주기적 NCS(periodic NCS) 외, 이벤트 방식(event-driven)으로 동작하는 제어기를 포함한 NCS 및 센서 노드와 제어기 노드만 네트워크로 구성되어 있는 NCS 들에 대해서도 시간 모델을 변형 적용하기 용이하다. 또한 다중입출력(Multi Inputs and Multi Output)의 시스템에 대해서도 시간 모델 적용 가능하다. 제어기 설계 단계에서, NCS 의 지연을 보상할 수 있는 방법이 중요하다. 제안된 시간 모델을 이용하여, 센서-제어기 지연(sensor-to-controller time delay) 및 제어기-액츄에이터 지연(controller-to-actuator time delay)에 대한 시간 보상이 가능한 LQR 최적 제어기를 설계하였다. NCS 에서 시간 지연은 시변(time varying)하기 때문에 제어기의 매주기 마다 제어법칙(control law)이 계산되므로 제어기의 부하가 많이 걸리므로 실제 시스템 구현 시 적합하지 않다. 따라서 최대지연한계(Maximum Allowable Delay Boundary)를 이용한 제어기 설계방법을 제안하고, 시뮬레이션을 통한 제어 성능의 적합성을 증명하였다.; Networked control systems(NCSs) have been used in the industries because of their advantages such as low cost of installation, ease of maintenance, higher reliability, and greater flexibility. However, the network-induced delays are unavoidable in NCSs. These time delays may degrade the system performance and cause system instability. Therefore, it is necessary to consider and analyze the network-induced delays when an NCS is designed. In this paper, a periodic time delay model was proposed to consider the time delays in an NCS. Network-induced delays and execution delays of an NCS were defined and their characteristics were analyzed. The time delay model was applied to the investigation of system stability of an NCS. Also, in order to achieve the desired control performance, an LQR controller was designed using the proposed time delay model and validated through a case study