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도립진자를 활용한

제어시스템 설계

권욱현 , 한수희 지음
아진

2015년 09월 17일 출간

종이책 : 2006년 10월 20일 출간

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파일 정보 pdf (37.93MB)
ISBN 9788957614112
쪽수 430쪽
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작품소개

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제어시스템 설계서. 이 책은 도립진자를 활용한 기본 제어시스템에서부터 고전제어법, 도립진자시스템의 카트 위치 및 진자 각도를 제어하는 다수 출력 시스템을 다루고 있다.
part.1 기본사항

1장 서 론 3
1.1. 제어공학 개요 3
1.2. 제어시스템 설계구현과정 7
1.3. 제어알고리즘 설계 및 시뮬레이션을 위한 설계 패키지 9
1.4. 제어기 구현 및 실제 적용시험 11
1.5. 이 책에 대하여 12
1.6. 이 책의 활용 14

2장 정상진자 및 도립진자 시스템의 모델링 17
2.1. 학습목표 17
2.2. 도립진자의 모델링 17
2.2.1 도립진자 파라미터 17
2.2.2 도립진자 시스템의 비선형 상태방정식 20
2.2.3 도립진자 시스템의 선형 상태방정식 24
2.2.4 도립진자 시스템의 가제어성 및 가관측성 25
2.3. 정상진자의 모델링 29
2.3.1 정상진자 시스템의 비선형 상태방정식 29
2.3.2 정상진자 시스템의 선형 상태방정식 30
2.3.3 정상진자 시스템의 가제어성 및 가관측성 31
2.4. 정상진자 및 도립진자의 제어문제 34
2.5. 컴퓨터 시뮬레이션 36
2.5.1 정상진자 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션 36
2.5.2 도립진자 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션 40
2.6. 실습과제 44

3장 범용 제어기의 신속구현과 사용법 45
3.1. 학습목표 45
3.2. 신속구현 범용 제어기의 구성 45
3.3. CEMTool과 SIMTool의 외부 접속 47
3.3.1 CEMTool과 외부 접속 47
3.3.2 SIMTool과 외부 접속 47
3.3.3 디지털 입출력 블록 50
3.4. 고속처리장치의 입출력 기능 53
3.4.1 신호처리 보드의 신호처리 기능 53
3.4.2 커넥터 핀 배열 55
3.5. 범용 제어기 신속구현과 실험 56
3.5.1 고속처리장치(I/O 장치)와 외부 측정장치 연결 56
3.5.2 각종 실험 59
3.6. 실습과제 67

4장 범용 제어기와 도립진자의 연결과 응답 수집 분석 69
4.1. 학습목표 69
4.2. 시스템의 응답 69
4.2.1 계단응답 71
4.2.2 경사응답 75
4.2.3 임펄스응답 76
4.3. 컴퓨터 시뮬레이션 : 계단응답 경우 76
4.4. 도립진자와 범용 제어기와의 연결 79
4.5. 데이터 수집 및 응답 실험 82
4.5.1 카트 시스템의 위치 신호 수집(고속 프로세스 사용) 82
4.5.2 단위계단응답 실험(고속 프로세스 사용) 86
4.6. 실습과제 88

5장 도립진자 시스템의 식별 89
5.1. 학습목표 89
5.2. 이론 89
5.2.1 일반 이론 89
5.2.2 진자를 제거한 카트 시스템의 식별 91
5.2.3 정상진자와 도립진자의 식별 92
5.3. 시뮬레이션을 통한 카트 및 정상진자 시스템 식별 93
5.3.1 카트 시스템 식별을 위한 블록 구성과 시뮬레이션 93
5.3.2 정상진자 시스템 식별을 위한 블록 구성과 시뮬레이션 97
5.4. 실제 실험을 통한 도립진자의 시스템 식별 102
5.5. 실습과제 106


part.2 정상진자의 위치제어: 고전제어

6장 근궤적을 통한 정상진자 제어기 설계 109
6.1. 학습목표 109
6.2. 근궤적을 통한 제어 109
6.3. 제어 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션 112
6.3.1 CEMTool을 이용하여 정상진자의 근궤적 그리기 (rlocus) 112
6.3.2 근궤적상에서 이득 K 구하기 113
6.3.3 이득 K의 변화에 대한 정상진자의 응답 114
6.4. 범용 제어기 구현 및 실험 117
6.5. 실습과제 121

7장 주파수 응답 해석 및 설계 123
7.1. 학습목표 123
7.2. 주파수 응답 해석 123
7.2.1 나이키스트(Nyquist) 선도 123
7.2.2 보데(Bode) 선도 128
7.3. 컴퓨터 시뮬레이션 133
7.3.1 정상진자의 개루프 주파수 특성 133
7.3.2 정상진자의 비례이득 제어기 사용시 주파수 특성 135
7.3.3 SIMTool을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 141
7.4. 범용 제어기 구현 및 실험 145
7.5. 실습과제 148

8장 앞섬 및 뒤짐보상기 설계 149
8.1. 학습목표 149
8.2. 앞섬 및 뒤짐보상 149
8.2.1 보상기 개요 149
8.2.2 앞섬 및 뒤짐보상기 설계법 152
8.3. 제어 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션 156
8.4. 범용 제어기 구현 및 실험 177
8.5. 실습과제 180

9장 PID 제어 181
9.1. 학습목표 181
9.2. PID 제어 181
9.2.1 PID 제어란? 181
9.2.2 PID 이득의 특성 182
9.2.3 PID제어기의 튜닝 183
9.2.4 적분누적 방지법 185
9.3. 제어 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션 186
9.3.1 P제어 187
9.3.2 PI 제어 188
9.3.3 PID 제어 189
9.3.4 릴레이 튜닝법 191
9.3.5 적분누적 방지법 192
9.4. 범용 제어기 구현 및 실험 193
9.4.1 P제어 194
9.4.2 PID제어 196
9.4.3 고속 프로세스를 사용한 실험 198
9.5. 실습과제 205

part.3 도립진자의 위치 및 각도제어: 현대제어

10장 극배치 기법을 이용한 도립진자 제어기 설계 209
10.1. 학습목표 209
10.2. 극배치 기법을 이용한 제어 209
10.2.1 극배치 기법을 이용한 상태 되먹임 제어 209
10.2.2 극배치 기법을 이용한 출력 되먹임 제어 211
10.3. 제어 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션 213
10.3.1 상태 되먹임을 이용한 위치 및 각도 제어 시뮬레이션 213
10.3.2 출력 되먹임을 이용한 제어 알고리즘 구현 및 시뮬레이션 218
10.3.3 컴퓨터 시뮬레이션 결과 비교 223
10.4.

교재는 크게 세 부분(Part I, Part II, Part III)으로 나누어져 있다. Part I 에서는 기본적인 내용을 다루고 있으며 제어의 목표, 도립진자와 정상진자의 모델링, 제어기 신속구현 방법, 데이터입출력방법, 데이터로부터 도립진자의 모델을 찾아내는 식별(identification) 방법에 대하여 배운다. Part II 에서는 정상진자의 카트위치의 단일출력 제어시스템을 다루고 있다. 학사과정에서 배우는 고전제어 방법인 근궤적, 주파수응답, 앞섬/뒤섬 보상기, PID제어 설계를 배우고 실험을 수행한다. Part III에서는 도립진자시스템의 카트 위치 및 진자 각도를 제어하여 진자를 수직으로 세우는 다수 출력 제어시스템을 다루고 있다. 현대제어방법인 극배치 제어, LQG제어, 제어, 이동구간제어, 퍼지제어, 신경회로망제어, 비선형제어 방법 등을 설계하고 실험을 수행한다. 부록에는 참고로 다양한 도립진자를 소개하였으며 사용자가 직접 제어기를 구현할 수 있도록 신속구현 제어기 제품과 설계패키지와 하드웨어의 접속방법을 소개하였다. 그리고 간단한 다변수 PID도 소개하였다.

각 장마다 먼저 (1) 학습목표를 설명하고 (2) 일반 제어이론을 설명하고 (3) 다음에 도립진자 또는 정상진자에 대한 제어를 설계하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제어특성을 이해하도록 하였으며 (4) 마지막으로 신속 구현 제어기를 사용하여 제어기를 구현하고 실제 실험을 수행하도록 하였다. 제어기구현과 실험은 범용제어기와 도립진자가 있어야 한다. 실험장치가 준비되지 않았다면 PC에서 시뮬레이션만 수행하고 실험과 관련된 내용은 읽으면서 이론적인 시뮬레이션과 책에 나온 실제 실험의 결과를 비교하기 바란다. 하나의 플랜트에서 각종 고전제어나 현대 제어를 설계하고 실험하면 서로 성능을 비교 검토하기가 용이하기 때문에 학습효과가 크리라고 기대한다.
이 책에서는 CEMTool/SIMTool 을 알고 있다고 간주하였으나 CD에 참고로 할 수 있는 매뉴얼을 포함시켰다. 첨부된 CD에는 (1) CEMTool 6.0 한정 사용판, (2) CEMTool/SIMTool 사용매뉴얼, (3) CEMTool과 MATLAB으로 된 시뮬레이션용 프로그램 파일 (4) CEMtool/SIMTool로 된 실험용 프로그램 파일이 포함되어 있다. 더 많은 자료를 원하면 http://cemtool.co.kr를 방문하기 바란다.

작가정보

저자(글) 권욱현

권욱현
1972 - 1976 미국 브라운대학교 박사학위 취득(제어공학) 및 Post Doc.
1973 - 1977 미국 아이오와대학교 겸직 조교수
1977 - 현재 서울대학교 공과대학 전기컴퓨터공학부 교수
1980 - 1981 미국 스탠포드대학교 객원교수
1999 - 2000 제어자동화시스템공학회 회장
2001 - 2002 대학전기학회 회장
2005 - 현재 국제자동제어연맹(IFAC) 회장
관심분야 :
제어 및 시스템 이론, 확률필터 이론, 이산현상 시스템, 실시간 시스템,컴퓨터원용 설계

한수희
2000 - 2003 서울대학교 대학원 박사학위 취득(제어공학)
2003 - 2005 ERC-ACI 연구원
2005 - 2005 스탠포드 대학 방문 연구원
2005 - 2006 ERC-ACI 선임 연구원
2006 - 현재 시스템 생물학 연구소 선임 연구원
관심분야:
생물 정보학, 최적 제어, 시간 지연 시스템, 최적화, 추정이론, 컴퓨터 이용 제어 시스템 설계

저자(글) 한수희

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