칼만 상태 관측기와 피드포워드 제어기를 갖는 슬라이딩 모드 제어 기반의 가변속 냉동시스템의 강인한 온도 제어 (Robust Temperature Control for a Variable Speed Refrigeration System Based on Sliding Mode Control Using a Kalman State Observer and Feedforward Controller)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 33권 / 10호 / 506 ~ 519페이지
· 저자명 : 이지은, 정석권

초록

본 논문에서는 VSRS에 대한 기존 SMC의 문제점을 해결하여 강인한 제어성능을 확보하기 위해 실용적인 상태 공간 모델을 토대로 2차원 위상평면을 갖는 슬라이딩 라인을 설계하였다. 또한, 상태 추정을 위해 칼만 상태관측기를 구성하였다. 특히, 불연속 제어입력의 포화함수가 목표 제어량의 과도특성을 열화시키는 부작용을 줄이기 위해 피드포워드 제어기를 추가로 설계하였다. 제안된 제어기는 VSRS 기반의 OCS를 제어대상으로 한 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성이 검증되었으며, PI 제어기와의 제어성능을 비교함으로써 그 유효성을 확인하였다. 이를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.


(1) 2차원 슬라이딩 라인을 갖는 SMC는 위상평면에서 상태변수의 거동 분석이 용이해 채터링 방지 및 정밀한 제어 응답을 확보하였다.
(2) 칼만 필터를 갖는 상태관측기는 제어입력 연산에 필요한 상태변수 및 외란을 엄밀하게 추정하였다.
(3) 피드포워드 제어기는 포화함수로 인한 정착시간 증가 문제를 해결함으로써 제어량의 과도특성을 현저히 개선하였다.
(4) SMC와 PI 제어기의 제어성능을 비교한 결과 SMC가 PI 제어기보다 외란 및 모델 불확실성에 더 강인함을 확인하였다.

영어초록

This paper describes sliding mode control using a state observer with Kalman filter and feedforward controller for a variable speed refrigeration system (VSRS) to ensure robust control performance against model uncertainty and disturbance. The sliding mode control was designed using a state space model obtained from a practical transfer function model, which was obtained by conducting experiments near operation point. The control input of SMC was achieved from estimation of state variables by a state observer with Kalman filter. Additionally, the feedforward controller was designed to minimize the steady state error due to saturation function. Simulations and experiments were conducted to verify the control performance of the suggested SMC with the feedforward controller and the state observer with Kalman filter. The results of simulations and experiments showed that the proposed controller was capable of robust temperature control for VSRS despite stepwise changes of reference and external heat load.

참고자료

· 없음