Abstract
This Paper describes a systematic method for designing the $H_{\infty}$ controller for the inverted pendulum which is a nonlinear and single-input double-outputs system. In particular, the open-loop system is conbined with a pre-filter to shape the open-loop transfer function for the sensitivity function ind the complementary sensitivity function to be kept the desirable frequency characteristics. Consequently, the loop shaping technique of the open-loop transfer function reduces the impacts of the model uncertainties, measurement noises and exogenous disterbances on the dynamic characteristics of the inverted pendulum. The results of simulation and experiment show the efficiency of the proposed control method comparing with conventional PID control method.
본 연구에서는 비선형성이 강한 대표적인 불안정한 시스템으로 새로운 제어 이론의 유효성을 실증하고 평가하기에 적합한 도립 진자 시스템의 강인 안정 및 강인 제어 성능을 확보하기 위하여 $H_{\infty}$ 제어 이론을 도입하여 최적 제어기를 설계하였다. 그리고, 저역통과 필터를 제어 대상 시스템과 종속으로 결합시켜 개루프 전달함수의 형성(loop shaping)을 시도함으로서, 감도함수 및 상보감도함수가 바람직 한 주파수 특성을 갖도록 하였다. 먼저, 설계한 $H_{\infty}$제어기를 도립진자 제어시스템에 적용하여 시뮬레이션 하였고, 그 결과를 전통적인 기법으로 산업현장에서 널리 사용하고 있는 PID제어기를 채용한 시스템의 출력과 비교하여 그 가능성을 확인하였다. 그런 다음, 설계 한 제어기를 실제 시스템에 적용하여 실험하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해, $H_{\infty}$ 제어기는 모델링 오차, 외란 및 노이즈의 영향을 줄이면서 제어목표를 잘 추종하는 것으로 나타나 안정도 및 제어성능이 우수함을 확인할 수 있었다.