상태 관찰기는 일반적으로 하드웨어의 취약성으로부터 시스템 성능을 분리하기 때문에 추가 물리 센서보다 권장됩니다. 복잡한 전기 유압 서보 시스템에서는 물리적 구성 요소 대신 알고리즘에 의존하면 배포 비용이 크게 절감되고 열악한 산업 환경에 민감한 전자 장치를 설치하는 것과 관련된 신뢰성 위험이 제거됩니다.
이상적으로 전체 상태 피드백에는 압력, 변위 및 속도에 대한 데이터가 필요하지만 물리 센서를 통해 이를 얻는 것은 비용이 많이 들고 유지 관리가 많이 필요한 실패 지점이 됩니다. 상태 관찰기는 실시간 알고리즘을 사용하여 시스템 상태를 계산함으로써 이러한 제한을 우회하여 하드웨어가 많이 사용되는 설정보다 더 안정적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
하드웨어 중심 설계의 책임
비용 및 복잡성 증가
정확한 전체 상태 피드백 제어를 달성하려면 엔지니어는 이론적으로 압력, 변위 및 속도에 대한 특정 센서를 설치해야 합니다.
복잡한 산업 환경에서 이는 단순한 부품 비용이 아니라 통합 과제입니다. 과도한 수의 센서는 배선 복잡성을 크게 증가시켜 설치 비용이 많이 들고 문제 해결이 어려운 조밀한 물리적 인프라를 생성합니다.
열악한 환경에서의 신뢰성 격차
산업 환경은 깨끗하거나 정적인 경우가 거의 없으며 종종 진동, 온도 변화 및 오염 물질로 정의됩니다.
물리 센서는 이러한 열악한 조건에서 신뢰성이 훨씬 낮습니다. 환경 스트레스로 인한 단일 센서 고장은 전체 제어 루프를 손상시켜 센서 자체의 이론적 정밀도를 능가하는 시스템 다운타임을 초래할 수 있습니다.
상태 관찰기의 전략적 이점
실시간 알고리즘 계산
상태 관찰기는 계산 추정으로 물리적 측정의 필요성을 대체합니다.
고급 알고리즘을 활용하여 시스템은 필요한 상태(예: 내부 압력 또는 속도)를 실시간으로 계산할 수 있습니다. 이는 본질적으로 센서를 "가상화"하여 컨트롤러에 물리적 공간 없이 필요한 데이터를 제공합니다.
안정성 및 간섭 거부 향상
단순한 비용 절감 외에도 상태 관찰기는 종종 노이즈가 많은 환경에서 더 나은 성능 특성을 제공합니다.
주 참조는 관찰자 사용이 제어 시스템의 간섭 방지 기능을 향상시킨다고 언급합니다. 데이터는 원시적이고 노이즈가 많은 전기 신호가 아닌 수학적 모델에서 파생되므로 결과 제어 루프는 외부 교란에 대해 더 안정적이고 강력한 경우가 많습니다.
절충점 이해
모델 정확도에 대한 의존성
관찰자는 하드웨어 문제를 해결하지만 시스템의 수학적 모델에 대한 의존성을 도입합니다.
시스템 매개변수(예: 유압유 점도 또는 마찰 계수)가 크게 변경되고 관찰자 모델이 조정되지 않으면 계산된 상태가 실제에서 벗어날 수 있습니다.
계산 부하
센서를 알고리즘으로 대체하면 기계적 설치에서 계산 처리로 부담이 이동합니다.
제어 장치는 서보 시스템을 불안정하게 만들 수 있는 지연을 유발하지 않고 이러한 복잡한 상태 추정 알고리즘을 실시간으로 실행할 수 있는 충분한 처리 능력을 가져야 합니다.
프로젝트에 적합한 선택
전기 유압 서보 시스템을 설계할 때 센서 추가와 관찰자 구현 사이의 선택은 주요 제약 조건에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 신뢰성인 경우: 열악한 환경에서 쉽게 고장나는 물리적 실패 지점을 제거하려면 상태 관찰기를 우선시하십시오.
- 주요 초점이 비용 효율성인 경우: 상태 관찰자를 사용하여 재료비 청구서를 줄이고 배선 하네스 아키텍처를 단순화하십시오.
- 주요 초점이 시스템 안정성인 경우: 상태 관찰자를 구현하여 간섭 방지 기능을 개선하고 노이즈가 많은 피드백 루프를 안정화하십시오.
측정의 부담을 하드웨어에서 소프트웨어로 이동함으로써 더 간결하고, 더 강력하며, 더 경제적으로 실행 가능한 시스템을 만들 수 있습니다.
요약 표:
| 특징 | 물리 센서 | 상태 관찰기 |
|---|---|---|
| 비용 프로필 | 높음 (하드웨어 + 배선) | 낮음 (소프트웨어 기반) |
| 신뢰성 | 열악한 환경에 취약 | 높음 (물리적 마모 없음) |
| 간섭 | 전자 노이즈에 취약 | 높은 간섭 방지 기능 |
| 유지 보수 | 잦은 보정/교체 | 모델 기반 업데이트 |
| 주요 제약 | 하드웨어 취약성 | 계산 부하 및 모델 정확도 |
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참고문헌
- Xiaoyu Su, Xinyu Zheng. Sliding mode control of electro-hydraulic servo system based on double observers. DOI: 10.5194/ms-15-77-2024
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