본 논문은 폐루프 시스템의 안정성을 보장하면서 비례(P) 이득을 최대화하기 위한 반복 비례-적분-미분(PID) 이득 튜닝 알고리즘을 다룬다. 실제로 P 이득을 증가시키면 정상상태 오차, 외란 억제, 과도 응답과 같은 폐루프 시스템의 성능이 향상된다. 그러나 P 이득만을 단독으로 증가시키는 경우 일반적으로 폐루프 시스템이 불안정해지므로, 제어 설계자는 미분(D) 이득도 함께 증가시킬 필요가 있다. 제어 성능을 향상시키면서 동시에 안정성을 보장하기 위해 P 및 D 이득을 순차적으로, 반복적인 방식으로 증가시킨다. 또한 필요하다면, 사전 설계된 PD 제어기를 사용하여 원하는 정상상태 성능을 달성하기 위해 적분(I) 이득을 선택한다. 제안된 알고리즘은 강력한 제어 성능을 바탕으로 PID 이득을 설계하기 쉽게 하며, 다른 PID 이득 튜닝 알고리즘으로 선정된 PID 이득의 미세 조정(fine-tuning)에 적용될 수 있다. 더불어 선형 시불변(linear time-invariant) 시스템에 대해 PID 이득 설계의 안정성 조건을 제시한다. 따라서 각 P, I, D 이득을 개별적으로 증가시키는 동안에도 폐루프 시스템의 안정성이 보장된다. 제안된 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 단일 링크 유연 로봇 매니퓰레이터 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

이 연구는 물리적 인간-로봇 상호작용을 위한 힘 제어기 설계 방법을 조사하며, 협업 중 안전 위험을 야기할 수 있는 힘 오버슈트를 방지하는 데 특히 초점을 둔다. PD형 힘 제어기의 경우, 과도응답에서 오버슈트를 회피할 수 있는 특정 조건을 유도한다. 이에 반해, PID 제어기에서와 같이 적분기를 도입하면 특정 이득 구성에서 힘 오버슈트가 발생할 수 있음을 보인다. 시뮬레이션 결과는 제안된 조건을 만족하면 PD형 힘 제어기가 오버슈트를 회피하는 반면, PID형 힘 제어기는 다양한 설정 전반에서 오버슈트가 지속적으로 나타남을 확인하였다. 특히 폐루프 시스템의 최우측 폴(rightmost poles)이 켤레 복소수인 경우 시스템은 항상 오버슈트를 보인다. 우세한 폴이 실수인 경우에도, 제어 이득이 특정 기준을 만족하면 오버슈트가 여전히 발생할 수 있다. 이러한 결과는 협업 로봇에서 안전하고 안정적인 힘 제어 시스템을 설계하기 위한 실용적 지침을 제공함으로써 인간-로봇 물리적 상호작용의 신뢰성을 향상시키는 데 기여한다.

보강 구조물의 적절한 위치는 건축의 안정성에 매우 중요하다. 그러나 숙련된 인력의 부족과 관리 및 감독의 부재로 인해 콘크리트 구조물에서의 부실 시공과 붕괴 사고가 증가하고 있다. 본 서신에서는 콘크리트 블록 내 철근의 존재 여부를 확인하기 위해 초음파 신호를 이용한 비파괴 검사(NDT)를 수행한다. 실험은 철근이 있는 경우와 없는 경우, 서로 다른 두 위치에서 수행한다. 이후 각 위치의 데이터에 대해 단시간 푸리에 변환(short-time Fourier transform, STFT)을 수행하고, 그 결과로 얻어진 영상을 도해하여 특징을 식별한다. 철근의 존재 여부에 따라 주파수 대역이 달라짐이 관찰된다. 이를 통해 STFT 영상에서 철근의 존재에 기반한 구별 가능한 특징을 추출할 수 있다. 획득한 특징의 유효성을 검증하기 위해 Python 코드를 이용한 영상 분류를 수행하였고, 높은 정확도를 확인하였다. 따라서 STFT 영상은 콘크리트 구조물 내 철근의 존재 여부를 판정할 수 있게 한다.

피드백 제어 시스템의 설계는 설계 복잡성을 줄이기 위해 구동기와 센서와 같은 모델링되지 않은 동역학을 무시함으로써 종종 달성된다. 이는 모델링되지 않은 동역학이 무시할 만큼 충분히 빠르다는 가정에 기반한다. 그러나 이러한 접근은 전체 시스템의 안정성 또는 성능에 대해 특히 심각한 문제를 야기할 수 있는데, 이는 제어기가 빠른 동역학을 포함하거나 고이득 피드백 항을 사용하는 경우에 해당한다. 교란 관측기는 단순한 구조와 교란을 거부하고 플랜트의 불확실성을 보상하는 강력한 능력 때문에 많은 산업 분야에서 널리 활용되어 왔다. 그러나 교란 관측기는 그 구조 내에 빠른 동역학을 포함하므로, 교란 관측기 기반 제어에서 모델링되지 않은 동역학이 미치는 영향에 대한 분석이 필수적이다. 본 논문은 특이섭동(singular perturbation) 이론에 기반한 교란 관측기의 강건성 및 교란 거부 성능을 규명하고, 모델링되지 않은 동역학이 존재하는 경우 강건 안정성을 위한 설계 지침을 제안한다. 또한 본 논문은 교란 관측기가 플랜트의 명목 모델에 대해 설계된 명목 성능을 회복함을 제시한다.

본 논문은 폐루프 시스템의 안정성을 보장하면서 비례(P) 이득을 최대화하기 위한 반복 비례-적분-미분(PID) 이득 튜닝 알고리즘을 다룬다. 실제로 P 이득을 증가시키면 정상상태 오차, 외란 억제, 과도 응답과 같은 폐루프 시스템의 성능이 향상된다. 그러나 P 이득만을 단독으로 증가시키는 경우 일반적으로 폐루프 시스템이 불안정해지므로, 제어 설계자는 미분(D) 이득도 함께 증가시킬 필요가 있다. 제어 성능을 향상시키면서 동시에 안정성을 보장하기 위해 P 및 D 이득을 순차적으로, 반복적인 방식으로 증가시킨다. 또한 필요하다면, 사전 설계된 PD 제어기를 사용하여 원하는 정상상태 성능을 달성하기 위해 적분(I) 이득을 선택한다. 제안된 알고리즘은 강력한 제어 성능을 바탕으로 PID 이득을 설계하기 쉽게 하며, 다른 PID 이득 튜닝 알고리즘으로 선정된 PID 이득의 미세 조정(fine-tuning)에 적용될 수 있다. 더불어 선형 시불변(linear time-invariant) 시스템에 대해 PID 이득 설계의 안정성 조건을 제시한다. 따라서 각 P, I, D 이득을 개별적으로 증가시키는 동안에도 폐루프 시스템의 안정성이 보장된다. 제안된 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 단일 링크 유연 로봇 매니퓰레이터 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

이 연구는 물리적 인간-로봇 상호작용을 위한 힘 제어기 설계 방법을 조사하며, 협업 중 안전 위험을 야기할 수 있는 힘 오버슈트를 방지하는 데 특히 초점을 둔다. PD형 힘 제어기의 경우, 과도응답에서 오버슈트를 회피할 수 있는 특정 조건을 유도한다. 이에 반해, PID 제어기에서와 같이 적분기를 도입하면 특정 이득 구성에서 힘 오버슈트가 발생할 수 있음을 보인다. 시뮬레이션 결과는 제안된 조건을 만족하면 PD형 힘 제어기가 오버슈트를 회피하는 반면, PID형 힘 제어기는 다양한 설정 전반에서 오버슈트가 지속적으로 나타남을 확인하였다. 특히 폐루프 시스템의 최우측 폴(rightmost poles)이 켤레 복소수인 경우 시스템은 항상 오버슈트를 보인다. 우세한 폴이 실수인 경우에도, 제어 이득이 특정 기준을 만족하면 오버슈트가 여전히 발생할 수 있다. 이러한 결과는 협업 로봇에서 안전하고 안정적인 힘 제어 시스템을 설계하기 위한 실용적 지침을 제공함으로써 인간-로봇 물리적 상호작용의 신뢰성을 향상시키는 데 기여한다.

보강 구조물의 적절한 위치는 건축의 안정성에 매우 중요하다. 그러나 숙련된 인력의 부족과 관리 및 감독의 부재로 인해 콘크리트 구조물에서의 부실 시공과 붕괴 사고가 증가하고 있다. 본 서신에서는 콘크리트 블록 내 철근의 존재 여부를 확인하기 위해 초음파 신호를 이용한 비파괴 검사(NDT)를 수행한다. 실험은 철근이 있는 경우와 없는 경우, 서로 다른 두 위치에서 수행한다. 이후 각 위치의 데이터에 대해 단시간 푸리에 변환(short-time Fourier transform, STFT)을 수행하고, 그 결과로 얻어진 영상을 도해하여 특징을 식별한다. 철근의 존재 여부에 따라 주파수 대역이 달라짐이 관찰된다. 이를 통해 STFT 영상에서 철근의 존재에 기반한 구별 가능한 특징을 추출할 수 있다. 획득한 특징의 유효성을 검증하기 위해 Python 코드를 이용한 영상 분류를 수행하였고, 높은 정확도를 확인하였다. 따라서 STFT 영상은 콘크리트 구조물 내 철근의 존재 여부를 판정할 수 있게 한다.

피드백 제어 시스템의 설계는 설계 복잡성을 줄이기 위해 구동기와 센서와 같은 모델링되지 않은 동역학을 무시함으로써 종종 달성된다. 이는 모델링되지 않은 동역학이 무시할 만큼 충분히 빠르다는 가정에 기반한다. 그러나 이러한 접근은 전체 시스템의 안정성 또는 성능에 대해 특히 심각한 문제를 야기할 수 있는데, 이는 제어기가 빠른 동역학을 포함하거나 고이득 피드백 항을 사용하는 경우에 해당한다. 교란 관측기는 단순한 구조와 교란을 거부하고 플랜트의 불확실성을 보상하는 강력한 능력 때문에 많은 산업 분야에서 널리 활용되어 왔다. 그러나 교란 관측기는 그 구조 내에 빠른 동역학을 포함하므로, 교란 관측기 기반 제어에서 모델링되지 않은 동역학이 미치는 영향에 대한 분석이 필수적이다. 본 논문은 특이섭동(singular perturbation) 이론에 기반한 교란 관측기의 강건성 및 교란 거부 성능을 규명하고, 모델링되지 않은 동역학이 존재하는 경우 강건 안정성을 위한 설계 지침을 제안한다. 또한 본 논문은 교란 관측기가 플랜트의 명목 모델에 대해 설계된 명목 성능을 회복함을 제시한다.

이 논문은 반복적 비례-적분-미분(PID) 제어기 설계 접근법을 제시한다. 원하는 제어 성능을 달성하기 위해 제어 설계자는 비례(P)와 미분(D) 이득을 반복적으로 증가시킨다. 그리고 정상상태 오차를 줄이기 위해, 얻어진 PD 제어기에 적분 제어기를 추가한다. 따라서 제안된 접근법은 P-이득을 최대화하는 것을 목표로 하므로 구현이 쉽고 효과적이다. 또한 PID 이득을 증가시키는 동안 안정성이 보장되는 이유를 설명하기 위해 안정성 조건을 제시한다. 제안된 접근법의 유효성을 검증하기 위해 모터 제어 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

본 논문은 분산 기반 제어를 통해 최소 평균 제곱 오차(minimum mean square error)를 적용하는 로봇 팔의 역기구학(inverse kinematics) 문제를 고려한다. 제안된 알고리즘은 분산 계산을 고려하더라도 평균 오차를 최소화함으로써 최적의 결과를 달성한다. 그 성능은 최적으로 조정된 특이값 분해(singular value decomposition, SVD)를 활용하는 알고리즘과 비교할 만하다. 계산된 분산 값은 역행렬 연산에서 댐핑된 최소자승(damped least squares) 방법에서와 같이 행렬의 대각 성분에 추가된다. 이는 SVD 대신 무어-펜로즈(Moore-Penrose) 유사역행렬(pseudo-inverse) 행렬을 사용하더라도 최적 성능을 달성할 수 있음을 시사한다. 제안 방법의 유효성은 7자유도(7-DoF)(1 레일 + 6-DoF 팔) 및 6자유도(6-DoF) 로봇에서 검증된다. 본 논문은 실용적인 오차 제어 방법을 도입함으로써 오차 관련 알고리즘에 대한 전반적 이해를 향상시키는 데 기여한다.

현대 인프라를 구성하는 콘크리트 구조물은 환경 요인과 노후화로 인해 열화가 진행되어 안전에 대한 우려가 커지고 있으며, 이는 경제적 어려움과 규제 압력 속에서 대한민국에서도 문제로 대두되고 있다. 초음파 기반 검사 방법, 특히 초음파 단층촬영(ultrasonic tomography) 및 펄스 속도(pulse velocity) 방법은 비파괴 평가에 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나 부피가 큰 변환기(transducer)로 인해 지속적인 모니터링은 여전히 어렵다. 본 연구는 콘크리트 점검을 위한 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 기반 초음파 변환기의 사용을 탐구한다. PVDF 변환기는 더 작은 치수와 평탄한 주파수 응답을 제공함으로써 콘크리트 품질과 관련된 산란 초음파를 보다 정밀하게 분석할 수 있게 한다. 실험 결과, PVDF 변환기는 비선형 초음파 성분에 대한 검출을 향상시켜 콘크리트의 건전성을 보다 효과적으로 평가하는 데 기여하는 것으로 나타났다.

본 논문은 Q-filter의 시간상수에 대하여 교란관측기 기반 제어시스템의 교란 및 불확실성 보상 성능을 분석한다. 시간상수가 충분히 작다고 가정하면, 특이섭동 이론(singular perturbation theory)에 근거하여 공장(plant)의 불확실성과 교란을 고려하지 않더라도, 교란관측기는 교란을 보상하고 명목 모델(nominal models)을 위해 설계된 명목 성능을 복구할 수 있음을 보였다. 그러나 교란관측기 기반 제어시스템에서 강건 안정성을 달성하기 위해 필요한 시간상수의 명시적 상한값은 제시되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 Lyapunov 안정성 분석을 사용하여 그 명시적 상한값과 명목 성능 복구와 시간상수 간의 관계를 제시한다. 마지막으로, 제안한 분석을 검증하기 위해 기계 시스템에 대한 시뮬레이션 결과를 제시하였다.

이 논문은 단일 주파수 사인파 교란과 m차 시간-다항(polynomial-in-time) 교란을 고려하는, 고이득 관측기 기반의 고차 내부모델 교란 관측기를 제시한다. 교란 관측기 구조 내의 두 개 Q-필터는 서로 다른 역할을 수행한다. 하나는 교란 보상 능력을 가지며, 다른 하나는 역동역학(inverse dynamics)의 구현을 수행한다. 구체적으로, 역동역학을 포함하는 Q-필터 블록은 고이득 관측기 구조를 가지므로, 상태 피드백 제어 설계를 용이하게 하기 위해 고이득 관측기로 설계된다. 반면, 교란 보상을 위한 Q-필터는 교란의 모델링된 부분을 내포하여 이를 완전히 제거하도록 한다. 특이섭동(singular perturbation) 이론을 사용하여, 제안된 교란 관측기를 포함한 전체 폐루프 시스템이 모델링된 교란의 영향을 완전히 보상하고 명목(nominal) 폐루프 시스템처럼 거동함을 보인다. 또한 모델 불확실성에 대한 강건 안정성 조건을 제시한다. 제안된 교란 관측기의 유효성은 시뮬레이션을 통해 검증된다.