Cross-Coupled Active Disturbance Rejection Synchronization Control of Load-Side Heterogeneous Dual Hydraulic Cylinders for a Temporary Support Device

기술 요약: 부하 측 불균질성이 존재하는 듀얼 유압 실린더의 교차 결합 능동 외란 제거 동기화 제어

문제 정의
본 논문은 채굴 작업장 내 가설 지지 장치에 사용되는 듀얼 유압 실린더에서 발생하는 변위 비동기화 문제를 다룬다. 좌우측의 유압 실린더, 서보 밸브 및 기본 회로는 구조적으로 동일한 경우가 많으나, 실제 전진 과정에서 "부하 측 불균질성(load-side heterogeneity)"이 도입된다. 이러한 불균질성은 하중 전달 경로, 연결 유연성, 접촉 상태 및 국부적 구성 요소 변형의 차이로 인해 발생한다. 이러한 요인들은 좌우측의 등가 저항 및 종합적인 유연 강성을 비대칭적으로 만들어, 일관되지 않은 동적 응답, 지지 프레임의 변형, 뒤틀림 및 잠재적인 구조적 충격을 초래한다. 기존의 제어 방식은 배관의 차이나 일반적인 외부 외란에 집중하는 경향이 있으며, 구동 요소는 동일하지만 부하 측 파라미터가 상이한 경우의 동기화 문제에는 충분한 주의를 기울이지 못하고 있다.

연구 방법론
이를 해결하기 위해 저자들은 부하 측 불균질성이 존재하는 듀얼 유압 실린더 동기화 제어 모델을 구축하고, 다음과 같은 구성 요소를 기반으로 한 협동 전진 제어 전략을 제안하였다:

1. 시스템 모델링: AMESim/Simulink 공동 시뮬레이션 플랫폼을 구축하였다. 유압 시스템은 실린더와 밸브에 대해 일치하는 파라미터를 사용하여 모델링되었으며, 불균질성은 좌우 로드(rod) 챔버의 부하 시뮬레이션 분기에 서로 다른 등가 저항 및 스프링 강성 값을 설정함으로써 도입되었다. 이를 통해 마찰, 누설, 하중 차이 및 결합을 포함한 총 외란을 하나의 통합된 항으로 취급하는 2차 동적 모델을 생성하였다.
2. 제어 구조 (LADRC+CCC): 선형 능동 외란 제거 제어(LADRC) 구조와 교차 결합 제어(CCC)를 결합한 구조를 설계하였다.
   • 독립적 LADRC: 좌우 실린더를 위해 두 개의 독립적인 LADRC 컨트롤러를 배치하였다. 각 컨트롤러는 선형 확장 상태 관측기(LESO)를 활용하여 각 채널의 총 외란을 실시간으로 추정하고 보상한다.
   • 교차 결합(Cross-Coupling): 두 실린더 간의 변위 차이(동기화 오차)에 반대 부호를 붙여 제어 루프에 피드백하는 교차 결합 링크를 도입하였다. 이는 뒤처지는 실린더에는 강화된 제어 동작을 제공하고, 앞서가는 실린더에는 감소된 동작을 제공하는 보상 메커니즘을 형성한다.
   • 비대칭 파라미터: 부하 측의 차이를 인식하여, 좌우측의 컨트롤러 대역폭, 관측기 대역폭 및 명목 입력 이득을 별도로 튜닝할 수 있는 독립된 파라미터로 취급하였다.
3. 최적화 (IPSO): 경험적 튜닝의 어려움을 극복하고 추적 성능, 동기화 정확도 및 밸브 제어 입력 제한을 동시에 만족시키기 위해 개선된 입자 군집 최적화(IPSO) 알고리즘을 사용하였다. 적응형 관성 가중치와 정체 방지 메커니즘을 갖춘 IPSO 알고리즘은 컨트롤러 대역폭, 관측기 대역폭, 명목 이득 및 교차 결합 이득을 공동으로 최적화하였다. 적합도 함수는 밸브 포화에 대한 페널티를 부여하면서 동기화 오차 억제를 우선시하도록 설계되었다.
4. 안정성 분석: 이론적 분석을 통해, 컨트롤러 및 관측기 대역폭가 양수이고 교차 결합 이득이 0 이상일 때, 유계된 참조 입력 및 외란 하에서 LESO 관측 오차, 단일 실린더 추적 오차 및 듀얼 실린더 동기화 오차가 균등 최종 유계(uniformly ultimately bounded)됨을 확인하였다.

주요 결과
제안된 IPSO-LADRC+CCC 방법은 네 가지 작동 조건(외란 없는 단계 입력, 센서 외란, 일방향 하중 급변, 밸브 제어 입력 이득 감쇄)에 대한 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

• 무외란 성능: 0.8m의 단계 입력 조건에서, IPSO-LADRC+CCC 방식은 최대 동기화 오차 $6.503 \times 10^{-3}$ m(목표 행정의 0.813%)를 달성하였다. 이는 PSO-LADRC+CCC, IPSO-LADRC(교차 결합 미포함), 최적화되지 않은 LADRC+CCC 및 전통적인 PID+CCC보다 우수한 성능을 보였다. 상대 오차는 1%의 공학적 임계값 미만이었으나, 최적화되지 않은 방식들은 2%를 초 exceeded 하였다.
• 외란 제거 성능:
  • 센서 노이즈: 제안된 방식은 측정 노이즈에 대해 탁월한 강건성을 보여주었으며, 타 방법론 대비 낮은 동기화 오차 표준 편차와 피크 투 피크(peak-to-peak) 값을 유지하였다.
  • 일방향 하중 변화: 한쪽 실린더에 3000 N의 하중이 갑작스럽게 가해졌을 때, 제안된 방식은 동기화 편차를 효과적으로 억제하였으며, 테스트된 모든 컨트롤러 중 가장 낮은 최대 오차와 절대 오차 적분(IAE)을 나타냈다.
  • 입력 이득 감쇄: 좌측 밸브 입력에서 5%의 이득 감쇄가 발생했을 때, 제안된 방식은 매끄러운 제어 입력을 유지하고 동기화 오차를 최소화하여, 다른 방법들에서 나타나는 심각한 신호 변동을 방지하였다.
• 파라미터 민감도: 민감도 분석 결과, 부하 측 저항 및 강성의 차이가 증가함에 따라 동기화 오차가 증가했으나, 제안된 방식은 다양한 불균질도 수준에서도 낮은 오차 수준을 유지하여 적응성을 입증하였다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 IPSO-LADRC+CCC 전략이 부하 측 불균질 조건 하에서의 가설 지지 장치의 협동 전진 제어를 위한 중요한 참고 자료를 제공한다고 주장한다. 주요 기여는 다음과 같다:

1. 모델링: 이상적인 대칭 가정을 사용하는 대신, 등가 저항 및 유연 강성 차이를 통해 부하 측 불균질성을 명시적으로 특성화하였다.
2. 제어 전략: 독립적인 외란 제거(LADRC)와 교차 결합 동기화(CCC)를 결합하고 이를 IPSO로 공동 최적화함으로써, 단일 실린더 추적 성능과 듀얼 실린더 동기화 정확도를 모두 크게 향상시킬 수 있음을 입증하였다.
3. 공학적 영향: 최대 동기화 오차를 약 6.5 mm(행정의 0.813%)로 줄임으로써, 전진 과정 중 지지 프레임의 변형, 뒤틀림, 국부적 끼임 및 구조적 충격의 위험을 크게 완화하였다. 본 연구는 이 방법이 액추에이터의 제약 조건을 준수하면서도 추적 성능과 동기화 정확도 사이의 균형을 효과적으로 맞출 수 있음을 결론지으며, 탄광 작업장의 복잡하고 불균질한 환경에 대한 실행 가능한 솔루션을 제공한다.

저자들은 본 연구가 공동 시뮬레이션 모델을 기반으로 하고 있음을 언급하며, 향후 실제 유압 시스템에서의 실시간 성능과 공학적 신뢰성을 검증하기 위해 프로토타입 테스트 및 구조적 힘 분석이 필요하다고 제언하였다.