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Pressure-Difference Control Method for the Pump Set of a Pile-Bottom Sediment Cleaning Robot Based on Flow-Balance Feedforward Compensation

본 논문은 말뚝 바닥 퇴적물 청소 로봇의 펌프 세트를 위한 유량 균형 피드포워드 퍼지-PID 제어 방법을 제안하고 검증하며, 다양한 유입 및 유량 교란 조건 하에서 시뮬레이션을 통해 기존의 PID 및 퍼지-PID 제어기보다 압력 차 피크 편차와 침강 시간을 유의미하게 감소시킨다는 것을 입증한다.

원저자: Yongrui Wang, Jinge Ma, Shuguang Wang, Qiang GAO, Zhe Ren, Duohua Wu, Zhenbao LI, Jian Zhang

게시일 2026-07-20

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CC BY 4.0

원저자: Yongrui Wang, Jinge Ma, Shuguang Wang, Qiang GAO, Zhe Ren, Duohua Wu, Zhenbao LI, Jian Zhang

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

매우 길고 좁은 빨대로 걸쭉한 밀크셰이크를 마시려고 노력한다고 상상해 보세요. 너무 세게 빨면 빨대가 찌그러질 수도 있고, 셰이크가 사방으로 튈 수도 있습니다. 너무 약하게 빨면 아무것도 나오지 않죠. 이제 밀크셰이크 대신, 무겁고 끈적한 진흙으로 가득 찬 아주 깊고 거대한 구멍을 다루고 있다고 상상해 보세요. 그리고 빨대 대신, 구멍 맨 밑바닥의 슬러지를 청소하기 위해 거대한 로봇을 사용하고 있습니다. 이것이 바로 '현장 타설 말뚝(bored pile)' 건설의 세계입니다. 엔지니어들은 고층 빌딩이나 교량의 기초를 만들기 위해 깊은 구멍을 뚫습니다. 문제는 로봇의 '입' 내부 압력이 외부 진흙의 압력과 맞지 않게 되면, 구멍의 벽이 무너지거나 로버가 끼어버릴 수 있다는 것입니다. 이는 압력을 완벽하게 균형 있게 유지하는 것이 안정적인 건물과 재앙 사이의 차이를 만드는, 유체 물리학의 섬세한 춤과 같습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 펌프를 사용하여 진흙을 빨아올리고 밀어내지만, 진흙은 걸쭉하고 구멍은 깊으며 흐름을 제어하기가 까다롭습니다. 만약 로봇이 진흙을 조금이라도 너무 많이 빨아들이면 압력이 급증하고, 너무 적게 빨아들이면 압력이 떨어집니다. 목표는 진흙이 어떻게 변하든 상관없이 그 압력 차이를 일정하게 유지하는 것입니다.

이 논문은 바로 그 균형 잡기 작업을 다룹니다. 산둥 농업 대학교의 왕용루이(Yongrui Wang)와 그의 팀이 이끄는 연구진은 단순히 압력 변화에 반응하는 것만으로는 너무 느리다는 점을 깨달았습니다. 표준 컨트롤러가 압력이 잘못되었다는 것을 감지하고 수정하려고 시도할 때쯤이면, 이미 진흙이 움직여 버려 구멍 전체를 불안정하게 만드는 흔들림을 유발할 수 있기 때문입니다. 그래서 그들은 로봇의 펌프 시스템을 제어하는 더 스마트한 방법을 제안했습니다. 단순히 문제가 발생하기를 기다리는 대신, 그들은 '앞을 내다보는' 시스템을 구축했습니다. 그들은 로봇의 밀폐된 저장실 내부에서 진흙이 어떻게 행동하는지에 대한 수학적 모델을 만들었으며, 두 가지 기술을 동시에 사용하는 컨트롤러를 설계했습니다. 하나는 들어오는 진흙의 흐름을 예측하여 압력이 변하기 전에 펌프 속도를 조절하는 '피드포워드(feedforward)' 시스템이고, 다른 하나는 예상치 못한 상황을 처리하기 위해 끊임없이 미세 조정을 수행하는 신경계처럼 작동하는 '퍼지-PID(fuzzy-PID)' 시스템입니다.

로봇의 청소 챔버를 수도꼭지와 배수구가 있는 욕조라고 생각해 보세요. 수도꼭지를 틀면 수위가 높아집니다. 일반적인 컨트롤러는 물이 넘치기 시작할 때까지 기다렸다가 배수구를 켭니다. 하지만 이 새로운 시스템은 마치 수도꼭지 손잡이를 지켜보는 친구와 같습니다. 수도꼭지가 열리기 시작하자마자, 그 친구는 새로운 흐름에 맞춰 즉시 배수구를 조절하여 물이 차오를 틈도 없이 수위를 완벽하게 일정하게 유지합니다. 연구진은 이 아이디어를 실제 진흙 구멍이 아닌 컴퓨터 시뮬레이션(MATLAB/Simulink라는 도구 사용)을 통해 테스트했습니다. 그들은 다양한 시나리오를 시뮬레이션했습니다: 진흙이 더 걸쭉해진다면? 로봇이 갑자기 더 많은 진흙을 빨아들인다면? 시스템이 작동한 후 한참 뒤에 새로운 진흙 흐름이 유입된다면?

시뮬레이션 결과는 매우 인상적이었습니다. 연구진이 진흙의 흐름에 갑작스러운 변화를 주었을 때, 새로운 '피드포ワード 퍼지-PID' 컨트롤러는 압력 차이를 놀라울 정도로 안정적으로 유지했습니다. 기존의 방법들(표준 PID 컨트롤러나 기본적인 퍼지-PID 컨트롤러 등)과 비교했을 때, 이 새로운 방식은 최대 압력 스파이크를 약 85% 감소시켰습니다. 시뮬레이션에서 기존 컨트롤러들은 방해 요소가 발생했을 때 압력이 거의 100,000 파스칼(약 14.5 psi)까지 치솟게 두었지만, 새로운 시스템은 이를 15,000 파스칼 미만으로 유지했습니다. 또한 훨씬 더 빠르게 정상 상태로 복귀하여, 다른 방법들에 비해 안정화되는 시간을 약 36%에서 53%까지 단축했습니다. 심지어 진흙의 '강성(stiffness)'을 변경했을 때도(서로 다른 종류의 토양과 진흙 혼합물을 시뮬레이션함), 새로운 컨트롤러는 안정성을 유지하여 진흙의 특성 변화에 쉽게 혼란을 느끼지 않음을 보여주었습니다.

이 논문은 단순하고 반응적인 컨트롤러만으로는 이 작업을 수행하기에 충분하다는 생각을 명시적으로 부정합니다. 저자들은 오직 피드백(오류가 발생할 때까지 기다리는 것)에만 의존하는 것은 이러한 고압, 고강성 환경에서 너무 많은 지연과 진동을 유발한다고 주장합니다. 또한 그들의 모델이 매우 상세하지만 여전히 시뮬레이션이라는 점도 언급했습니다. 그들은 로봇의 저장실이 진흙으로 채워진 단단하고 완벽하게 밀봉된 상자라고 가정했으며, 펌프가 작동 속도 근처에서 예측 가능한 선형적인 방식으로 작동한다고 가정했습니다. 아직 실제 구멍 속의 실제 로봇을 대상으로 테스트하지는 않았습니다. 그러나 시뮬레이션은 '앞을 내다보는' 피드포워드 전략과 스스로 조정되는 피드백 루프를 결합함으로써, 일반적으로 청소 로봇을 괴롭히는 압력 변동을 크게 완화할 수 있음을 시사합니다. 이 접근 방식은 단순히 문제를 해결하는 것이 아니라, 문제가 커지기 전에 예방하는 것으로, 더 안정적이고 효율적인 심층 구멍 건설을 향한 유망한 길을 제시합니다.

기술 요약: 유량 균형 전향 보상에 기반한 말뚝 바닥 퇴적물 제거 로봇의 펌프 세트용 압력 차이 제어 방법

문제 정의
현장 타설 말뚝(Bored Pile) 시공 시, 말뚝 바닥에 쌓인 퇴적물은 "연성 쿠션(soft cushion)" 효과를 발생시켜 선단 지지력을 현저히 감소시키며(80% 이상), 측면 마찰력 또한 크게 저하시킵니다(70% 이상). 기존의 세척 방식은 지상 펌핑 및 순환 방식에 의존하지만, 관로 위치의 한계와 압력 변동으로 인해 깊고 직경이 크거나 복잡한 지층 내에 국부적으로 잔류하는 퇴적물을 처리하는 데 어려움이 있습니다. 이를 해결하기 위해 퇴적 구역에서 직접 작동하는 말뚝 바닥 퇴적물 제거 로봇이 개발되었습니다. 그러나 로봇의 흡입 및 배출 작업은 밀폐된 퇴적 저장실 내부의 유량 평형을 교란하여, 실 내부와 주변 보어홀 이수(mud) 사이의 압력 차이 변동을 유발합니다. 이러한 변동은 말뚝 바닥 환경과 보어홀 벽면의 안정성을 해칠 수 있습니다. 표준 PID 또는 강인 제어와 같은 기존 제어 전략은 밀폐된 챔버 특유의 높은 유체 강성(fluid stiffness), 강한 외란, 그리고 결합된 시간 지연 특성으로 인해 진동이 발생하거나 응답 속도가 느려지는 문제가 있습니다.

연구 방법론
본 연구는 말뚝 바형 퇴적물 제거 로봇의 펌프 세트를 제어하기 위해 유량 균형 전향 보상(flow-balance feedforward compensation) 전략과 퍼지-PID(fuzzy-PID) 피드백 제어기를 결합한 방안을 제안합니다.

시스템 모델링:
- 밀폐된 퇴적 저장실의 동적 압력 차이 모델을 구축하였습니다. 이 시스템은 유입 유량 명령을 외란 입력으로, 배출 펌프 속도를 제어 변수로, 내부-외부 압력 차이를 공정 출력으로 취급합니다.
- 이수는 강체 용기 내의 약하게 압축 가능한 유체로 모델링되었습니다. 순 부피 변화와 압력 차이 간의 관계를 도출하였으며, 이를 통해 이수의 체적 탄성계수( $K$ )와 챔버 부피( $V$ )를 고려한 전달 함수를 산출하였습니다.
- 가변 주파수 펌프 역학은 운전점 근처에서 선형화되었으며, 유량-속도 관계와 모터 관성을 1차 관성 요소로 모델링하였습니다.
제어 구조:
- 전향 보상(Feedforward Compensation): 유량 균형 메커니즘은 압력 차이 오차가 발생하기 전, 알려진 유입 유량 명령을 기반으로 필요한 배출 펌프 속도 보상량을 계산합니다. 이상적인 전향 보상기는 외란을 완벽하게 상쇄하도록 설계되었으나, 모델 불확실성을 고려하고 과보상을 방지하기 위해 보정 계수( $\eta = 0.85$ )를 도입하였습니다.
- 피드백 제어(Feedback Control): 퍼지-PID 제어기는 압력 차이 오차( $e$ )와 오차 변화율($ec$)을 입력값으로 사용합니다. 49개의 규칙(rule base)을 활용하여 비례( $K_p$ ), 적분( $K_i$ ), 미분( $K_d$ ) 이득을 실시간으로 조정하여 피드백 수정 신호를 생성합니다.
- 복합 제어(Composite Control): 전체 배출 펌프 속도 명령은 전향 보상 신호와 퍼지-PID 피드백 수정 신호의 선형 중첩으로 구성됩니다.
시뮬레이션 및 검증:
- MATLAB/Simulink를 사용하여 세 가지 시나리오(유입 단계 외란 20–50 m³/h 변화, 이수 체적 탄성계수 1.9–2.2 GPa 변화, 안정 운전 50초 후 유량 외란 발생)에 대해 시뮬레이션을 수행하였습니다.
- 성능 평가는 피크 편차, 침강 시간(settling time), 정상 상태 오차, 침강 후 진동 진폭의 네 가지 지표를 사용하여 표준 Fuzzy-PID 및 PID 제어기와 비교되었습니다.

주요 기여

동적 모델링: 본 논문은 유입-배출 유량 불일치와 압력 변동을 명시적으로 연결함으로써, 퇴적물 제거 로봇의 밀폐된 퇴적 저장실에 대한 특화된 동적 압력 차이 모델을 구축하였습니다.
하이브리드 제어 전략: 유량 균형 전향 보상과 퍼지-PID 피드백을 결합한 복합 제어 구조를 도입하였습니다. 이 접근 방식은 측정 가능한 외란을 선제적으로 보상하는 동시에 잔류 오차를 적응적으로 수정함으로써, 높은 유체 강성과 시간 지연 문제를 해결합니다.
정량적 성능 분석: 제안된 방법이 다양한 물리적 파라미터 변화에도 불구하고 기존의 피드백 전용 방식보다 피크 억제 및 응답 속도 측면에서 월등히 우수함을 입증하는 엄격한 비교 분석을 제공합니다.

결과
시뮬레이션 결과, 제안된 전향 퍼지-PID 제어기는 시스템 안정성과 응답 속도를 크게 향상시켰습니다:

유입 외란 발생 시: 제안된 방법은 Fuzzy-PID 및 PID 제어기와 비교하여 피크 편차를 약 85% 감소시켰습니다. 또한 침강 시간을 Fuzzy-PID 대비 36%–47%, PID 대비 46%–53% 단축했습니다.
체적 탄성계수 변화 시: 제로 제어기는 이수 강성 변화에 낮은 민감도를 보였습니다. 피크 편차는 약 14.41 kPa 수준으로 안정적으로 유지되었으며(타 방식 대비 85% 감소), 침강 시간은 18.84 s로 일정하게 유지되었습니다.
2차 유량 외란 발생 시 (50초 후): 안정 운전 중 외란이 도입되었을 때, 제안된 방법은 피크 편차를 85%–89% 줄였고, 침강 시간을 Fuzzy-PID 대비 62%–90%, PID 대비 65%–91% 단축했습니다.
정상 상태 성능: 본 방법은 벤치마크 제어기들에 비해 일관되게 낮은 정상 상태 오차와 침강 후 진동 진폭을 달 дости했습니다.

의의 및 결론
저자들은 본 연구가 펌프 세트의 안정적인 제어를 위한 효과적인 지원책을 제공한다고 주장합니다. 피크 압력 차이를 효과적으로 줄이고 침강 시간을 단축함으로써, 보어홀 벽면의 불안정성 위험을 완화하고 안정적인 퇴적물 제거 환경을 보장합니다. 결론적으로, 유량 균형 전향 보상과 퍼지-PID 피드백의 결합은 높은 유체 강성과 강한 외란이 특징인 시스템에 특히 적합하며, 밀폐된 퇴적 저장실 내의 압력 균형을 유지하기 위한 견고한 솔루션을 제공합니다.

본 논문은 현재 모델이 이수가 채워진 강체 챔버를 가정하고 있으며, 운전점 근처의 유사한 펌프 역학을 상정하고 있다는 한계점을 인정합니다. 향후 연구는 파라미터 섭동 시뮬레이션 및 실제 퇴적물 제거 조건에서의 프로토타입 테스트에 집중할 예정입니다.

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