‘ACC 2013 학술대회’ 참관기

1982년도부터 시작한 American Control Conference(ACC)는 American Automatic Control Council(AACC)에서 매년 주최하는 제어분야 국제학술대회이다. ACC 학술대회는 지난해 캐나다 몬트리올에서 개최된데 이어 2013년에는 6월 17일부터 19일까지 미국 워싱턴 DC에서 개최되었다. 동 학술대회는 예년과 마찬가지로 엄선된 연구결과들이 구두(Oral Presentation) 형태로 발표됐으며, 향후 연구방향을 제시하는 귀중한 자리가 되었다.

 

 

이번 American Control Conference(ACC) 2013 학술대회는 1,864편의 논문이 사전 신청됐지만 그 중에서 엄선된 1,137편(62.6%)의 논문만이 발표할 수 있는 영예를 얻었다. ACC 학회는 올해에도 어김없이 세계 각지의 산학연에서 제어분야 관련 연구자 2,000여명이 참석하여 뜨거운 호응 속에 진행되었다.
특히 이번 ACC 2013 학술대회에서는 6개의 Plenary Session과 13개의 Special Session, 13개의 Workshop, 12개의 Tutorial Session, 27개의 Invited Session 등 알찬 스케줄로 구성되어 짧은 시간 안에 많은 정보를 접할 수 있는 좋은 기회의 장이 되었다.

 

[Plenary Lecture]
Advanced Motion Control for High Tech Systems

최근 고부가가치를 창출하는 최첨단 선도 산업들은 정밀하고 정교한 제어기술을 기반으로 하고 있으며 초정밀 제어기술은 첨단 산업의 지속적인 발전에 없어서는 안 될 핵심요소기술이 되고 있다.
그 대표적인 예로는 수 ㎚ 수준의 정밀도를 요구하는 반도체 공정장비와 초정밀 움직임을 요구하는 안구수술 로봇 등이 있다(Fig.1 참조). 이런 장비들은 제한된 하드웨어 성능 내에서 최대의 능력을 발휘하기 위해 설계단계부터 모션제어기술에 기반을 둔 하드웨어 설계가 진행된다.
발표자 Steinbuch 교수는 지금까지 개발한 모션제어기술을 원자현미경, 하이브리드 자동차, 로봇축구, 자율주행기술 등에 적용하여 연구의 폭을 확장하고 있음을 밝혔다. 지칠 줄 모르고 끝없이 연구를 확장해 나가는 그의 발자취는 많은 연구자들에게 신선한 자극이 되리라 사료된다.

 

 

Optimized S-curve Design for Fast Movement with Less Residual Vibration

필자가 본 학회에서 발표한 논문으로, 본 연구에서는 초고속 초정밀 이송장비 또는 로봇의 핵심 기술인 잔류진동(Residual Vibration)을 최소화하면서 빠른 움직임을 얻기 위한 모션프로파일(Motion Profile) 설계방법을 Laplace Domain 상에서 해석적으로 규명했다.
본 연구는 S-curve 모션 프로파일에 대해 극영점상쇄(Pole-zero Cancelation) 개념을 이용하여 통합된 설계방법론을 제시했다. 본 논문의 핵심아이디어는 시스템의 진동모드를 표현하는 극점(Pole)을 모션프로파일에 의해 만들어지는 영점(Zero)으로 상쇄시킴으로써 잔류진동을 최소화한다는 것이다. 또한 모델링오차(Modeling Error)에 대해 제안된 설계방법론의 강인성을 분석했고, 이를 시뮬레이션과 실험으로 검증했다.
본 발표는 피드백제어(Feedback Control)에서만 다루던 강인성 해석을 피드포워드제어(Feedforward Control) 기법인 모션프로파일 설계에 반영했다는 점에서 많은 관심이 주목되었다. 제안된 설계방법론은 해석적이고 간단하다는 점에서 잔류진동을 최소화하면서 빠른 움직임을 만드는 모션프로파일 설계에 효과적이고 효율적인 설계 가이드라인을 제공하리라 기대된다.

 

Multi-Input Shaping Control for Multi-Hoist Cranes

입력성형기(Input Shaper)를 연구하는 Singhose 연구팀은 올해에도 어김없이 ACC 학회에 논문을 게재했다. 입력성형기는 시스템의 정보를 이용하여 임펄스 시퀀스(Impulse Sequence)를 만들고 이를 기준입력(Reference Signal)과 컨볼류선 적분(Convolution Ingeral)을 함으로써 성형된 기준입력을 따라 시스템이 움직일 때 시스템의 탄성모드에 의해 야기되는 진동을 없애는 피드포워드 제어 방법이다.
이번에 발표한 논문은 멀티 크레인 시스템(Multi-crane System, Fig.4)과 같이 다중입력에 의해 시스템이 가진될 때 개별 입력신호를 어떻게 성형해야 하는지에 대한 내용을 다루고 있다. 본 논문에서는 크게 2종류의 입력성형기를 선보였는데 하나는 개별적인 크레인의 줄 길이(i.e., L1, L2)를 이용하여, 입력성형기를 개별적으로 만든 후 각각의 Trolley에 적용하는 방법이었다. 이럴 경우, 입력성형을 사용하지 않은 경우에 비해 약 98%의 진동저감 효과를 얻을 수 있다고 주장했다(Fig.5, 6).
다른 입력성형기는 벡터다이어그램(Vector Diagram) 기법을 이용하여 입력 1은 성형하지 않고 입력 2만 성형하여 잔류진동을 저감하는 방법론이었다(Fig.7). 본 연구는 감쇠비가 0일 때에 대한 해석만 되어 있어 감쇠비가 0이 아닐 때 제안된 방법론이 어떻게 확장될 수 있을지 추후 연구가 필요하리라 판단된다. Singhose 연구팀은 지난 20여 년 동안 입력성형기를 이용하여 지속적인 연구를 해왔다. 이 연구팀의 끈기와 열정은 많은 연구자들에게 좋은 귀감이 되리라 사료된다.

 

Fig.7 MI-UM-ZV(Multi-Input Unity-Magnitude Zero-Vibration) 성형기를 적용한 후 Trolley 1, 2를 움직였을 때 Hook 1과 2에 발생하는 진동

 

Robust Nonlinear Position Control with Conditional Reset Integrator for Permanent Magnet Stepper Motors

PMSMs(Permanent Magnet Stepper Motors)의 위치제어 성능 향상을 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 가장 기본이 되는 연구성과로는 Lyapunov-based Controller를 이용한 Microstepping 기술로 모터를 구동시키는 전류를 원하는 값에 수렴시키는 제어방법이다.
하지만 이런 제어 알고리즘들은 기계적인 동역학을 무시하고 설계되었기 때문에 실제 실험을 하다보면 초기 위치오차와 부하토크에 의해 성능이 크게 저하되는 특징이 있다. 이를 보완하고자 여러 제어 알고리즘이 제안되었는데 제안된 알고리즘 대부분이 속도 혹은 전류를 직접 측정하거나 이를 예측하여 사용하는 방법론이다. 속도 측정의 경우 비용문제와 해상도 측면에서 좋지 못해 실제 적용이 까다롭고, 전류측정의 경우 PWM Switching Noise 등 여러 노이즈에 영향을 받는다는 단점이 있다.
본 논문에서는 PMSM의 구조적 특징을 이용하여 속도와 전류를 측정하지 않고 위치제어를 하는 비선형 제어기를 소개하고 있다. 위치제어를 위해 보통 높은 게인의 적분기를 이용하는데 높은 게인의 적분기를 이용할 경우, 정상상태 위치오차와 입력 노이즈, 시스템 외란, 부하토크 등에 강인한 특정을 보이지만 과도응답에서 큰 오버슈트가 발생하는 단점이 있다. 이를 극복하고자 본 논문에서는 Conditional Reset Integrator라는 새로운 형태의 제어기를 소개함으로써 높은 게인을 이용한 적분기의 단점을 보완했다.

 

Iterative Learning Control for Vibration Reduction in Industrial Robots with Link Flexibility

LCD Glass Handling Robot(이하 LCD 이송장치)과 같이 구조체의 탄성이 큰 경우, 구조체가 이송한 후에도 구조체 끝단에 진동이 잔존하여 LCD 기판이 깨지거나 구조체에 기계적 데미지를 입히는 등 많은 문제가 발생하고 있다(Fig.8).
특히, 이런 잔류진동은 공전시간(空轉時間)을 늘려 총 정착시간(Settling Time)이 늘어나 생산성 측면에 매우 안 좋은 영향을 미친다. 본 논문에서는 LCD 이송장치의 이동 궤적을 학습알고리즘을 통해 최적 궤적을 생성함으로써 이송 후에 잔존하는 진동을 최소화하는 연구를 진행했다(Fig.9).
본 논문에서 제안한 학습알고리즘의 경우, 기구부의 기구학정보를 활용하기 때문에 수렴속도가 탁월하여 최적해를 빨리 찾을 수 있다는 장점이 있다(Fig.10). Fig.11은 20번의 학습 이후 LCD 이송장치를 이동시켰을 때 발생하는 진동과 학습하지 않을 때의 진동을 비교한 시뮬레이션 결과이다. Fig.11에서 볼 수 있듯이 제안한 알고리즘을 이용할 경우 LCD이송장치 끝단에 발생하는 진동을 효과적으로 저감할 수 있다.

 

 

해외 학술대회에 대한 한국 연구계의 활발한 교류 기대

ACC 학회는 필자가 관심을 가졌던 국제학술대회로 많은 지식과 창의적인 아이디어를 제공해 줄 뿐만 아니라 필자의 연구에 대한 강한 자극을 주는 학술대회이다. 이번 학술대회에서도 느꼈듯이 항상 아쉬운 점은 한국 연구자들이 다른 나라에 비해 상대적으로 그 수가 매우 적다는 점이다. 이번에도 2,000명이 넘는 참가자 중 한국 연구자들은 20여명에 그치는 수준이었다. 대한민국의 연구역량에 비추어 볼 때, 한국 연구자들의 해외 학술대회 참석은 상대적으로 저조한 편인 것이다.
내년 ACC 학회에서는 금년보다 더 많은 한국 연구자들이 참석하여 세계적인 거장들과 최신의 연구 동향을 공유하고 열띤 토론을 통해 활발한 교류가 이루어지길 바란다.

기계공학연구정보센터 www.metric.or.kr / 필자 하창완 KAIST 기계공학과 박사과정

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - ‘ACC 2013 학술대회’ 참관기