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KR-20260061534-A - System and Method for Managing Transition to Extreme Design Conditions by Rewriting Control Constraints Based on Machine Specifications

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Abstract

목적 : 기존 제어 시스템이 극한 상황에서 기계 보호를 위해 성능을 제한하여 발생하는 인명 사고 및 시스템 파손 문제를 해결하고자 함. 수단 : 실시간 운용 데이터(평균, 편차 등)를 기반으로 제어 제약 조건을 동적으로 재작성하며, 이를 FPGA, ASIC 등 독립된 하드웨어 기속기 상에서 구현하여 결정론적 실시간성을 확보함. 효과 : 극한 상황에서 시스템의 잠재 성능을 일시적으로 최대화함으로써 치명적인 사고를 회피하고 시스템 생존율을 획기적으로 높임.

Inventors

  • 안지호

Assignees

  • 안지호

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20260417

Claims (8)

  1. 기계 시스템의 제어를 관리하는 제어 시스템에 있어서, 제어 대상 기계에 대한 제어 연산을 수행하는 기존 제어 알고리즘의 구조를 변경하지 않고, 상기 기계의 기계적, 전기적 또는 열적 설계 제원에 의해 정의된 하나 이상의 제어 제약 조건의 허용 범위를, 운용 중 실시간으로 취득되는 센싱 데이터로부터 도출된 운용 특성 지표에 기초하여 동적으로 재 작성함으로써, 정상 설계 조건에 따른 제어 상태와 극한 설계 조건에 따른 제어 상태 간의 제어 전이를 관리하도록 구성된 제어 제약 재작성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 운용 특성 지표는 센싱 데이터의 시간적 평균, 편차, 분산, 변동성 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 제어 제약 재작성부는 상기 운용 특성 지표와 설계 제원을 비교하여 제어 전이 기준을 형성하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제어 전이 기준은 정상 설계 조건, 극한 설계 조건, 또는 그 중간 단계에 대응하는 복수의 전이 단계를 포함하며, 상기 제어 제약 재작성부는 전이 단계에 따라 제어 제약 조건의 허용 범위를 단계적으로 확장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 제약 재작성부는 상기 기존 제어 알고리즘의 내부 연산 경로 외부에 배치되어, 제어 알고리즘에 입력되는 제어 제약 조건 값 만을 재 작성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 제약 재작성부는 FPGA, SoC FPGA 또는 이에 준하는 ASIC 와 같은 하드웨어 상에서, 결정론 적인 반응 지연 시간을 갖도록 구현되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제어 제약 조건은 토크 제한, 전류 제한, 전력 제한, 전압 제한, 가속도 제한 또는 이들을 구현하기 위한 듀티비(Duty Cycle) 한계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 극한 설계 조건 상태에서의 허용 운용 시간, 누적 운용량 또는 운용 종료 조건 중 적어도 하나를 관리하는 극한 운용 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  8. 기계 시스템의 제어를 관리하는 방법에 있어서, 제어 알고리즘의 구조를 변경하지 않고, 기계의 설계 제원에 의해 정의된 제어 제약 조건의 허용 범위를, 운용 중 획득된 센싱 데이터로부터 생성된 운용 특성 지표에 기초하여 동적으로 재 작성함으로써, 정상 설계 조건에서 극한 설계 조건으로의 제어 전이를 관리하는 제어 방법.

Description

기계 제원 기반 제어 제약 재작성에 의해 극한 설계 조건 전이를 관리하는 제어 시스템 및 방법{System and Method for Managing Transition to Extreme Design Conditions by Rewriting Control Constraints Based on Machine Specifications} 본 발명은 산업용 로봇, 자율 이동체, 항공우주 시스템, 전력·에너지 장비 및 기타 사이버-물리 시스템(Cyber-Physical System)의 제어 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어 알고리즘의 구조를 변경하지 않고, 기계의 설계 제원으로 정의된 제어 제약 조건을 운용 중 획득되는 센싱 데이터에 따라 동적으로 재 작성함으로써, 정상 운용 영역에서 극한 설계 조건 영역으로의 제어 전이를 관리하는 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 종래의 제어 시스템은 시스템의 안정성 확보를 최우선으로 고려하여, 설계 단계에서 정의된 고정된 제어 제약 조건(예: 토크 제한, 전류 제한, 가속도 제한 등)을 기반으로 운용된다. 이러한 접근 방식은 정상 운용 환경에서는 효과적이나, 예상하지 못한 외란, 미션 실패 위험, 또는 생존성 확보가 중요시되는 상황에서는 시스템이 보유한 잠재 성능을 충분히 활용하지 못하는 문제가 있다. 한편, 일부 시스템에서는 비상 모드, 세이프 모드 또는 림프 모드와 같은 보호 운용 모드가 제공되지만, 이들 역시 사전에 정의된 고정 제약 조건으로 전환되는 방식으로 동작하며, 운용 중 수집되는 센싱 데이터와 기계의 설계 제원 간의 관계를 실시간으로 반영하지는 못한다. 또한, 종래 기술 중 일부는 센싱 데이터를 이용하여 이상 상태를 검출하거나 경고를 발생시키는 기능을 제공하나, 이러한 기술들은 주로 이상 여부의 판단에 초점을 둘 뿐, 해당 판단 결과를 제어기의 제약 조건 구조 자체에 반영하여 설계 한계를 일시적으로 활용하는 제어 전이 구조를 제시하지는 못하였다. 결과적으로, 기존 제어 기술은 극한 상황에서의 운용 전략을 체계적으로 관리하기 어렵고, 설계자가 의도하지 않은 과도한 보수성이 시스템 성능을 제한하는 문제가 존재하였다. 도 1: 본 발명의 제어 제약 재작성 기반 극한 설계 조건 전이 관리 시스템의 전체 구성도도 2: 운용 특성 생성 및 제어 전이 기준 형성 흐름도도 3: 제어 제약 재작성에 따른 설계 조건 전이 개념도 상기 제어 전이 기준은 평균, 편차, 변동성 또는 이들의 결합을 이용하여 형성될 수 있으며, 이는 하나의 실시예에 불과하다. 본 발명은 특정 통계 연산 방법에 한정되지 않으며, 제어 알고리즘 외부에서 제어 제약 조건을 재 작성하는 구조 자체에 기술적 요지가 있다. 본 시스템은FPGA, SoC FPGA 또는 임베디드 프로세서와 ASIC 상에 구현될 수 있으며, 고속 실시간 처리가 요구되는 제어 환경에 적용 가능하다.