State Feedback과 Observer
위치만 측정하는 시스템에서 속도를 추정해 제어하고, 추정 속도와 잡음 민감도를 함께 비교합니다.
실습 전에
01 위치를 측정하면 속도도 알 수 있을까요?
설명
한 시각의 위치만으로는 부족합니다. 알려진 동역학 아래 위치가 변하는 기록으로 속도를 구분할 수 있는지가 Observability입니다.
02 Observer Pole을 더 왼쪽으로 보내면 무엇이 달라질까요?
설명
초기 추정 오차는 빠르게 줄 수 있지만, 측정 잡음에 대한 추정기 이득도 커질 수 있습니다. 수렴과 잡음 반응을 함께 비교합니다.
1. 측정값으로 상태를 구분할 수 있는가
시작 조건
위치[m]·속도[m/s]를 상태로 하는 , 입니다. , , 을 사용합니다.
진행 방법
- 가제어 행렬 [B,AB]와 가관측 행렬 [C;CA]를 만들고 rank를 구하세요.
- B를 영벡터로 바꾼 경우와 인 경우를 각각 비교하세요.
- 입력이 작용하지 않는 경우와 측정이 없는 경우를 구분해 설명하세요.
남길 결과
- 세 조건의 두 rank와 가능한 설계의 비교표.
기록 항목과 확인할 점
- 조건
-
- Controllability rank
-
- Observability rank
-
- 설계 가능 여부
-
확인할 점
- 기준 모델의 두 rank가 모두 2인가?
- rank가 부족한 모델에 Pole placement를 그대로 적용하지 않았는가?
2. State Feedback과 Observer를 연결하기
시작 조건
, 입니다. 제어 Pole은 −2,−4, Observer Pole은 −8,−10입니다. , 입니다.
진행 방법
- K와 L을 계산하고 , 의 고유값을 대조하세요.
- 실제 상태와 추정 상태를 동시에 적분해 0–4 s의 위치·속도와 추정 오차를 그리세요.
- 추정 오차가 줄어드는 과정과 출력이 목표값으로 가는 과정을 구분하세요.
남길 결과
- 위치·추정 위치, 속도·추정 속도의 두 그래프와 최종 추정 오차.
기록 항목과 확인할 점
- K
-
- L
-
- 제어 Pole
-
- Observer Pole
-
- 최종 오차
-
확인할 점
- 계산한 , 을 대입한 , 의 Eigenvalue가 각각 지정한 제어 Pole과 Observer Pole에 일치하는가?
- s에서 위치·속도의 추정 오차가 각각 1e-6 m, 1e-6 m/s보다 작은가?
3. Observer를 빠르게 하면 항상 좋은가
시작 조건
측정에 n(t)=0.02*sin(40*t)를 더합니다. Observer Pole (−8,−10), (−20,−25)를 비교하고 제어기 K는 고정합니다.
진행 방법
- 실습용 노트북의 함수에 두 Observer 설정을 넣고 같은 시간축에서 제어입력 u를 비교하세요.
- 1 s 이후의 위치 오차 RMS, 속도 오차 RMS, 제어입력 RMS를 각각 구하세요.
- 초기 추정 오차의 수렴과 측정 잡음에 대한 반응을 별개로 해석하세요.
남길 결과
- 제어입력 곡선과 세 RMS의 비교표, 선택할 설정의 근거.
기록 항목과 확인할 점
- Observer Pole
-
- 위치 오차 RMS [m]
-
- 속도 오차 RMS [m/s]
-
- 입력 RMS [N]
-
- 선택 근거
-
확인할 점
- 두 설정의 잡음·Initial Condition·시간 간격이 같은가?
- 오차와 입력을 한 지표로 혼동하지 않았는가?
공식 예제·데이터