3-자유도 헬리콥터 시스템의 입자군집최적화 기법을 이용한 시스템 식별

이호운(Ho-Woon Lee),김태우(Tae-Woo Kim),김태형(Tae-Hyoung Kim) 한국지능시스템학회 2015 한국지능시스템학회논문지 Vol.25 No.2

본 연구는 Quanser사의 3-자유도 헬리콥터 시스템에 대한 종래의 선형 수리 모델을 개선한 수리 모델을 제안하고, 실험을 통해 제안된 수리 모델을 기반으로 설계된 제어기의 제어 성능을 종래의 수리 모델을 기반으로 설계된 제어기의 제어 성능과 비교함으로써 그 타당성을 검증한다. 이에 대한 연구 진행 과정은 다음과 같다. 첫째, 3-자유도 헬리콥터 시스템의 동특성을 분석하고, 종래의 선형 수리 모델을 구축한다. 둘째, 종래의 수리 모델의 구축을 위해 수행된 선형화 과정에서 제거된 비선형적 요소들을 파악한다. 그리고 이 제거된 비선형적 요소들에 대응하는 파라미터들을 추가하여 개선된 수리 모델을 구축한다. 이 때, 수리 모델을 구축하기 위해 메타 휴리스틱 전역 최적화 기법인 입자군집최적화 알고리즘을 이용한다. 마지막으로, 제안된 모델을 기반으로 제어기를 설계하고, 이를 종래의 수리 모델을 기반으로 설계된 제어기의 제어 성능을 비교하여 제안된 수리 모델의 타당성을 검증한다. This study proposes the more improved mathematical model than conventional that for the 3-DOF Helicopter System in Quanser Inc., and checks the validity about the proposed model by performance comparison between the controller based on the conventional model and that based on the proposed model. Research process is next : First, analyze the dynamics for the 3-DOF helicopter system and establish the linear mathematical model. Second, check the eliminated nonlinear-elements in linearization process for establishing the linear mathematical model. And establish the improved mathematical model including the parameters corresponding to the eliminated nonlinear-elements. At that time, it is used for modeling that Particle Swarm Optimization algorithm the meta-heuristic global optimization method. Finally, design the controller based on the proposed model, and verify the validity of the proposed model by comparison about the experimental results between the designed controller and the controller based on the conventional model.

농업용 관수로의 최적관경 선정을 위한 개선방안 연구

김경완,이영진,강두선,김영화,Kim. Kyungwan,Lee. Youngjin,Kang. Doosun,Kim. Younghwa 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.6

전통적으로 농업용수 공급시설은 개수로의 형태가 대부분이었으나 비효율적이고 운영 및 관리에 어려움이 있다는 단점이 지적되어 왔다. 최근 들어 이러한 단점을 보완하기 위해, 안정적인 용수공급과 시스템 관리가 용이한 관수로 시스템으로의 전환이 모색되고 있다. 경제성을 고려한 농업용 관수로 시스템의 설계를 위해서는 최적화 기법의 적용이 반드시 필요하다. 하지만, 기존의 최적화 기법들은 결정변수가 많은 대규모 시스템에 적용할 경우 계산효율이 떨어지고, 실무에 사용이 가능한 해를 제시하지 못하는 경우가 많았다. 본 연구에서는 기존의 최적화 기법이 가지는 이러한 문제점을 개선할 수 있는 방안을 개발하고 적용하였다. 적용 모형은 관망 수리해석 프로그램인 EPANET모형과 군탐색 최적화 기법인 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)을 연계하도록 구성되었다. 기존의 유전자 알고리즘이 초기해(Initial Population)로 무작위해(Random Solution)를 사용하는 것과 달리, 본 연구에서는 수리해석을 이용한 전처리과정을 통해 선정된 초기전략해(Strategic Initial Population)를 사용함으로써 최적화 알고리즘의 계산효율을 높이고 동시에 전역해(Global Optimum)에 근접한 최적설계가 가능하도록 하였다. 개발된 모형을 대규모 농업단지에 적용한 결과 기존의 최적화 기법에 비해 경제적, 수리학적으로 개선된 설계결과를 얻을 수 있었다. 본 논문에서는 초기전략해를 이용한 농업용 관수로 시스템의 최적화기법을 상세히 설명하고, 그 적용절차 및 결과를 제시하였다. Traditionally, open channel flow systems have been mainly utilized for agricultural irrigation water supply. To date, a pipe network system is gaining spotlight as an alternative in this field for reliable and efficient water supply. Optimization techniques are beneficial for least-cost design of large-scale irrigation systems. Previous optimization techniques, however, had drawback in terms of computational efficiency when applied to a large scale system with lots of decision variables, and often provided solutions not applicable to real network design. In this study, an improved approach for determining optimal diameter of agricultural pipe systems are proposed. The model consists of a heuristic search approach, Genetic Algorithm (GA), and a hydraulic simulator, EPANET. Instead of using random initial population for GA, a strategic initial population was constructed and provided from a pre-processing based on iterative hydraulic analyses. The proposed approach enabled the optimal design to be found and improved computational efficiency of GA. The developed model was applied to a large-scale irrigation network and optimal designs were obtained with lower economic cost yet better hydraulic performances. This paper describes the proposed approach utilizing the strategic initial population and the application procedures and results are discussed.

농업용 관수로 시스템의 최적 설계 및 신뢰성에 관한 연구

이영진,김경완,강두선,김영화 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.6

Agricultural irrigation system is required to be designed economically and should be reliable with minimal suspension in watersupply. This study suggests a multi-criteria design approach for irrigation pipe network systems. A system reliability is suggestedas a second objective, which is defined as annual non-supplied volume of water by considering pipe failure. The non-suppliedwater is quantified based on the expected number of pipe failure and pipe repair time. A hydraulic simulator(EPANET) is linkedwith a heuristic-search optimization algorithm(Genetic Algorithm, GA) for least-cost system design. Once the least-cost design isdetermined, the system reliability is calculated for the obtained optimal design. In order to evaluate the relation between systemcost and water-supply reliability, three layouts(two branch- and a looped-networks) were suggested for least-cost design and reliabilityestimation. The application results showed that the multi-criteria design approach is superior than single-objective designscheme by providing decision makers with additional information to determine optimal designs. 농업용수 공급을 위한 관수로 시스템은 경제적인 설계와 안정적인 용수 공급을 목표로 한다. 본 연구에서는 경제성과 안정성을 동시에 갖춘 농업용 관수로 시스템의 최적 설계(관노선 및 관경결정)를 위해 비용최소화와 더불어 용수공급 신뢰성을 목적함수로 제시함으로써 다기준 최적설계 기법을 제안하였다. 이를 위해 관수로 수리해석 프로그램인 EPANET모형과 비선형 최적화 기법인 유전자 알고리즘을 연계하여 농업용 관수로 최적화 연구를 수행하였다. 용수공급 시스템의 신뢰성을 정량화하는 방안으로 연간 관 파손 가능횟수 및 파손된 관의 복구시간을 고려하여 연간 용수 미공급량을 계산하였다. 관 노선형태에 따른 시스템의 설계비용과 용수공급 신뢰성을 비교하기 위하여 동일한 수요지점에 대한 세 가지 다른 형태의 네트워크를 구성하였다. 각각의 네트워크별로 최소비용 최적화 설계를 실시한 후, 구해진 최적 시스템에 대해 연간 용수 미공급량을 계산하였다. 적용결과, 시스템의 노선형태에 따라 설계비용과 용수공급 신뢰성의 두 인자 간에 일정한 상관관계를 갖고 있는 것으로 나타났다. 제안된 기법은 기존의 비용최소화를 목적으로 하는 단목적 설계방법의 단점을 보완하고, 의사결정자에게 추가적인 설계기준을제시함으로써 해당 시스템의 목적에 부합하는 최선의 설계안을 선택할 수 있는 방안을 제시하였다.

근사모델을 이용한 해양시스템 성능예측에 관한 연구

이재철(Jae-chul Lee),신성철(Sung-chul Shin),이순섭(Soon-Sub Lee),강동훈(Dong-hoon Kang),이종현(Jong-Hyun Lee) 한국지능시스템학회 2016 한국지능시스템학회논문지 Vol.26 No.4

초기설계 단계에서 시스템의 성능을 고려한 형상의 최적화가 필요하다. 하지만, 일반적으로 공학시스템의 성능예측은 많은 계산 시간이 요구되는 작업이다. 시스템 형상의 최적화를 위해서는 다양한 설계대안에 대한 성능의 평가가 요구되므로 초기 설계과정에서 많은 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 많은 연구자들은 응답표면방법을 이용한 성능예측에 관한 다양한 연구를 시도하고 있다. 하지만, 이 방법은 비선형성이 강한 문제에서 예측오차가 비교적 크게 발생하는 단점이 있다. 따라서 본 연구의 최종목표는 초기설계과정에서 성능예측을 위한 적절한 근사모델을 제시하고, 해양시스템 성능예측문제(부유식 해상발전기 하부구조물 최적화 문제, 유조선의 선저외판 최적화 문제)에 적용하여 제시된 근사모델을 검증하는 것이다. In the initial design stage, the geometry of systems needs to be optimized regarding its performance. However, performance analysis is very time-consuming. Therefore, optimization becomes difficult/impossible problems because we need to evaluate the system performance for alternative design cases. To overcome this problem, many researchers perform prediction of system performance using the approximation model. The response surface method (RSM) is typically used to predict the system performance in the various research fields, but it presents prediction errors for highly nonlinear systems. The major objective of this paper is to propose a proper prediction method for marine system problems. Case studies of marine systems (the substructure of a floating offshore wind turbine considering hydrodynamic performance and bulk carrier bottom stiffened panels considering structure performance) verify that the proposed method is applicable to performance prediction in marine systems.

노이즈를 포함한 시스템식별을 위한 최적화 전략

장성민,백승민,조맹효 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

센서의 수와 실험 장비의 제한으로 인하여 실제 구조물에서는 유한요소 모델의 절점 수에 비해 상당히 적은 수의 센서가 사용되며 그 지점에서의 응답만이 얻어진다. 그러나 실험에서 얻어지는 응답에는 노이즈가 포함되어 있으므로 실험에서 얻어진 응답을 그대로 이용해서는 실용적인 구조 시스템 식별에 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 발전된 시스템 축소 기법을 이용하여 실험에서 얻은 일부분의 응답에서 전체 유한요소 자유도의 응답을 추산해 내었다. 또한 실제 구조물과 유한 요소 모델의 구조적 차이가 없는 부분과 상대적으로 적은 노이즈 부분은 효과적으로 설계 변수에서 제외하는 최적화 전략을 제안함으로써 보다 적은 설계 변수만으로도 효과적으로 해를 찾는 시스템 식별을 수행하였다. 제안된 방법은 동적 응답에 노이즈가 포함된 수치 예제를 통해 검증하였다. In real system, the number of sensors to measure system responses is smaller than the number of nodes in finite element (FE) model owing to the limitation of sensors and other equipments. For this reason, it is hard to identify a practical structural system using the direct system responses. Thus, in this paper, the overall system responses are estimated by the system responses obtained from experiments using an advanced system reduction technique. Moreover, the optimization strategy that discards both a number of design variables presenting insignificant noises and the large region without structural change is proposed. Through the proposed method, required computational resources and calculation time are reduced and the solution convergence is improved. Finally, numerical example with pre-assumed noise is presented to demonstrate the efficiency of the proposed method.

개미군락시스템에서 수정된 지역 갱신 규칙을 이용한 최적해 탐색 기법

홍석미(Seok-mi Hong),정태충(Tae-choong Chung) 한국지능시스템학회 2004 한국지능시스템학회논문지 Vol.14 No.1

개미군락시스템(Ant Colony System, ACS)은 조합 최적화 문제를 해결하기 위한 기법으로 생물학적 기반의 메타휴리스틱 접근법이다. 지나간 경로에 대하여 페로몬을 분비하고 통신 매개물로 사용하는 실제 개미들의 추적 행위를 기반으로 한다. 최적 경로를 찾기 위해서는 보다 다양한 에지들에 대한 탐색이 필요하다. 기존 개미군락시스템의 지역 갱신 규칙에서는 지나간 에지에 대하여 고정된 페로몬 갱신 값을 부여하고 있다. 그러나 본 논문에서는 방문한 도시간의 거리와 해당 에지의 방문 횟수를 이용하여 페로몬을 부여한다. 보다 많은 정보를 탐색에 활용함으로써 기존의 방법에 비해 지역 최적화에 빠지지 않고 더 나은 해를 찾을 수 있었다. Ant Colony System(ACS) is a meta heuristic approach based on biology in order to solve combinatorial optimization problem. It is based on the tracing action of real ants which accumulate pheromone on the passed path and uses as communication medium. In order to search the optimal path, ACS requires to explore various edges. In existing ACS, the local updating rule assigns the same pheromone to visited edge. In this paper, our local updating rule gives the pheromone according to the number of visiting times and the distance between visited cities. Our approach can have less local optima than existing ACS and find better solution by taking advantage of more informations during searching.

유전알고리즘 및 신경회로망을 이용한 다분야통합최적설계문제의 시스템분리기법 연구

김우석,이종수 한국전산구조공학회 1999 한국전산구조공학회논문집 Vol.12 No.4

다분야 통합 시스템의 설계문제는 다량의 설계변수와 구속조건으로 구성되며 다수의 공학적 현상으로 연관되어 있다. 다분야 통합 최적설계 문제를 효과적으로 다루기 위해서는 다양한 해석분야의 공학적 설계원리를 동시에 고려하여 균형 있고 유기적인 방법으로 최적의 설계를 결정하는 체계적인 설계자동화기술이 요구된다. 다분야 통합 설계문제를 위한 효율적인 설계방법론으로 분리기반 최적화 기법이 적용되는데 이 방법은 한 단위의 대규모 설계문제를 여러 개의 하부시스템으로 분리하여 독립적으로 최적화를 수행하고 각 하부 시스템으로부터의 설계해 사이의 중재 및 통합화를 거쳐 최종적으로 수렴된 최적설계를 찾는 방법이다. 본 논문에서는 분리기반 최적화기법을 다분야 통합최적 설계문제에 적용하는데 필요한 시스템분리기법을 유전알고리즘 및 다층 역전 파 신경회로망을 이용하여 정립하였다. 시스템분리기법을 검증하기 위해 최근 미국 Boeing사에서 개발중인 고속 민간항공기인 HSCT의 시뮬레이션기반 설계문제를 이용하였다. 대규모 설계시스템의 분리결과는 전체 설계문제의 특성을 파악하기 위한 자료로 활용되며 향후, 분리기반 최적화과정에서 최종적으로 통합된 최적설계를 탐색하는데 필요한 기반구조를 제공한다.

시스템이 간소화된 콘택트렌즈 분석기 최적화 설계

김세진,김태영,임현선 대한시과학회 2014 대한시과학회지 Vol.16 No.4

목 적: 기존의 콘택트렌즈 분석기에서 1매의 렌즈를 삭제하여 시스템을 간소화하고, 수차를 감소시켜 콘택트렌즈 표면의 선명한 상을 얻는 저가격 고성능의 광학계를 최적화 설계하였다. 방 법: 기존의 콘택트렌즈 분석기의 광학적 성능 분석과 최적화 설계에 사용한 파장은 프라운호퍼 C, d, F선(0.656 ㎛, 0.587 ㎛, 0.486 ㎛)이며 기준파장은 d선으로 하였다. Full field는 object height를 5 mm로 설정하였다. 참고모델의 광학적 성능 분석과 분석기의 최적화 설계에는 Zemax 14.2 설계 프로그램을 사용하였다. 결 과: 최적화 설계한 콘택트렌즈 분석기는 기존의 콘택트렌즈 분석기보다 Spot diagram RMS radius는 42.51% 성능이 향상되었다. 상질에 영향을 주는 구면수차는 96.96%, 비점수차는 68.39%, 종 방향 색수차는 39.29%, 횡 방향 색수차는 95.97% 향상되었고, 상면만곡과 왜곡수차는 각각 82.09%와 66.05%로 수차 성능이 향상되었다. 결 론: 기존의 콘택트렌즈 분석기보다 적은 수차와 적은 렌즈 매수를 갖는 새로운 광학계를 설계하였다. 설계한 콘택트렌즈 분석기는 저가격, 고성능의 성능 최적화가 이루어졌다고 볼 수 있다. Purpose: We have attempted to remove one lens from contact analyzer in the optical existing system to simplify the system. This optical system design has been optimized for high performance by reducing the aberration of the system. We are then able to obtain a clear image of the contact lens surface. Methods: The wavelength was used the Fraunhofer C, d, F line (0.656 ㎛, 0.587 ㎛, and 0.486 ㎛ respectively). For the optical performance analysis of an existing contact lens analyzer and optimal design of the optical system, the reference wavelength was set to d-line. The object height of the full field was set to 5 mm. The program Zemax 14.2 was used to the optical analysis of the reference model analyzer, and the optimized optical system design of the new analyzer. Result: The Spot diagram RMS radius of the new contact lens analyzer has improved the performance by 42.51% compared to the previously existing analyzer. In the image quality which affects the spherical aberration by 96.96%, in astigmatism by 68.39%, in the longitudinal chromatic aberration by 39.29%, and in the lateral chromatic aberration by 95.97% respectively. The aberration performance of the field curvature and distortion has respectively improved, 82.09% and 66.05%. Conclusion: We have designed a new optical system which reduces aberrations and uses a fewer number of lenses than the old contact lens analyzer. The optimized contact lens analyzer is available at low-cost. Thus the optimization of high-performance is achieved.

진공시스템 성능에 대한 설계인자 영향 전산모사

김형택,정광필,Kim, Hyung-Taek,Jeong, Kwang-Pil 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.6

진공시스템 최적화 설계를 위한 시스템 성능에 대한 설계인자 영향이 전산모사로 연구되었다. 본 연구로 상업화 전산모사기인 $VacSim^{Multi}$에 의한 진공시스템 모델링기구가 제시되었으며 진공시스템의 진공생성기구인 펌핑계 설계인자의 영향을 평가하여 향후 여러 설계인자들의 전산모사 연구 가능성이 확인되었다. $VacSim^{Multi}$의 저진공펌프 모델 전산모사 결과와 펌프사양에 의한 배기거동이 오차범위로 일치하였으며 부스터펌프의 사용이 중진공영역 응용에 효과적인 것으로 확인되었다. 또한 자체 배기능력이 없는 유확산펌프와 터보분자펌프 배기계의 최적화보조펌프 조합이 제시되었으며, 유확산 및 터보분자펌프 배기계의 시스템 공정응용특성도 확인되었다. Effect of design factors on the performance of vacuum system was simulated for optimum design of system. In this investigation, the feasibility of modelling mechanism for $VacSim^{Multi}$ simulator was proposed. Simulation results of pumping design factor showed the possibilities of simulation fore-study for the detailed design factors. Simulation of roughing pump presented the expected pumping behaviors based on the specifications of commercial pump. Application of booster pump exhibited the high pumping efficiency for middle vacuum range. Combinations of optimum backing pump for diffusion and turbo vacuum system were obtained. And, the characteristics of process application of both systems were also acquired.

최적화 기법을 적용한 매체 이송 시스템의 이송속도 및 비틀어짐 제어기의 이득값 결정

차호영(Ho-Young Cha),범선호(Sun-Ho Bum),김민수(Min-Soo Kim),이순걸(Soon-Geul Lee) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集A Vol.33 No.6

In this paper, we made a simple paper feeding system which is one of MTS (media transport system) and controllers. The plant has a flexible paper and two driving rollers and two driven rollers. The control system has two conventional PID controllers. Skew angle and feeding speed of MTS deteriorate the quality of feeding system. In order to control a feeding speed and skew of feeding paper, we control rotational velocity of two driving rollers. Therefore, this controller has two inputs and two outputs as MIMO (multi-input and multi-output) system. The control inputs were the feeding speed and the skew displacement of the paper. The control outputs were the rotational velocity to each driving roller. To find appropriate PID gains of two controllers, we proposed an optimization technique. We assume the system variables and performance of a whole system as follows. PID gains of two controllers for skew and feeding speed are system variables. System performance is both skew and feeding speed. We simulates to making mathematical correlation using global Kriging interpolation. To find appropriate value of system variables, optimization method is simulation in sequence as following method. First, the optimization solver simulates with DOE (design of experiment) tables to find correlation equation of both system variable and performances. Then, the solver guesses the appropriate values and simulates if the system variables are appropriate or not. If the result of validation doesn’t satisfy the convergence and iteration tolerance, the solver makes a new Kriging models and iterates this sequence until satisfy the tolerances.