포트폴리오 제어거래전략의 유용성에 관한 연구

우춘식 ( Chun Sik Woo ),김성하 ( Sung Ha Kim ) 한국금융공학회 2007 금융공학연구 Vol.6 No.1

본 연구는 2003년 5월 23일부터 2005년 5월 31일까지를 표본기간으로 선정하여 한국증권선물거래소에 상장된 시가총액 순위 50위의 보통주를 대상으로 PID제어시스템을 이용하여 제어포트폴리오를 구성하는 거래전략의 경제적 유용성을 검증하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, PID제어시스템이 제어포트폴리오의 베타계수를 목표베타계수의 수준으로 효과적으로 제어하고 있음을 발견하였다. 둘째, PID제어시스템을 이용하여 포트폴리오의 베타계수가 목표베타계수보다 낮으면 베타계수가 큰 종목의 편입비율을 늘리는 한편 반대의 경우에는 베타계수가 작은 종목의 편입비율을 늘리는 방법으로 제어포트폴리오를 구성하는 거래전략을 통하여 통계적으로 유의적인 비정상수익률이 실현됨을 발견하였다. 셋째, 제어시스템의 설계시점과 제어포트폴리오의 구성시점 사이에 시차가 있는 경우에도 제어거래전략이 유용하게 이용될 수 있는지를 확인하기 위하여 롤링시뮬레이션을 수행한 결과 짧은 기간에서만 양(+)의 비정상수익률이 관찰됨으로써 단기적인 차원에서 제어거래전략의 유용성이 존재하는 것으로 나타났다. 넷째, 제어거래전략을 실무적인 차원에서 펀드의 운용에 적용할 수 있는가를 검증하기 위하여 안정형 펀드를 구성하여 검증한 결과 펀드의 운용을 통하여 양(+)의 누적비정상수익률이 실현됨을 관찰할 수 있었다. 그러나 2차 시뮬레이션기간에서는 양(+)의 누적비정상수익률이 1차 시뮬레이션기간에 비하여 줄어들고 있는 것으로 나타나고 있어 새로운 주가정보에 대한 제어시스템의 적응력이 떨어지고 있는 것으로 나타났다. In this study, Kalman Filter and PID Control System are designed to control a short term beta coefficient of portfolio, investment strategy with PID Control System is built to control portfolio beta coefficient and the performance after transaction cost of this strategy is empirically tested by simulation. The findings of this study are summarized as belows. First, The Kalman Filter and PID Control System was confirmed to effectively control the beta coefficient of portfolio in first and second simulation periods. Second, In a simulation test, we found a statistically significantly higher abnormal returns after transaction cost in portfolio management with this strategy and in fund management which this investment strategy was applicated. So we confirmed that the investment strategy with PID Control System was a usefull investment strategy in portfolio and fund management. Third, In second simulation period, abnormal return of this investment strategy was relatively decreased. This results imply that this strategy is applicable in short term period. In this study, we found that a investment strategy with Kalman Filter and PID Control System was usefull strategy achieving abnormal returns in stock market, but as stock market conditions dynamically change, Kalman Filter and PID Control System is updated according to stock market condition.

TSK 퍼지 시스템을 이용한 퍼지 PID 제어기 설계

강근택(Geuntaek Kang),오갑석(Kabsuk Oh) 한국지능시스템학회 2014 한국지능시스템학회논문지 Vol.24 No.1

TSK 퍼지 시스템의 뛰어난 성능을 일반 산업 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 PID 제어기에 접목시켜, 비선형 시스템의 제어가 가능하고 강인성이 뛰어난 퍼지 PID 제어기의 설계를 제안한다. TSK 퍼지 제어기는 TSK 퍼지 모델로부터 극 배치법을 이용하여 설계되며, 비선형 시스템의 제어에서 시스템의 응답이 원하는 응답과 같아지도록 하는 뛰어난 능력이 있으나 구조가 복잡하여 산업 현장에서 사용되기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 구현하기 간편한 PID 제어기의 형태를 하면서, TSK 퍼지 제어기의 도움을 받아 설계되는 퍼지 PID 제어기를 제안한다. 즉, 먼저 비선형 시스템의 TSK 퍼지 제어기를 설계하고 그 TSK 퍼지 제어기의 제어 시뮬레이션으로부터 얻은 데이터를 이용하여 제안하는 퍼지 PID 제어기를 설계한다. 제안하는 제어기를 연속시간 비선형 시스템과 이산시간 비선형 시스템의 예제에 적용시켜 제어 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 기존의 선형 PID 제어기로는 제어가 원만하지 않았으나 제안하는 제어기로는 원하는 응답 형태와 거의 같은 응답을 보이는 제어가 가능함을 알 수 있었다. In this paper, an algorithm to design fuzzy PID controllers is proposed. The proposed controllers are composed of fuzzy rules of which consequences are linear PID controllers and are designed with help of TSK fuzzy controllers. TSK fuzzy controllers are designed from TSK fuzzy model using pole assignment and have outstanding ability making the output response of nonlinear systems similar to the desired one. However, because of its structure complexity the TSK fuzzy controller is difficult to be used in industry. The proposed controllers have PID controller structure which can be easily realized, and are designed by using the data obtained from control simulations with TSK fuzzy controllers. To verify the proposed algorithm, two example simulations are performed.

소형 디젤 발전기 속도제어를 위한 퍼지 PID 제어기 구현

옌보(Bo Yan),김기준(Ki-Jun Kim),김동헌(Dong-Hun Kim) 한국지능시스템학회 2022 한국지능시스템학회논문지 Vol.32 No.3

디젤 발전기 속도제어 시스템에서 속도 응답은 전원 시스템의 안정성에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나이다. 디젤 발전기의 복잡한 발전 과정과 부하 변동 때문에 기존 PID 제어는 충분히 좋은 성능을 보여 주지 못하였다. 본 논문에서는 퍼지 PID 제어 알고리즘을 도입하여 디젤 엔진의 속도 제어기를 위한 PID 이득을 자동으로 조정한다. 발전기 속도제어 시스템 구성을 위해 디젤 엔진과 액추에이터의 수학적 모델을 설정하였다. 제안된 퍼지 PID 제어시스템의 시뮬레이션과 실험을 통하여 빠른 응답 시간과 적은 과도상태 오차 결과를 보여 주었다. 결과로서, 제안된 퍼지 PID 제어 방법이 기존의 PID 제어 방법보다 디젤 발전기의 속도제어에 있어서 더 좋은 성능을 보여 주었다. In the speed control system for a diesel generator, the speed response is one of the important factors affecting the stability of the power system. Due to the complicated power generation process of a diesel generator and its load fluctuation, the existing PID control did not show good enough performance. In this paper, a fuzzy PID control algorithm was introduced to automatically adjust the PID gain for the speed controller of a diesel engine. To configure the generator speed control system, a mathematical model of the diesel engine and actuator was established. Through simulation and experimentation of the proposed fuzzy PID control system, it showed fast response time and small transient error results. As a result, the proposed fuzzy PID control method showed better performance in speed control of diesel generator than the existing PID control method.

고정 파라미터를 갖는 단순화된 퍼지 PID제어기의 제안과 안정도 분석

이병결(Byungkyul Lee),김인환(Inhwan Kim),김종화(Jonghwa Kim) 한국지능시스템학회 2004 한국지능시스템학회논문지 Vol.14 No.7

본 논문은 고정 파라미터를 갖는 퍼지 PID제어기의 설계방법을 기술하고 컴퓨터 연산 시간을 줄일 수 있는 단순화된 퍼지 PID제어기를 제안하며 제안한 제어기의 안정도를 분석한다. 안정도 분석을 위해 사용한 소이득 정리로부터 전체 피드백 시스템의 BIBO 안정도의 실제적인 충분조건을 유도하고, 유도한 안정 조건으로부터 안정한 선형 PID제어기의 파라미터로부터 퍼지 PID제어기의 파라미터를 결정하는 방법을 고찰한다. 마지막으로 선형 시스템과 비선형 시스템에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하고 비선형 퍼지 PID제어기의 시뮬레이션 결과를 선형 PID제어기의 시뮬레이션 결과와 비교하여 성능을 확인한다. This paper describes the design principle of a fuzzy PID controller with fixed parameters, proposes the simplified form of a fuzzy PID controller to increase the computational efficiency and analyzes stability of a proposed fuzzy PID controller. After a detailed stability analysis using 'small gain theorem', a simple and practical sufficient condition for the BIBO stability of the overall feedback control system is derived. The derived stability condition offers a calculation method to obtain parameters of a fuzzy PID controller from parameters of a stable PID controller. Finally several computer simulations are executed to confirm the effectiveness of the fuzzy PID controller with fixed parameters.

PID 제어 학습을 위한 시뮬레이션 기반의 교육 모델

서현호,김재웅,박성현 중소기업융합학회 2022 융합정보논문지 Vol.12 No.3

Recently, the importance of elemental technologies constituting smart factories is increasing due to the 4th Industrial Revolution, and simulation is widely used as a tool to learn these technologies. In particular, PID control is an automatic control technique used in various fields, and most of them analyze mathematical models in certain situations or research on application development with built-in controllers. In actual educational environment requires PID simulator training as well as PID control principles. In this paper, we propose a model that enables education and practice of various PID controls through 3D simulation. The proposed model implemented virtual balls and Fan and implemented PID control by configuring a system so that the force can be lifted by the air pressure generated in the Fan. At this time, the height of the ball was expressed in a graph according to each gain value of the PID controller and then compared with the actual system, and through this, satisfactory results sufficiently applicable to the actual class were confirmed. Through the proposed model, it is expected that the rapidly increasing elemental technology of smart factories can be used in various ways in a remote classroom environment. 최근 4차 산업혁명으로 스마트팩토리를 구성하는 요소 기술의 중요성이 높아지고 있으며, 이러한 기술들을 학습하기 위한 도구로 시뮬레이션이 널리 이용되고 있다. 특히 PID제어는 실제 응용 분야에서 다양하게 사용되고 있는 자동제어 기법으로서, 대부분 특정 상황에서 수학적 모델을 분석하거나 제어기가 내장된 애플리케이션 개발에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 실제 교육적인 환경에서는 PID 제어 원리뿐만 아니라, 게인 값 조정 및 제어기 사용 방법 등에 대한 PID 시뮬레이터 교육이 필요하다. 본 논문에서는 3D 시뮬레이션을 통해 다양한 PID 제어의 교육과 실습이 가능한 모델을 제안 한다. 제안 모델은 가상의 Ball과 Fan을 구현하여 Fan에서 발생한 공기 압력에 의해 Ball에 양력이 받을 수 있도록 시스템을 구성하여 PID 제어를 실시하였다. 이때 Ball의 높이를 PID제어기의 각 게인 값에 따라 그래프로 표현 후 실제 시스템과의 비교를 진행하였으며, 이를 통해 실제 수업에 충분히 적용할 만한 만족한 결과를 확인 할 수 있었다. 제안 모델을 통해 급격히 증가하는 스마트팩토리의 요소 기술을 원격 수업 환경에서 다양한 방법으로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

최적 퍼지PID제어기를 이용한 자기부상시스템의 부상제어기 설계

조재훈(Jae-Hoon Cho),김용태(Yong-Tae Kim) 한국지능시스템학회 2014 한국지능시스템학회논문지 Vol.24 No.3

본 논문에서는 최적화 기법과 퍼지 PID제어기를 이용한 자기부상시스템의 부상제어기를 제안한다. 흡인식 자기부상시스템은 일반적으로 비선형 특성을 포함하는 불안정한 시스템이기 때문에 일반적인 선형 제어기를 적용할 경우 우수한 성능을 얻기에는 어려운 점이 있다. 본 논문에서 제안된 제어기는 고정파라미터를 갖는 퍼지 PID제어기를 이용하였으며, 퍼지PID 제어기 파라미터들은 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화를 수행하였으며 유전알고리즘의 목적함수로는 일반적으로 사용되는 성능지수 함수를 사용하였다. 제안된 퍼지 PID 제어기를 적용한 자기부상시스템의 성능을 평가하기 위하여 Matlab을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 고전적 PID제어기와 성능을 비교 분석하였다. 제안된 제어기를 적용한 자기부상시스템의 성능이 고전 PID제어기에 비하여 더 우수한 성능을 보임을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. This paper proposes a novel optimum design method for the PID controller of magnetic levitation-based Rail-Guided Vehicle(RGV) by a genetic algorithm using clone selection method and a new performance index function with performances of both time and frequency domain. Generally, since an attraction type levitation system is intrinsically unstable and requires a delicate controller that is designed considering overshoot and settling time, it is difficult to completely satisfy the desired performance through the methods designed by conventional performance indexes. In the paper, the conventional performance indexes are analyzed and then a new performance index for Maglev-based RGV is proposed. Also, an advanced genetic algorithm which is designed using clonal selection algorithm for performance improvement is proposed. To verify the proposed algorithm and the performance index, we compare the proposed method with a simple genetic algorithm and particle swarm optimization. The simulation results show that the proposed method is more effective than conventional optimization.

냉각 프로세서의 모델규명 및 선행미분형 2 자유도 PID 유량 제어 알고리즘에 관한 연구

황이철(I Cheol Hwang),박철재(Cheol Jae Park) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.12

이 논문은 공압식 버터플라이 제어밸브를 이용한 냉각 프로세서의 모델규명 및 선행미분형 2 자 유도 PID 제어 알고리즘 개발에 대한 연구를 수행한다. 구동 제어밸브를 포함한 냉각 프로세서의 모델구조는 시간지연을 포함한 2차 지연 시스템 형태로 주어지며, 이는 데모 플랜트로부터의 입출력 데이터를 통하여 전달함수의 형태로 규명된다. 2 자유도 PID 제어기에서 피드백 제어게인은 Kitamori 제어게인 조정법을 이용하여 설정되며, 피드포워드 제어게인은 제어 시스템의 성능을 만족하도록 하는 관점에서 결정된다. 이 논문에서 제안된 제어 알고리즘의 유용성은 컴퓨터 모의실험과 데모 플랜트의 실험을 통해 검증된다. 결과적으로 논문에서 제안된 제어 알고리즘은 기존의 1 자유도 PID 알고리즘보다 제어게인 설정이 매우 명확하고, 제어성능이 우수함을 보인다. This study focuses on model identification and a 2-DOF PID control algorithm for cooling processes; a pneumatic butterfly-type control valve is used for this purpose. The mathematical model is a transfer function composed of a time delay and a second-order delay system. The control valve is identified as a first-order delay system with a time delay and included in the controlled plant. From the experimental data sets for a demo plant, the model parameters are identified, and the 2-DOF PID control gains are analytically derived by Kitamori’s method. We show via a computer simulation and an experimental test that the performance of the proposed 2-DOF PID control system is better than that of a conventional 1-DOF PID control system.

선박자동조타를 위한 RCGA기반 T-S 퍼지 PID 제어

이유수,황순규,안종갑 한국수산해양기술학회 2023 수산해양기술연구 Vol.59 No.1

In this study, the second-order Nomoto’s nonlinear expansion model was implemented as a Tagaki-Sugeno fuzzy model based on the heading angular velocity to design the automatic steering system of a ship considering nonlinear elements. A Tagaki-Sugeno fuzzy PID controller was designed using the applied fuzzy membership functions from the Tagaki-Sugeno fuzzy model. The linear models and fuzzy membership functions of each operating point of a given nonlinear expansion model were simultaneously tuned using a genetic algorithm. It was confirmed that the implemented Tagaki-Sugeno fuzzy model could accurately describe the given nonlinear expansion model through the Zig-Zag experiment. The optimal parameters of the sub-PID controller for each operating point of the Tagaki-Sugeno fuzzy model were searched using a genetic algorithm. The evaluation function for searching the optimal parameters considered the route extension due to course deviation and the resistance component of the ship by steering. By adding a penalty function to the evaluation function, the performance of the automatic steering system of the ship could be evaluated to track the set course without overshooting when changing the course. It was confirmed that the sub-PID controller for each operating point followed the set course to minimize the evaluation function without overshoot when changing the course. The outputs of the tuned sub-PID controllers were combined in a weighted average method using the membership functions of the Tagaki-Sugeno fuzzy model. The proposed Tagaki-Sugeno fuzzy PID controller was applied to the second-order Nomoto’s nonlinear expansion model. As a result of examining the transient response characteristics for the set course change, it was confirmed that the set course tracking was satisfactorily performed. 본 연구에서는 Nomoto 2차 비선형 확장모델을 선수 각속도를 기준으로 T-S 퍼지모델로 구현하였으며, 이 때 적용된 퍼지멤버십함수를 사용하여 T-S 퍼지 PID 제어시스템을 설계하였다. 주어진 비선형 확장모델의 각 동작점 별로 선형 모델과 퍼지 멤버십 함수들은 RCGAs를 사용해 동시에 탐색되었다. 이렇게 구현된 T-S 퍼지모델은 Zig-Zag 실험을 통해 주어진 비선형 확장모델을 근사하게 묘사할 수 있는 것을 확인하였다. 주어진 시스템의 T-S 퍼지모델에 동작점 별 sub-PID 제어기는 동일한 기준입력에 대해 RCGAs를 사용하여 최적으로 동조하였다. 최적 동조를 위한 평가함수는, 침로편차를 일종의 저항증가라는 측면에서 침로편차에 의한 항로의 연장, 조타에 의한 저항성분을 고려하였으며, 변침시 오버슈트 없이 설정침로를 추종하도록 벌점함수를 추가하여 선박자동조타기의 성능이 평가될 수 있도록 구성하였다. 각 동작점 별 sub-PID 제어기는 변침시 오버슈트 없이 평가함수가 최소가 되도록 설정침로를 추종해 가는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 동조된 sub-PID 제어기의 출력은 T-S 퍼지 모델의 멤버십함수를 이용하여 가중평균법으로 결합하였다. 제안된 T-S 퍼지 PID 제어시스템을 Nomoto 2차 비선형 확장 모델에 적용하여 설정 침로 변경에 대한 과도응답 특성을 살펴본 결과 설정 침로 추종을 만족스럽게 수행하고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 RCGAs 기반의 T-S 퍼지 PID 제어기의 성능을 살펴보기 위해 Nomoto 2차 비선형 확장 모델을 사용하였다. Nomoto 2차 비선형 확장 모델은 선박의 동특성을 표현하기에는 많은 부분이 부족한 것이 사실이다. 따라서, 이후에는 선박의 6자유도 비선형 모델로부터 동작점 별 선형 상태방정식 모델과 퍼지멤버십함수로 이루어진 퍼지모델을 직접 구하고, 이를 이용해 퍼지상태관측기 및 퍼지최적제어기를 설계하는 연구를 수행하고자 한다. 특히, 모델링오차, 불확실성, 측정 센서 잡음, 환경적 외란 등에도 강인할 수 있도록 고려하고, LOS (Line Of Sight) 가이던스 시스템을 추가하여 계획된 항로로 선박이 운항되도록 유도하는 알고리즘을 추가하고자 한다.

세포성 면역 반응과 경사감소학습에 의한 비선형 적응 PID 제어기

박진현,이태환,최영규,Park Jin-Hyun,Lee Tae-Hwan,Choi Young-Kiu 한국정보통신학회 2006 한국정보통신학회논문지 Vol.10 No.1

PID 제어기는 구조가 간단하고 적용이 용이하다는 장점으로 인하여 널리 사용되고 있는 제어방식이다. 이러한 선형 PID 제어기는 시스템의 파라메터가 변화가 있거나 부하 특성이 비 선형적으로 변화할 때에 적절한 이득과 성능을 얻기 어려워 고성능 제어 특성을 기대하기 어렵다. 본 연구에서는 세포성 면역 반응과 경사감소학습에 기초하여 비선형 PID 제어기를 설계하고, 설계된 제어기의이득과 비선형 함수의 파라메터들을 실시간 적응적으로 학습할 수 있는 학습 알고리즘을 개발하고, 이를 제어시스템에 적용하였다. 제안된 비선형 PID 제어기는 비선형 직류 모터 시스템의 파라메터들이 변화하거나 주파수가 다른 추종 명령에 대하여, 적응적으로 이득을 변화 시키며 추종함을 보였다. PID controllers, which have been widely used in industry, have a simple structure and robustness to modeling error. But They we difficult to have uniformly good control performance in system parameters variation or different velocity command. In this paper, we propose a nonlinear adaptive PID controller based on a cell-mediated immune response and a gradient descent learning. This algorithm has a simple structure and robustness to system parameters variation. To verify performances of the proposed nonlinear adaptive PID controller, the speed control of nonlinear DC motor is performed. The simulation results show that the proposed control systems are effective in tracking a command velocity under system parameters variation.

CSTR용 PID 제어기의 EA 기반 동조

진강규(Gang-Gyoo Jin) 한국지능시스템학회 2014 한국지능시스템학회논문지 Vol.24 No.3

연속교반탱크반응기, 담수화 플랜트, 증류탑, pH 중화 프로세스 등을 포함한 많은 산업용 프로세스들은 높은 비선형성과 시변 특성으로 인해 제어가 까다로워 보다 정밀하고 안정된 성능을 가지는 제어기를 설계하려는 많은 노력들이 있어 왔다. 본 논문에서는 기존 연구의 단점을 개선한 CSTR 프로세스의 농도제어용 PID 제어기를 동조하는 문제를 다룬다. 액추에이터 포화 문제를 극복하기 위해 PID 제어기에는 적분기 안티와인드업 피드백 루프가 구성되며, PID 제어기의 파라미터는 전체 제어 프로세스가 만족스러운 설정치 추종 성능을 가지도록 진화연산(EA)에 의해 동조된다. 제안하는 방법은 시뮬레이션을 통해 설정치 추종 성능, 외란 억제 성능과 파라미터 변동에 대한 강인성을 확인한다. Many industrial processes such as continuous stirred tank reactors(CSTRs), desalination plant, distillation columns, pH neutralization processes and so on exhibit highly nonlinear characteristic and time-varying behavior during operation. The control of such processes has been challenging to control engineers. Hence, a variety of forms of PID controllers and their tuning rules for industrial processes have been developed to guarantee the best performance. In this paper, a scheme that designs the practical PID controller with an anti-windup strategy incorporating with an evolutionary algorithm(EA) is presented for the concentration control of a nonisothermal CSTR. EA is used to tune the parameters of the overall PID control process with anti-windup by minimizing the integral of absolute error(IAE). Simulation works for reference tracking and disturbance rejecting performances and robustness to parameter changes show the feasibility of using the proposed method.