상태 피드백 제어

1. 폐루프 제어의 구분

  ※ 폐루프 제어에서, 제어기 구조에 따라, 크게 2가지 방식으로 구분됨
     - 출력 피드백 제어 (Output Feedback Control)
     - 상태 피드백 제어 (State Feedback Control)

     * (비교)
        . 출력 피드백 제어는, 단순하지만 제어 성능이 제한되는 반면, 
        . 상태 피드백 제어는, 높은 성능을 보장하지만, 설계,구현에 더 많은 정보(상태 추정)가 필요
 
     * 제어기 이란?
        . 측정된 출력 또는 상태 정보를 기반으로, 
        . 적절한 제어 입력을 생성하여, 원하는 목표값을 추종하는 핵심요소


2. 출력 피드백 제어 (Output Feedback Control)  :  (주로, PID 제어기 방식을 말함)

  ㅇ 출력을 피드백 받고, 이를 토대로 제어하는, 기존의 피드백 제어 방식
  ㅇ 특징
     - 출력은 직접 측정하기 쉬워, 실현 용이성이 높음
     - 전달함수 기반 설계가 주가 되며, 표현이 다소 복잡할 수 있음
     - 시스템 내 상태를 직접 이용 않으므로, 정밀한 동작 제어가 어려움.
     - 설계 과정에서 전달함수 표현이 복잡하고, 상태를 직접적으로 제어하기 어려움
  ㅇ 제어 구조
     - 시스템 출력 일부가 피드백으로 되돌아와, 이를 비교하는, 오차 e(t) = r(t) − y(t)를 이용
     - 이 오차를 바탕으로 제어 입력 u(t) = K e(t) = K ( r(t) − y(t) )을 구성
         


3. 상태 피드백 제어 (State Feedback Control)

  ㅇ 내부 상태 변수를 직접 측정하고, 이를 토대로 제어 입력을 결정
  ㅇ 특징
     - 모든 상태 정보를 알 수 없으나, 
        . 추정기(estimator) 또는 옵저버(observer) 사용하여 상태 변수를 추정함
     - 표현,설계가 쉽고 우수한 성능 구현 용이
        . 설계의 직관성과 수학적 표현의 단순성
     - 시스템 동적 특성을 직접 제어 가능
        . 단, 완전 가제어성 가정 하에 사용
  ㅇ 제어 구조 
     - 시스템의 입출력 신호를 기반으로 상태를 추정한 뒤,
     - 추정된 상태를 이용한 상태 피드백 제어기를 적용하여
        . 상태 피드백 제어 : {# u(t) = -Kx(t) + r(t) #}
     - 결과적으로, 출력 피드백 제어기를 간접적으로 구현하는 형태로 실현됨
        . (A − B·K)의 고유값을 설계자가 원하는 위치로 배치하여,
        . 시스템의 과도응답 및 안정성을 조절할 수 있음
          
                
[# \dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t) \\
                       \qquad = Ax(t) + B \left( -Kx(t) + r(t) \right) \\
                       \qquad = (A - BK)x(t) + B r(t) \\
                   y(t) = Cx(t) #]