KR100836227B1 - 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법 - Google Patents

전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법에 관한 것으로, 전공 레귤레이터(Electro-Pneumatic Regulator)의 에너지 소비를 최소화하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법에 관한 것이다.
압력센서(50)에서 실제압력 값(P)이 계산되고, 목표압력 값(Pd)에서 상기 실제압력 값(P)을 뺀 값이 PID 제어기(10)의 입력 값으로 입력되면, 상기 입력 값은 PID 제어기(10)에서 연산되어 출력 값 V(k)로 출력되되, 상기 k는 샘플링 회수의 현재 순서를 의미하며, 상기 PID 제어기(10)의 출력 값 V(k)는 포화함수(20)를 거쳐 ‘-1’과 ‘1’사이의 값으로 계산되고, 상기 계산된 값은 PWM 출력시간으로 변환되어 PWM 발생기(30)를 통해 포화함수(20)의 부호가 ‘+’일 경우 개폐식 흡기밸브를 구동시키고, 부호가 ‘-’일 경우 배기밸브를 구동시켜 전공레귤레이터(40)의 압력을 제어하여 상기 압력센서(50)의 출력 값을 발생시킨다.
따라서, 본 발명은 포화함수의 출력값이 ‘+’인 경우에 흡기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시키고, 포화함수의 출력값이 ‘-’인 경우에 배기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시킴으로써, 종래의 PWM에 비해 상기 흡기 및 배기밸브의 구동횟수와 시간을 줄여 전력소모를 줄일 수 있다.
PID 제어기, 포화함수, PWM 발생기, 전공레귤레이터, 압력센서

Description

전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법{Pulse Width Modulation Method for Pressure Control of Electro Pneumatic Regulator}
도 1은 본 발명에 따른 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 포화함수(Saturation Function)의 도식해와 식.
도 3은 본 발명에 따른 포화함수의 입력값 변화에 따른 출력값 U(k)를 나타내는 실시 예.
도 4는 본 발명에 따른 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법의 다른 실시 예.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 퍼지연상메모리(Fuzzy Associate memory)의 실시 예.
도 7은 본 발명에 따른 비퍼지화(Defuzzification)의 실시 예.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : PID 제어기(PID Controller)
20 : 포화함수(Saturation Function)
30 : PWM 발생기(PWM Generator)
40 : 전공레귤레이터(Electro-Pneumatic Regulator)
50 : 압력센서(Pressure Sensor)
60 : 퍼지 제어기(Fuzzy Controller)
70 : PID 제어기 게인(PID Controller Gain)
본 발명은 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 전공 레귤레이터(Electro-Pneumatic Regulator)의 에너지 소비를 최소화하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법에 관한 것이다.
종래의 PWM(Pulse Width Modulation) 알고리즘을 이용한 전공 레귤레이터는 한 샘플링 타임 동안 흡기밸브와 배기밸브를 동시에 동작시키거나, 흡기밸브를 개방 후 닫고 흡기밸브의 개방 비율을 샘플링 타임에서 뺀 나머지 배기밸브를 개방하는 방식이다.
그러나, 상기 종래의 한 샘플링 타임 동안 흡기밸브와 배기밸브를 동시에 동작시키거나, 흡기밸브를 개방 후 닫고 흡기밸브의 개방 비율을 샘플링 타임에서 뺀 나머지 배기밸브를 개방하는 방식은 상기 전공 레귤레이터를 적용시 에너지 소모가 큰 단점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 포화함수의 출 력 값이 ‘+’인 경우에 흡기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시키고, 포화함수의 출력 값이 ‘-’인 경우에 배기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜, 상기 흡기밸브와 배기밸브의 작동시 소비되는 전력을 최소화하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법을 제공하는데 목적이 있다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는,
압력센서에서 실제압력 값이 계산되고, 목표압력 값에서 상기 실제압력 값을 뺀 값이 PID 제어기의 입력 값으로 입력되면, 상기 입력 값은 PID 제어기에서 연산되어 출력 값 V(k)로 출력되되, 상기 k는 샘플링 회수의 현재 순서를 의미하며, 상기 PID 제어기의 출력 값 V(k)는 포화함수를 거쳐 ‘-1’과 ‘1’사이의 값으로 계산되고, 상기 계산된 값은 PWM 출력시간으로 변환되어 PWM 발생기를 통해 포화함수의 부호가 ‘+’일 경우 개폐식 흡기밸브를 구동시키고, 부호가 ‘-’일 경우 배기밸브를 구동시켜 전공레귤레이터의 압력을 제어하여 상기 압력센서의 출력 값을 발생시킨다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 포화함수(20)에서 출력되는 제어입력값 U(k)의 수학식은 아래와 같다.
Figure 112007019078084-pat00001
여기서, k는 샘플링 회수의 현재 순서를 의미하고, U(k)는 k번째 획득된 데이터를 이용하여 계산한 제어입력값이고, e는 지수함수로써 제어입력값을 지수함수형태로 하여 시스템을 부드럽게 제어하고자 하는 값이다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 포화함수의 출력 값이 ‘+’이면 흡기 밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜 상기 흡기밸브를 개방 및 배기밸브를 차단시키고, 상기 포화함수의 출력 값이 ‘-’이면 배기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜 상기 배기밸브를 개방 및 흡기밸브를 차단시킨다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 PID 제어기에는 퍼지 제어기가 병렬로 더 구비되며, 상기 압력센서에서 계산된 실제압력 값과 목표압력 값의 차를 미분한 값이 상기 퍼지 제어기로 입력되어, 퍼지연상메모리(Fuzzy Associate memory)를 이용하여 조건에 따른 출력 값을 계산하여 PID 제어기 게인을 출력한다.
도 1은 본 발명에 따른 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 포화함수(Saturation Function)의 도식해와 식이고, 도 3은 본 발명에 따른 포화함수의 입력값 변화에 따른 출력값 U(k)를 나타내는 실시 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법의 다른 실시 예이고, 도 5와 도 6은 본 발명에 따른 퍼지연상메모리(Fuzzy Associate memory)의 실시 예이고, 도 7은 본 발명에 따른 비퍼지화(Defuzzification)의 실시 예이다.
이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법을 나타낸 블록도로서, PID 제어기(PID Controller)(10), 포화함수(Saturation Function)(20), PWM 발생기(PWM Generator)(30), 전공레귤레이터(Electro-Pneumatic Regulator)(40) 및 압력센서(Pressure Sensor)(50)가 차례로 연결되고, 상기 PID 제어기(10)에는 목표압력 값(Pd)이 입력되고, 상기 전공레귤레이터(40)에서의 압력을 제어하여 실제압력 값(P)이 출력된다.
상기 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법은 압력센서(50)에서 실제압력 값(P)이 계산되고, 목표압력 값(Pd)에서 상기 실제압력 값(P)을 뺀 값이 PID 제어기(10)에 입력 값으로 입력되면, 상기 입력 값은 PID 제어기(10)에서 연산되어 출력 값 V(k)로 출력되되, 상기 k는 샘플링 회수의 현재 순서를 의미하며, 상기 출력 값 V(k)는 포화함수(20)를 거쳐 ‘-1’과 ‘1’사이의 값으로 계산되고, 상기 계산된 값은 PWM 출력시간으로 변환되어 PWM 발생기(30)를 통해 포화함수(20)의 부호가 ‘+’일 경우 개폐식 흡기밸브를 구동시키고, 부호가 ‘-’일 경우 배기밸브를 구동시켜 전공레귤레이터(40)의 압력을 제어하여 상기 압력센서(50)의 출력 값을 발생시킨다.
상기 포화함수(20)는 PID 제어기(10)의 출력 값을 일정한 범위(-1과 +1의 사이 값)로 제한하여 PWM(Pulse Width Modulation) 주기를 쉽게 연산하며, 상기 포화함수(20)에서 출력되는 제어입력값 U(k)는 도 2의 도식해와 하기의 수학식 1과 같다.
도 2에 있어서, x축의 t는 시간을 의미하고, y축은 샘플링 타임 내의 밸브 오픈 시간의 비율이며, T는 한 샘플링 시간을 의미한다. 즉 x축의 밸브 오픈 시간의 비율이 0.6이면 흡기밸브의 샘플링타임 내의 오픈 시간은 0.6×T인 것을 의미한다.
Figure 112007019078084-pat00002
상기 포화함수(20)는 PID 제어기(10)의 출력 값 V(k)가 입력 값으로 되고, 출력 값은 -1에서 +1 사이의 값으로 출력되어 흡기 및 배기밸브의 개방 시간을 정확히 분석 및 계산할 수 있게 한다. 또한, 상기 포화함수(20)는 상수 값의 변화와 PID 제어기(10)의 출력 값 V(k)에 따른 입력과 출력의 특성이 도 3과 같이 나타나기 때문에 전공레귤레이터의 특성을 고려하여 설계시 제어 성능 및 에너지 절감효과를 향상시킬 수 있다.
상기 포화함수(20)의 출력 값이 ‘+’이면 흡기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜 상기 흡기밸브를 개방 및 배기밸브를 차단시키고, 상기 포화함수(20)의 출력 값이 ‘-’이면 배기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜 상기 배기밸브를 개방 및 흡기밸브를 차단시킨다.
상기 수학식 1을 이용한 계산 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
Figure 112007019078084-pat00003
예를 들어, PID 제어기(10)의 출력 값 V(k)가 1.4이면 상기 포화함수(20)의 출력 값이 0.6이 되고, 상기 포화함수(20)의 출력 값이 0.6이면 흡기밸브의 개방 비율이 0.6이 되며, 상기 값에서 샘플링 타임 T를 곱하면 개방 시간은 0.6T가 되고, 배기밸브는 항시 닫히게 된다. 반면, 포화함수(20)의 출력 값이 -0.6이면 배기밸브의 개방 비율이 -0.6이 되고, 상기 값에서 샘플링 타임 T를 곱하면 개방 시간은 0.6T가 되고, 흡기밸브는 항시 닫히게 된다.
제어성능을 향상시키기 위하여, 도 4와 같이 상기 PID 제어기(10)에 퍼지 제어기(60)가 병렬로 더 구비된다.
상기 압력센서(50)에서 실제압력 값(P)이 계산되고, 상기 실제압력 값(P)과 목표압력 값(Pd)의 차를 미분하여 미분 값이 상기 퍼지 제어기(60)로 입력되며, 퍼지연상메모리(Fuzzy Associate memory)를 이용하여 조건에 따른 출력 값을 계산하여 PID 제어기 게인(70)을 PID 제어기(10)로 입력하고, 상기 PID 제어기(10)에서의 출력 값은 포화함수(20)의 상기 도 2의 수학식 V(k)에 입력되어 -1 내지 1 사이의 출력 값을 얻게 된다.
상기 포화함수(20)의 출력 값은 전공레귤레이터(40)의 흡기 및 배기밸브를 구동시켜 압력을 제어하고, 압력센서(50)의 출력 값을 다시 발생시켜 PID 제어기(10)로 입력된다.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 퍼지연상메모리(Fuzzy Associate memory ; FAM)의 실시 예로써, 상기 PID 제어기(10)의 Kp게인 튜닝을 위한 퍼지 제어기(60)는 두 개의 입력 멤버 함수와 한 개의 출력 멤버 함수와 입력에 대한 출력의 관계를 정의한 룰(Rule)의 집합인 퍼지연상메모리로 이루어져 있으며, 미분게인(Kd)과 적분게인(Ki) 튜닝을 위한 퍼지 제어기(60)도 같은 형태를 이루고 있다. 또한, 입력 및 출력 멤버 함수와 상기 퍼지연상메모리 생성까지를 퍼지(Fuzzy)화라고 하며 Mamdani법을 이용하고, 실제 Kp, Ki, Kd 값으로 출력하는 과정을 비퍼지화(Defuzzification)라고 하며 무게중심법을 이용한다.
도 5(a)는 목표 압력 값에서 실제 압력 값을 뺀 값을 x축의 e로 나타내고, 상기 e의 미분 값을
Figure 112007019078084-pat00004
로 나타내었고, 상기 e와
Figure 112007019078084-pat00005
를 도 5(b)의 x축 값으로 규정하여 퍼지 제어기(60)의 입력 멤버 함수로 표현한 것이다. 상기 도 5(b) x축의 Kp'는 PID 제어기(10)의 비례게인 Kp가 매 샘플링 타임마다 변화한다는 것을 의미한다.
상기 도 5에 나타낸 퍼지 제어기(60)의 언어변수는 다음과 같다.
NB(Negative Big), NM(Negative Medium), NS(Negative Small), PB(Positive Big), PM(Positive Medium), PS(Positive Small).
도 6은 입력 값인 e와
Figure 112007019078084-pat00006
에 따른 출력 멤버 함수를 규정하는 퍼지 룰의 집단이며, 상기 도 5와 도 6과 같이 나타내는 방법을 Mandani법이라 하며, 이를 실제 퍼지 제어기(60)의 출력 값인 Kp, Ki, Kd로 나타내기 위하여 무게중심법을 사용하였으며, 그 값은 도 7과 같이 나타낸다.
본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청 구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 포화함수의 출력 값이 ‘+’인 경우에 흡기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시키고, 포화함수의 출력 값이 ‘-’인 경우에 배기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시킴으로써, 종래의 PWM에 비해 상기 흡기 및 배기밸브의 구동횟수와 시간을 줄여 전력소모를 줄일 수 있다.
또한, 퍼지 제어기를 이용하여 상기 PID 제어기 게인을 조건에 맞게 제어할 수 있어 추종성능 및 에너지를 절감시키는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법에 있어서,
    압력센서(50)에서 실제압력 값(P)이 계산되고, 목표압력 값(Pd)에서 상기 실제압력 값(P)을 뺀 값이 PID 제어기(10)의 입력 값으로 입력되면, 상기 입력 값은 PID 제어기(10)에서 연산되어 출력 값 V(k)로 출력되되, 상기 k는 샘플링 회수의 현재 순서를 의미하며, 상기 PID 제어기(10)의 출력 값 V(k)는 포화함수(20)를 거쳐 ‘-1’과 ‘1’사이의 값으로 계산되고, 상기 계산된 값은 PWM 출력시간으로 변환되어 PWM 발생기(30)를 통해 포화함수(20)의 부호가 ‘+’일 경우 개폐식 흡기밸브를 구동시키고, 부호가 ‘-’일 경우 배기밸브를 구동시켜 전공레귤레이터(40)의 압력을 제어하여 상기 압력센서(50)의 출력 값을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 포화함수(20)에서 출력되는 제어입력값 U(k)의 수학식은 아래와 같다.
    Figure 112008029303032-pat00007
    여기서, k는 샘플링 회수의 현재 순서를 의미하고, U(k)는 k번째 획득된 데이터를 이용하여 계산한 제어입력값이고, e는 지수함수로써 제어입력값을 지수함수형태로 하여 시스템을 부드럽게 제어하고자 하는 값인 것을 특징으로 하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 포화함수(20)의 출력 값이 ‘+’이면 흡기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜 상기 흡기밸브를 개방 및 배기밸브를 차단시키고, 상기 포화함수(20)의 출력 값이 ‘-’이면 배기밸브의 개방 비율만큼의 시간만 동작시켜 상기 배기밸브를 개방 및 흡기밸브를 차단시키는 것을 특징으로 하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 PID 제어기(10)에는 퍼지 제어기(60)가 병렬로 더 구비되며, 상기 압력센서(50)에서 계산된 실제압력 값(P)과 목표압력 값(Pd)의 차를 미분한 값이 상기 퍼지 제어기(60)로 입력되어, 퍼지연상메모리(Fuzzy Associate Memory)를 이용하여 조건에 따른 출력 값을 계산하여 PID 제어기 게인(70)을 출력하는 것을 특징으로 하는 전공 레귤레이터의 압력제어를 위한 펄스 폭 변조방법.
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