KR101223669B1 - 엔진 벤치 시스템 제어 시스템 - Google Patents

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KR101223669B1 KR1020107011356A KR20107011356A KR101223669B1 KR 101223669 B1 KR101223669 B1 KR 101223669B1 KR 1020107011356 A KR1020107011356 A KR 1020107011356A KR 20107011356 A KR20107011356 A KR 20107011356A KR 101223669 B1 KR101223669 B1 KR 101223669B1
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타카오 아키야마
요시마사 사와다
마사야스 캉케
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메이덴샤 코포레이션
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/02—Details or accessories of testing apparatus

Abstract

공진 억제 효과를 발생시키고 샤프트의 스프링 강성이 상당히 변하는 경우에도 안정적인 제어를 수행하는 것을 가능하게 하는 과제가 존재한다. 이 과제는 다음과 같이 달성된다. 테스트될 엔진(1)과 동력계(2)가 연결 샤프트(3)에 의해 서로 연결되어 동력계의 샤프트 토크 제어가 수행되는 엔진 벤치 시스템에서, 제어기(5)는 샤프트 토크 명령(T12r)과 측정된 샤프트 토크(T12) 사이에 편차(T12r-T12)에 대한 적분 계수(KI)를 가지는 적분 요소와; 측정된 샤프트 토크(T12)에 대해 미분 계수(KD)를 갖는 미분 요소와; 측정된 샤프트 토크(T12)에 대해 비례 계수(KP)를 갖는 비례 요소를 구비한다. 제어기(5)는 적분 요소로부터 미분 요소와 비례 요소를 차감하여 토크 제어 신호(T2)를 구한다. 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)는 함수 연산부(6)에 설정된 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1), 엔진과 동력계의 관성 모멘트들(J1, J2) 및 연결 샤프트의 스프링 강성(K12)에 따라 결정된다.

Description

엔진 벤치 시스템 제어 시스템{ENGINE BENCH SYSTEM CONTROL SYSTEM}
본 발명은 테스트될 엔진이 동력 흡수체로서의 동력계(Dynamometer)에 직접 연결되어 엔진의 여러 종류의 특성들이 측정되는 엔진 벤치 시스템 제어 시스템에 관한 것이며, 특히 동력계의 토크 제어에 관한 것이다.
도 13은 엔진 벤치 시스템을 도시한다. 도 13에서, 엔진(E/G)은 연결 샤프트를 통해 동력계(DY)에 연결된 트랜스미션(T/M)(클러치를 갖는 AT 또는 MT)과 연결된다. 엔진(E/G)은 트로틀 개구를 제어하기 위해 트로틀 액추에이터(ACT)를 구비한다.
한편, 동력계(DY)는 회전 검출기(PP)와 토크 검출기(부하 셀)(LC)를 구비한다. 동력계(DY)의 속도나 토크는 검출기의 검출 신호에 기초하여 제어된다. 이 제어는 제어기(동력계 제어기){C(s)}를 통해 PID 제어로 구현된다. 도 13은 토크 제어의 경우를 도시하며, 여기서 제어기{C(s)}는 연산부에서 동력계(DY)의 설정 토크 입력과 측정된 토크 사이의 편차에 대해 PID 연산을 수행하며, 그 연산 결과에 기초하여 인버터(INV)의 출력을 제어하여 동력계(DY)의 토크 제어를 수행한다.
동력계의 PID 제어를 수행하는 엔진 벤치 시스템에서, 엔진은 맥동 토크를 발생시킬 수 있으며, 이는 공진으로 인해 연결 샤프트를 파괴시키는 원인이 될 수 있다. 이 공진 파괴를 방지하기 위해 동력계가 PID 제어되는 동안 엔진, 연결 샤프트와 동력계로 구성된 역학적 시스템(mechanical system)의 공진점이 엔진에서 발생하는 맥동 토크와 같거나 이보다 더 낮은 주파수로 설정되는 제어 시스템이 존재한다. 그러나, 역학적 시스템의 공진점이 엔진의 맥동 토크 주파수와 같거나 이보다 더 낮게 설정되면 고속 응답의 속도 제어 또는 샤프트 토크 제어를 수행하는 것이 매우 어려워진다.
본 출원인은 샤프트의 공진이 억제되는 엔진 벤치 시스템을 위한 안정적이고 고속의 샤프트 토크 제어 시스템인 로버스트(robust) 제어 설계 이론 중 하나인 μ 설계법을 사용하는 샤프트 토크 제어 시스템을 이미 제안하였다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 2 참조). μ 설계법에 따르면 실제 시스템의 각각의 요동의 크기는 구조화특이값 μ로 표현될 수 있다. 특허 문헌 1에서, 각각의 요동의 크기는 제어기의 설계 동안 로버스트 안정성 및 로버스트 성능을 충족시키도록 결정되며 제어기의 전달 함수를 구성하도록 제어기에 병합된다.
특허 문헌 1: 일본국 특허 제3775284호
특허 문헌 2: 일본국 특허 공개 공보 제2003-121307호
μ 설계법을 사용하는 샤프트 토크 제어 시스템은 일반적으로 2개의 동작, 즉 (1) 제어되는 대상의 모델링과 (2) 무게 함수의 결정을 요구한다. 무게 함수의 결정은 시행 착오방식(trial and error)을 요한다.
특허 문헌 2에서 제안된 방법은 샤프트의 스프링 강성의 변동에 대해 어느 정도의 로버스트성을 보증한다. 그러나, 예를 들어, 약 100Nm/rad 로부터 약 3000Nm/rad 로 스프링 강성이 상당히 변하는 경우에는 μ 설계법에 기초하여 안정적인 토크 제어를 하는 것이 어려운 일이다.
본 발명의 목적은 공진 억제 효과를 제공할 수 있고 또 샤프트의 스프링 강성이 상당히 변하는 경우에도 안정적인 제어를 수행할 수 있는 엔진 벤치 시스템 제어 시스템을 제공하는 것이다.
다음은 본 발명에 따른 제어 시스템의 원리를 기술한다. 일반적으로, 엔진 벤치 시스템의 역학적 시스템은 다중 관성(2 또는 그 이상의 관성) 역학적 시스템 모델로 표현된다. 본 발명은 2 관성 시스템(two-inertia system)으로 근사시킬 수 있는 엔진 벤치 시스템을 대상으로 한다. 도 14는 역학적 시스템 모델을 도시한다. 이 모델에서, 동력계는 연결 샤프트를 통해 엔진에 직접 연결되는 것으로 가정된다.
도 14에 도시된 역학적 시스템 모델의 각 부품의 물리량을 J1 : 엔진 관성 모멘트; J2 : 동력계의 관성 모멘트; K12 : 연결 샤프트의 스프링 강성; T12 : 연결 샤프트의 비틀림 토크(샤프트 토크); ω1 : 엔진의 각속도; ω2 : 동력계의 각속도; T2 : 동력계의 토크라 하면, 엔진 벤치 시스템의 운동 방정식은 라플라스 연산자 s를 사용하여 다음 방정식 (1) 내지 (3)으로 표현된다.
J1 × s × ω1 = T12 ...(1)
T12 = (K12/s) × (ω2-ω1) ...(2)
J2 × s × ω2 = -T12 + T2 ...(3)
본 발명에서는, 샤프트 토크 명령 값(T12의 명령 값)은 T12r라 표시되고, 동력계의 토크(T2)는 다음 방정식 (4)로 표현된 전달 함수에 기초하여 제어된다. 이 방정식 (4)은 샤프트 토크 명령(T12r)과 측정된 샤프트 토크(T12) 사이의 편차(T12r-T12)의 적분 연산을 위해 적분 계수(KI)를 갖는 적분 요소와; 1차 지연(시상수 f1)을 통해 측정된 샤프트 토크(T12)의 미분 연산을 위해 미분 계수(KD)를 갖는 미분 요소와; 1차 지연(시상수 f1)을 통해 측정된 샤프트 토크(T12)의 비례 연산을 위해 비례 계수(KP)를 갖는 비례 요소를 포함한다. 이 방정식은 적분 요소로부터 미분 요소와 비례 요소를 차감하여 토크 제어 신호(T2)를 얻는다.
Figure 112010033290967-pct00001
(1) 내지 (3)의 운동 방정식으로 표현된 제어 대상이 방정식 (4)에 따라 제어될 때 그 폐루프 특성 다항식은 그 계수가 (KI, KP, KD, f1)의 4개의 파라미터로 임의로 설정될 수 있는 4차 다항식이다. 방정식 (1) 내지 (4)의 폐루프 특성 다항식은 다음 방정식(5)으로 표현된다.
Figure 112010033290967-pct00002
여기서
Figure 112010033290967-pct00003
계수(KI, KP, KD, f1)는 방정식 (1) 내지 (4)의 폐루프 특성 다항식의 계수와 방정식 (5)의 계수 사이에 비교에 의해 한정될 수 있다. 이런 방식으로, 방정식 (4)의 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)는 추정된 제어 대상 파라미터(J1, K12, J2)와 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)로부터 결정될 수 있다. 이 관계는 다음 방정식 (6) 내지 (9)에서 표시된 바와 같이 함수 f(a4,a3,a2,a1, J1,K12,J2)의 형태로 표현된다.
KI=fKI(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2) ...(6)
KP=fKP(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2) ...(7)
KD=fKD(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2) ...(8)
f1=ff1(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2) ...(9)
이런 방식으로, 본 발명은, 2 관성 역학적 시스템 모델로 엔진 벤치 시스템을 표현하고; 이 역학적 시스템 모델의 운동 방정식과 제어기의 전달 함수의 폐루프 특성 다항식으로 4차 다항식을 얻고; 4개의 파라미터(KI, KP, KD, f1)에 의해 제어기의 전달 함수의 각 계수를 임의로 설정하거나 결정하는 것에 의해, 종래 방식으로 무게 함수를 조절할 필요가 없게 해서 공진 억제 효과를 제공하는 제어 이득을 구하는 것으로 구현된다.
방정식 (6) 내지 (9)에서 사용되는 추정된 제어 대상 파라미터(J1, K12, J2)는 실제 시스템의 물리적 파라미터와 완전히 동일할 가능성은 없다. 그러나, 본 발명에 따라, 실제 시스템의 스프링 강성(K12r)이 방정식 (6) 내지 (9)에서 사용되는 K12와 비교되어 K12r >> K12로 되는 경우에도 안정적인 제어를 달성하는 것이 가능하다.
전술된 점으로부터, 본 발명은 다음의 제어 시스템인 것을 특징으로 한다.
(1) 테스트될 엔진과 동력계가 연결 샤프트에 의해 서로 연결되어 동력계의 샤프트 토크 제어를 통해 여러 종류의 엔진 특성이 측정되는 엔진 벤치 시스템을 위한 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 동력계의 샤프트 토크 명령(T12r)과 측정된 샤프트 토크(T12)에 기초하고 다음 방정식으로 표현되는 전달 함수, 즉
Figure 112010033290967-pct00004
여기서 KI, KP, KD, f1은 파라미터를 나타내고 s는 라플라스 연산자를 나타내는 전달 함수를 사용하여 동력계의 샤프트 토크 제어를 수행하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다,
(2) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 추정된 제어 대상 파라미터(J1, K12, J2)와 설정하는 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)에 기초하고 다음의 방정식, 즉
KI=fKI(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
KP=fKP(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
KD=fKD(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
f1=ff1(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
여기서 J1은 엔진 관성 모멘트를 나타내고 J2는 동력계의 관성 모멘트를 나타내고 K12는 연결 샤프트의 스프링 강성을 나타내는 방정식을 사용하여 파라미터(KI, KP, KD, f1)를 결정하는 함수 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(3) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)를 이항 계수형이나 버터워스형(Butterworth type)으로 설정하는 파라미터 설정기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(4) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)를 공진 특성을 갖는 2 관성 역학적 시스템의 특성 다항식과 2차 저역 통과 필터의 특성 다항식의 곱의 계수로 설정하는 파라미터 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(5) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)를 공진 특성(A)을 갖는 2 관성 시스템의 특성 다항식과 공진 특성(B)을 갖는 2 관성 시스템의 특성 다항식의 곱의 계수로 설정하는 파라미터 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(6) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 엔진 관성 모멘트(J1)와, 동력계 관성 모멘트(J2)와, 샤프트 토크 명령(T12r)의 크기에 따라 변하는 시스템 공진 주파수에 대한 데이터를 저장하는 T2f 테이블로부터 얻어지는 공진 주파수(ωc)에 대하여 다음의 방정식, 즉
Figure 112010033290967-pct00005
을 사용하여 스프링 강성(K12)을 연산하고 이 스프링 강성(K12)을 함수 연산부에 설정하는 스프링 강성 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(7) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 엔진 관성 모멘트(J1)와, 동력계 관성 모멘트(J2)와, 측정된 샤프트 토크(T12)의 크기에 따라 변하는 시스템 공진 주파수에 대한 데이터를 저장하는 T2f 테이블로부터 얻어지는 공진 주파수(ωc)에 대하여 다음의 방정식, 즉
Figure 112010033290967-pct00006
을 사용하여 스프링 강성(K12)을 연산하고 이 스프링 강성(K12)을 함수 연산부에 설정하는 스프링 강성 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(8) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 엔진 관성 모멘트(J1)와, 동력계 관성 모멘트(J2)와, 고역 통과 필터에 측정된 샤프트 토크(T12)를 적용하여 얻어진 측정된 값과 샤프트 토크 명령(T12r)의 합의 크기에 따라 변하는 시스템 공진 주파수에 대한 데이터를 저장하는 T2f 테이블로부터 얻어지는 공진 주파수(ωc)에 대하여 다음의 방정식, 즉
Figure 112010033290967-pct00007
을 사용하여 스프링 강성(K12)을 연산하고 이 스프링 강성(K12)을 함수 연산부에 설정하는 스프링 강성 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
(9) 본 발명의 엔진 벤치 시스템 제어 시스템은 상기 T2f 테이블로부터 유도되는 공진 주파수에 이득(K)(0 < K ≤ 1)을 곱하고 이 곱해진 공진 주파수를 스프링 강성 연산부에 입력하는 계수기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 엔진 벤치 시스템 제어 시스템에 의하면 전술된 구성을 구비하는 것에 의해 종래 방식으로 무게 함수를 조절할 필요 없이 공진 억제 효과를 제공할 수 있고 또 샤프트의 스프링 강성이 상당히 변하는 경우에도 안정적인 제어를 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 2는 엔진 벤치 시스템의 특성의 일례.
도 3은 제 1 실시예에 따른 샤프트 토크 제어의 특성 다이아그램.
도 4는 제 1 실시예에 따른 스텝 응답 특성 다이아그램.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 6은 제 2 실시예에 따른 샤프트 토크 제어의 특성 다이아그램.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 8은 제 3 실시예에 따른 샤프트 토크 제어의 특성 다이아그램.
도 9는 본 발명의 제 4 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 11은 본 발명의 제 6 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 12는 본 발명의 제 7 실시예를 도시하는, 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도.
도 13은 엔진 벤치 시스템의 구성도.
도 14는 엔진 벤치 시스템의 역학적 시스템 모델을 도시하는 도면.
(실시예 1)
도 1은 본 발명에 따른 엔진 벤치 시스템에 있는 동력계의 주요 부분의 제어 회로를 도시한다. 엔진(1)이 샤프트(3)를 통해 동력계(2)에 연결되고, 인버터(4)가 엔진(1)의 출력과 동력계(2)의 토크를 제어하는 시스템 구성에서, 제어기(5)는 샤프트 토크 명령(T12r)과 측정된 샤프트 토크(T12)에 기초하여 상기 방정식 (4)의 전달 함수를 사용하여 연산하는 것에 의해 동력계(2)에 대한 토크 제어 신호(T2)를 발생시킨다.
제어기(5)에서 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)는 함수 연산부(6)에서 설정된 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)와 추정된 제어 대상 파라미터(J1, K12, J2)에 기초하여 상기 방정식 (6) 내지 (9)에 따라 연산하여 결정된다.
본 실시예에서, 방정식 (4)의 계수(KI, KP, KD, f1)는 다음과 같이 결정된다.
제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)는 파라미터 설정기에 의해 제공된다. 예를 들어, 이들 파라미터를 이항 계수형으로 설정하기 위해서, 제어 파라미터는 a4=1, a3=4, a2=6, a1=4로 설정된다. 이들 파라미터를 버터워스형으로 설정하기 위해서, 제어 파라미터는 a4=1, a3 = 2.61312592975275, a2 = 3.41421356237309, a1 = 2.61312592975275로 설정된다.
본 실시예에는 2 관성 시스템 파라미터(J1, K12, J2)로부터 방정식 (6) 내지 (9)에 따라 제어 이득을 직접 결정하는 것에 의해 구현된다. 따라서, 종래 방식으로 무게 함수를 조정할 필요가 없어지고 공진 억제 효과를 제공하는 제어 이득을 용이하게 구할 수 있게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 엔진 벤치 시스템의 특성의 일례를 도시한다. 도 2는 J1=0.2, K12 = 1500 및 J2=0.7인 경우에 T2로부터 T12로의 보데 선도(Bode diagram)를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 벤치 시스템은 특정 주파수의 공진점(도 2에서 약 15Hz)을 가지고 있고, 동력계 토크 제어 신호(T2)로부터 측정된 샤프트 토크(T12)까지 0㏈와는 다른 정상 이득(저 주파수 범위에서의 이득)(도 2에서는 약 -13㏈)을 가지고 있다.
도 3은 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)가 상기 버터워스형 값으로 설정되고 방정식 (6) 내지 (9)에 의해 연산된 계수(KI, KP, KD, f1)가 방정식 (4)에 대입된 경우에 샤프트 토크 명령 값(T12r)으로부터 측정된 샤프트 토크(T12)까지의 보데 선도를 도시한다.
이런 방식으로, 본 실시예에 따르면, 공진이 억제되고 제어는 정상 이득이 0㏈로 되게 수행된다. 나아가, 종래 방식으로 무게 함수를 조정할 필요가 없으며, 또 공진 억제 효과를 제공하는 제어 이득을 용이하게 구하는 것이 가능하게 된다.
도 4는 본 실시예에 의해 달성되는 효과의 다른 예를 도시한다. 도 4는 실제 역학적 시스템에서 K12 = 1500일 때 방정식 (4)에서 제어 이득을 결정하는 방정식 (6) 내지 (9)에서의 K12를, (A): K12=1500, (B): K12=750, (C): K12=150, (D): K12=15로 설정하는 경우에 샤프트 토크 명령 값(T12r)으로부터 측정된 샤프트 토크(T12)까지의 스텝 응답의 일례를 도시한다.
본 실시예에 따르면, 실제 역학적 시스템의 스프링 강성이 제어 이득의 연산을 위한 방정식 (6) 내지 (9)에 대해 가정된 값보다 더 높은 경우에, 응답이 악영향을 받더라도, 안정적인 제어를 하는 것이 가능하다.
(실시예 2)
도 5는 역학적 시스템이 생략된 본 실시예에 따른 동력계의 주요 부분의 제어 회로를 도시한다. 이 실시예에서는, 아래에 기술된 바와 같이 방정식 (4)에 있는 (KI, KP, KD, f1)의 파라미터를 결정하는 파라미터 연산부(7)가 제공된다.
파라미터 연산부(7)는 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)를 공진 특성을 갖는 2 관성 역학적 시스템의 특성 다항식과 2차 저역 통과 필터의 특성 다항식의 곱의 계수로 설정한다. 구체적으로, 제어 특성 파라미터는 다음과 같이 설정된다.
원하는 공진 특성을 갖는 2 관성 역학적 시스템의 공진 주파수와 댐핑 계수를 각각 ωn과 z라고 하면, 그 특성 다항식은 (s/ωn)2 + 2×z×(s/ωn) + 1이다. 나아가, 2차 저역 통과 필터의 특성 다항식은 c2×s2 + c1×s + 1로 된다. 그 곱은 ((s/ωn)2 + 2×z×(s/ωn) + 1) × (c2×s2 + c1×s + 1) 이다. 이것은 a4 = c2/ωn2 ×ωr4, a3 = (c1/ωn2 + 2×c2×z/ωn)×ωr3, a2 = (c2 + 1/ωn2 + 2×c1×z/ωn)×ωr2, a1 = (c1 + 2×z/ωn)×ωr 으로 되며, 여기서 ωr =
Figure 112010033290967-pct00008
(K12×(1/J1 + 1/J2)) 이다.
이런 방식으로 연산된 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)는 함수 연산부(6)에서 설정되어 방정식 (6) 내지 (9)에 따라 방정식 (4)에 있는 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)를 결정하게 된다.
도 6은 저역 통과 필터 특성이 버터워스형이고, 역학적 공진 주파수 특성이 제어 대상의 역학적 공진 주파수 특성이며 댐핑 계수 z가 0.1로 설정된 본 실시예의 경우를 도시한다. 구체적으로, 도 6은 c2=1, c1 = 1.41421356237309, ωn=ωr, z=0.1로 설정하고 방정식 (6) 내지 (9)에 의해 연산된 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)를 방정식 (4)에 대입한 경우에 샤프트 토크 명령 값(T12r)으로부터 측정된 샤프트 토크(T12)까지의 보데 선도를 도시한다.
이런 방식으로, 원하는 공진 특성과 0㏈의 정상 이득을 가지게 제어를 수행할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 실제 역학적 시스템의 스프링 강성이 도 4에 도시된 제 1 실시예에서와 같이 제어 이득의 연산을 위한 방정식 (6) 내지 (9)에 대해 가정된 값보다 더 높은 경우에도 안정적인 제어를 달성할 수 있다.
(실시예 3)
도 7은 역학적 시스템이 생략된 본 발명에 따른 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도를 도시한다. 이 실시예에서는, 다음과 같이 방정식 (4)에 있는 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)를 결정하는 파라미터 연산부(8)가 제공된다.
파라미터 연산부(8)는 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)를 공진 특성(A)을 갖는 2 관성 시스템의 특성 다항식과 공진 특성(B)을 갖는 2 관성 시스템의 특성 다항식의 곱의 계수로 설정한다.
구체적으로, 제어 특성은 다음과 같이 설정된다. 공진 특성(A)은 공진 주파수(ωn1 [rad/a] )라 하고 댐핑 계수는 z1 이라 하고, 공진 특성(B)은 공진 주파수(ωn2 [rad/a] )라 하고 댐핑 계수는 z2 라 하면, 이들 특성 다항식의 곱은 ((s/ωn1)2 + 2×z1×(s/ωn1) + 1)×((s/ωn2)2 + 2×z2×(s/ωn2) + 1) 이 된다. 이것은
a4=1/(ωn12×ωn22)×ωr4,
a3=(2×z1/(ωn1×ωn22) + 2×z2/(ωn2×ωn2))×ωr3,
a2=(1/ωn12 + 1/ωn22 + 4×z1×z2/(ωn1×ωn2))×ωr2,
a1=(2×z1/ωn1 + 2×z2/ωn2)×ωr
이 된다.
이런 방식으로 연산된 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)는 함수 연산부(6)에 설정되고 방정식 (4)의 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)는 방정식 (6) 내지 (9)에 따라 결정된다.
도 8은 공진 특성(A)이 제어 대상의 역학적 공진 주파수의 0.5배로 설정되고 댐핑 계수가 0.1이고, 공진 특성(B)은 제어 대상의 역학적 공진 주파수의 2배로 설정되고 댐핑 계수 z가 0.1인 본 실시예의 경우를 도시한다. 구체적으로, 도 8은 ωn1=ωr×0.5, z1=0.1, ωn2=ωr×2, z2=0.1 로 하고, 방정식 (6) 내지 (9)에서 연산된 파라미터(KI, KP, KD, f1)가 방정식 (4)에 대입된 경우에 샤프트 토크 명령 값(T12r)으로부터 측정된 샤프트 토크(T12)까지의 보데 선도를 도시한다.
이런 방식으로, 제 3 실시예에 따르면, 단일 공진 특성만을 갖는 제어 대상의 역학적 시스템이 마치 0㏈의 정상 이득을 갖는 2개의 공진 특성을 갖는 것처럼 제어될 수 있다. 나아가, 이 실시예에 따르면, 도 8에 도시된 제 1 실시예에서와 같이 제어 이득의 연산을 위한 방정식 (6) 내지 (9)에 대해 가정된 값보다 실제 역학적 시스템의 스프링 강성이 더 높은 경우에도, 안정적인 제어를 달성할 수 있다.
(실시예 4)
도 9는 역학적 시스템이 생략된 본 실시예에 따른 동력계의 주요 부분의 제어 회로를 도시한다. 이 실시예에서는, 방정식 (4)에 있는 파라미터(KI, KP, KD, f1)는 아래에 기술된 연산 요소에 의해 결정된다.
제 4 실시예는 샤프트 토크의 크기에 따라 공진 주파수가 변하는 역학적 시스템(스프링이 비선형 특성을 가지는) 경우에 적용가능하다. 도 4에 도시된 연결 샤프트가 클러치와 같은 비선형 스프링(스프링 강성이 스프링의 비틀림 각에 따라 변하는 스프링)을 구비하는 경우에, 샤프트 토크 제어 시스템이 다음과 같이 구성된다.
도 1에 도시된 시스템의 비틀림 토크(샤프트 토크 명령)의 크기와 비틀림 토크에 따라 변하는 공진 주파수 사이의 관계에 대한 데이터를 저장하는 테이블(T2f 테이블)(9)을 제공하는 일부 수단이 사용된다. 이 수단은, 비선형 스프링의 특성이 주어지는 경우에 대해 연산을 하거나 또는 비틀림 토크가 특정 값이 되는 순간에 공진 주파수를 측정하여 구현될 수 있다.
스프링 강성 연산부(10)는 T2f 테이블(9)로부터 유도된 공진 주파수(ωc [rad/s] )에 대하여 일부 수단에 의해 제공되는 엔진 관성 모멘트(J1)와 동력계 관성 모멘트(J2)에 기초하여 다음의 방정식(10)을 사용하여 연산하는 것에 의해 스프링 강성(K12)을 결정한다. J1 및 J2는 부품의 설계값으로부터 연산된 것일 수도 있고 또는 일부 수단에 의해 측정된 것일 수도 있다.
Figure 112010033290967-pct00009
파라미터 연산부(11)는 제 1 내지 제 3 실시예의 파라미터 연산부들 중 어느 하나에 제공되어 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)를 설정한다.
함수 연산부(6)는 스프링 강성(K12)과 제어 특성 파라미터(a4,a3,a2,a1)으로부터 제어 파라미터(KI, KP, KD, f1)를 결정하고 방정식 (4)에 따라 토크 제어 신호(T2)를 제어한다.
이 실시예에서는, T2f 테이블로의 입력 신호를 샤프트 토크 명령 값(T12r)으로 사용하여 실제 시스템의 스프링 강성(K12)을 결정한다. 도 2에 도시된 보데 선도에서의 공진 주파수가 샤프트 토크의 크기에 따라 변하는 시스템에 있어서도, 방정식 (4)에 있는 이득 파라미터(KI, KP, KD, f1)는 도 9의 구성에 의해 항상 공진 주파수에 적응하여 결정된다. 따라서, 공진 주파수가 변하는 비선형 엔진 벤치 시스템에 대해서도 제 1 내지 제 3 실시예에서와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 5)
도 10은 역학적 시스템이 생략된 제 5 실시예에 따른 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 다이아그램을 도시한다. 이 실시예에서는, 제 4 실시예에 따른 회로 구성이 측정된 샤프트 토크(T12)를 T2f 테이블(9)에의 입력 신호로서 사용하는 것으로 변형된다.
본 실시예는 제 4 실시예와 동일한 효과를 제공한다. 구체적으로, 본 실시예는, 측정된 샤프트 토크(T12)가 T2f 테이블(9)에 입력으로서 사용되기 때문에, T2f 테이블로부터 출력되는 역학적 공진 주파수를 실제 역학적 공진 주파수에 가깝게 설정할 수 있다. 따라서, 방정식 (6) 내지 (9)에서 연산된 제어 파라미터는 제 4 실시예와 비교해 역학적 특성에 더 적합하게 된다. 그 결과, 제 1 실시예에서와 같이 신속한 응답이 유지되는 제어를 할 수 있다.
(실시예 6)
도 11은 역학적 시스템이 생략된 제 6 실시예에 따른 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도를 도시한다. 이 실시예에서는, 제 4 실시예에 있는 회로 구성이 고역 통과 필터(HPF)(12)에 측정된 샤프트 토크(T12)를 적용하여 얻어진 측정된 값과 샤프트 토크 명령 값(T12r)의 합의 값을 T2f 테이블에의 입력 신호가 가지도록 변형된다.
이 실시예는 제 5 실시예와 동일한 효과를 제공한다.
(실시예 7)
도 12는 역학적 시스템이 생략된 제 7 실시예에 따른 동력계의 주요 부분의 제어 회로의 블록도를 도시한다. 제 7 실시예에서는, 제 4 실시예에 따른 T2f 테이블(9)에서 발견되는 공진 주파수가 계수기(13)를 통해 이득(K)(0 < K ≤ 1)과 곱해지며, 이 곱해진 값은 방정식 (10)의 연산에 사용된다. T2f 테이블(9)에의 입력은 제 5 실시예 또는 제 6 실시예에서와 같이 변형될 수 있다.
이 실시예에서, 삽입된 이득(K)(0 < K ≤ 1)은 제어 이득의 연산을 위한 방정식 (6) 내지 (9)에서 취한 스프링 강성(K12)이 실제 역학적 시스템의 스프링 강성보다 더 작게 보이는 효과를 제공한다. 따라서, 어떤 원인에 의해 T2f 테이블로부터 출력되는 추정된 기계적 공진 주파수가 실제 역학적 시스템의 공진 주파수보다 더 높아지더라도, 제 1 실시예에서와 동일한 효과를 제 4, 제 5, 제 6 실시예에서 얻을 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 엔진 벤치 시스템을 2 관성 역학적 시스템 모델로 표현하고; 이 역학적 시스템 모델의 운동 방정식과 제어기의 전달 함수에 의한 폐루프 특성 다항식으로 4차 다항식을 얻고; 4개의 파라미터(KI, KP, KD, f1)에 의해 제어기의 전달 함수의 각 계수를 임의로 설정하거나 결정하며; 역학적 모델에서 나타나는 공진 주파수에 기초하여 스프링 강성(K12)을 더 결정하는 것에 의해 구현된다. 이것은 공진 억제 효과를 제공하며 샤프트의 스프링 강성이 상당히 변하는 경우에도 안정적인 제어를 가능하게 한다.
1 : 엔진 2 : 동력계
4 : 인버터 5 : 토크 제어 신호
6 : 방정식 연산부 8 : 파라미터 연산부
9 : T2f 테이블 10 : 스프링 강성 연산부
11 : 파라미터 연산부 12 : 고역 통과 필터(HPF)

Claims (20)

  1. 테스트될 엔진과 동력계가 연결 샤프트에 의해 서로 연결되어 상기 동력계의 샤프트 토크 제어를 통해 상기 엔진을 테스트하는 엔진 벤치 시스템용 엔진 벤치 시스템 제어 시스템에 있어서,
    상기 동력계의 샤프트 토크 명령(T12r)과 측정된 샤프트 토크(T12)에 기초하여 다음 방정식으로 표현된 전달 함수, 즉
    Figure 112012071118904-pct00010

    여기서 T2는 토크 제어 신호, T12r은 샤프트 토크 명령, T12는 측정된 샤프트 토크, KI, KD, KP 및 f1은 파라미터를 나타내고, s는 라플라스 연산자를 나타내는 전달 함수를 사용하여 상기 동력계의 샤프트 토크 제어를 수행하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 추정된 제어 대상 파라미터(J1, K12, J2)와 설정하는 제어 특성 파라미터(a4, a3, a2, a1)에 기초하여 다음 방정식, 즉
    KI=fKI(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
    KP=fKP(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
    KD=fKD(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
    f1=ff1(a4, a3, a2, a1, J1, K12, J2)
    여기서 fKI, fKP, fKD, 및 ff1 은 함수, a4, a3, a2, a1 은 설정하는 제어 특성 파라미터, J1은 엔진 관성 모멘트, J2는 동력계의 관성 모멘트, K12는 연결 샤프트의 스프링 강성을 나타내는 방정식을 사용하여 파라미터를 결정하는 함수 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
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  12. 제 2 항에 있어서, 제어 특성 파라미터를 이항 계수형이나 버터워스형으로 설정하는 파라미터 설정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  13. 제 2 항에 있어서, 제어 특성 파라미터를 공진 특성을 갖는 2 관성 역학적 시스템의 특성 다항식과 2차 저역 통과 필터의 특성 다항식의 곱(product)의 계수로 설정하는 파라미터 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  14. 제 2 항에 있어서, 제어 특성 파라미터를 제1 공진 특성(A)을 갖는 2 관성 시스템의 특성 다항식과 제2 공진 특성(B)을 갖는 2 관성 시스템의 특성 다항식의 곱의 계수로 설정하는 파라미터 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  15. 제 2 항에 있어서, J1으로 나타낸 엔진 관성 모멘트와, J2로 나타낸 동력계 관성 모멘트와, 샤프트 토크 명령의 크기에 따라 변하는 시스템 공진 주파수에 대한 데이터를 저장하는 테이블로부터 얻어지는 ωc 로 나타낸 공진 주파수에 대하여 다음 방정식, 즉
    Figure 112010035218767-pct00028

    을 사용하여 스프링 강성을 연산하고 상기 스프링 강성을 함수 연산부에 설정하는 스프링 강성 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  16. 제 2 항에 있어서, J1으로 나타낸 엔진 관성 모멘트와, J2로 나타낸 동력계 관성 모멘트와, 측정된 샤프트 토크의 크기에 따라 변하는 시스템 공진 주파수에 대한 데이터를 저장하는 테이블로부터 얻어지는 ωc 로 나타낸 공진 주파수에 대하여 다음 방정식, 즉
    Figure 112010035218767-pct00029

    을 사용하여 스프링 강성을 연산하고 상기 스프링 강성을 함수 연산부에 설정하는 스프링 강성 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  17. 제 2 항에 있어서, J1으로 나타낸 엔진 관성 모멘트(J1)와, J2로 나타낸 동력계 관성 모멘트(J2)와, 고역 통과 필터에 측정된 샤프트 토크를 적용하여 얻어진 측정된 값과 샤프트 토크 명령의 합의 크기에 따라 변하는 시스템 공진 주파수에 대한 데이터를 저장하는 테이블로부터 얻어지는 ωc 로 나타낸 공진 주파수(ωc)에 대하여 다음 방정식, 즉
    Figure 112010035218767-pct00030

    을 사용하여 스프링 강성을 연산하고 상기 스프링 강성을 함수 연산부에 설정하는 스프링 강성 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 테이블로부터 유도되는 공진 주파수에 이득을 곱하고 곱해진 공진 주파수를 스프링 강성 연산부에 입력하는 스케일 곱셈기를 더 포함하되 상기 이득은 0보다 크고 1보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 테이블로부터 유도되는 공진 주파수에 이득을 곱하고 곱해진 공진 주파수를 스프링 강성 연산부에 입력하는 스케일 곱셈기를 더 포함하되 상기 이득은 0보다 크고 1보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 테이블로부터 유도되는 공진 주파수에 이득을 곱하고 곱해진 공진 주파수를 스프링 강성 연산부에 입력하는 스케일 곱셈기를 더 포함하되 상기 이득은 0보다 크고 1보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 상기 엔진 벤치 시스템 제어 시스템.
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