KR101481645B1 - 디지털 가버너 제어장치의 pid 게인의 오토튜닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 제공되는 디지털 가버너 제어장치의 오토튜닝 방법은 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하는 단계(a); 상기 초기 설정된 PID 게인을 이용하여 상기 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표 속도가 되도록 PID 제어를 실행하는 단계(b); 상기 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단하는 단계(c); 상기 헌팅이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 PID 게인에 게인 변수를 곱하여 설정하고, 상기 헌팅이 발생할 때까지 상기 게인 변수를 증가시키며 상기 단계(b) 내지 상기 (d)를 반복 수행하는 단계(d); 및 상기 헌팅이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 헌팅 발생 시 설정된 상기 게인 변수 및 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기를 지글러-니콜스(Zigler-Nichols) 동조식에 대입하여 상기 PID 게인을 재설정 하는 단계(e)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 디지털 가버너 제어장치에 포함된 PID 제어기의 PID 게인을 안정적으로 오토튜닝 할 수 있다.

Description

디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법{AUTO TUNING METHOD OF PID GAIN IN DIGITAL GOVERNOR CONTROLLER}

본 발명의 실시예들은 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시스템상 안정적으로 PID 게인을 오토튜닝할 수 있는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법에 관한 것이다.

비상용 발전기나 선박용 발전기 등의 구동원으로 사용되고 있는 디젤엔진에 있어서, 정속운전은 발전전압의 안정여부를 결정하는 중요한 요소이다. 이러한 정속운전 제어를 위하여 연료분사량을 조절하는 가버너(governor)가 사용되고 있다.

가버너의 종류로는 아날로그 가버너와 디지털 가버너가 있다. 초창기에 사용하던 아날로그 가버너는 R(저항), L(인턱터), C(커패시터) 등의 아날로그 부품을 사용하였다. 그러므로 동일한 값의 부품을 사용하여도 각 부품의 허용오차 값에 의해 출력특성이 변화했다. 또한 온도, 습도 등의 기후 변화에 따라서도 출력특성이 변화했다.

이러한 문제점을 해결하고자 PID 제어기로 엑츄에이터를 제어하여 연료분사량을 조절하는 디지털 가버너가 개발되었으며, 최근에는 정량화된 제어가 가능한 디지털 가버너가 많이 사용되고 있다.

그러나, 디지털 가버너는 엑츄에이터의 상태 특성에 의한 편차 및 발전기의 조립시의 편차 등에 의해 같은 기종의 발전기라 하더라도 PID 제어기의 PID 게인을 보정하여 연료분사량을 조절해야 한다. 이에 디지털 가버너는 PID 게인을 조절할 수 있는 키패드 또는 다이얼을 구비한다.

그러나, 키패드 또는 다이얼로 PID 게인을 조정하는 것은 숙련된 사용자에 의해 수행되어야 하며, PID 게인 조정 시 엔진에 헌팅이 발생하는 경우 빠르게 대응할 수 없는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 PID 제어기의 PID 게인을 오토튜닝 할 수 있는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하는 단계(a); 상기 초기 설정된 PID 게인을 이용하여 상기 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표 속가 되도록 PID 제어를 실행하는 단계(b); 상기 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단하는 단계(c); 상기 헌팅이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 PID 게인에 게인 변수를 곱하여 설정하고, 상기 헌팅이 발생할 때까지 상기 게인 변수를 증가시키며 상기 단계(b) 내지 상기 (d)를 반복 수행하는 단계(d); 및 상기 헌팅이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 헌팅 발생 시 설정된 상기 게인 변수 및 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기를 지글러-니콜스(Zigler-Nichols) 동조식에 대입하여 상기 PID 게인을 재설정 하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법이 제공된다.

상기 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며, 상기 단계(a)는, 상기 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 상기 비례 게인을 초기 설정하며, 상기 비례 게인 및 상기 PID 제어를 실행하는 샘플링 시간을 이용하여 상기 적분 게인을 초기 설정하며, 상기 미분 게인을 0으로 초기 설정할 수 있다.

상기 단계(e)이후에, 상기 게인 변수를 초기화 한 후, 상기 재설정된 PID 게인을 이용하여 상기 단계(b) 내지 단계 (e)를 기 설정된 횟수만큼 반복 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 단계(e)는, 상기 지글러-니콜스 동조식에 따라 산출된 PID 게인을 상기 헌팅 발생시의 상기 엔진의 회전속도의 최대 진폭 및 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭 값을 이용하여 보정하여 상기 PID 게인을 재설정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 디지털 가버너 제어장치에 포함된 PID 제어기의 PID 게인을 안정적으로 오토튜닝 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 가버너 제어장치의 블록도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 엔진에서의 헌팅 발생 시의 엔진의 회전속도의 변화 및 PID 제어에서 출력되는 제어신호의 변화를 도시한 그래프이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 가버너 제어장치의 일례를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 디지털 가버너 제어장치(100)는 엑츄에이터(200)의 연료분사량을 조절하여 엔진(300)의 회전속도를 제어하는 장치이다. 이를 위해, 디지털 가버너 제어장치(100)는 속도 센서(400)로부터 엔진(300)의 회전속도를 입력 받아 그에 되응되는 전압 크기를 가지는 신호로 출력하는 FV(Frequecny-Voltage) 변환부(110)와 FV 변환부(110)가 출력한 신호로 엔진의 회전속도와 기 설정된 목표속도의 차이 값에 대한 PID 제어 연산을 수행하여 제어신호를 엑츄에이터(200)로 출력하는 PID 제어기(120) 와 상기 PID 제어기(120)의 PID 게인을 오토튜닝 하는 게인 튜닝부(130)를 포함한다.

PID(proportional integrate derivative) 제어기(120)는 P(proportional) 제어기, I(Integrate) 제어기 및 D(derivative) 제어기를 포함하여 PID 제어 연산을 수행한다.

상기 PID 제어 연산 결과에 따라 제어신호가 출력되고, 출력된 제어신호에 따라 엑츄에이터(200)가 구동된다. 좀더 상세하게 설명하면, FV 변환부(110)가 속도센서(400)로부터 엔진(300)의 회전속도에 따른 출력신호를 정현파로 입력받고, 입력받은 정현파 신호의 주파수에 따라 그에 대응되는 전압 크기를 가지는 신호를 출력한다. 그리고, PID 제어기(120)가 FV 변환부(110)에서 출력된 신호에 따라 그에 대응되는 전압 크기를 가지는 신호를 출력한다. 그리고, PID 제어기(120)가 FV 변환부(110)에서 출력된 신호에 해당하는 엔진(300)의 회전속도와 기 설정된 목표속도 차이 값에 대해 PID 제어기능을 수행함으로써 엑츄에이터(200)에 제어신호가 공급된다. 상기 제어신호는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM) 신호일 수 있다. 또한 FV 변환부(110)는 일 실시예로 설명한 것으로서 속도센서(400)를 통해 입력받은 정현파를 구현파로 변환하고, 이를 카운팅하여 회전수를 검출하는 카운터를 사용할 수 있음은 물론이다.

게인 튜닝부(130)는 별도의 다이얼의 조작 없이 PID 제어기(120)의 PID 게인을 자동으로 튜닝(Auto-tuning)한다.

일반적으로 알려진 오토튜닝 기법으로는 지글러-니콜스(Ziegler-Nichos, 이하, ZN) 방법이 있다. 지글러-니콜스 방법은 시스템에 PID 제어기를 연결한 후 PID 게인을 모두 0으로 설정한 후 비례 게인을 0부터 증가시키면서 PID 제어를 수행하고, 헌팅 발생시의 게인 KU, 엔진의 헌팅 주기 PU를 산출하여 이를 지글러-니콜스 동조식에 대입하여 PID 게인을 튜닝하는 방법이다.

그러나, 상기와 같은 방법을 디젤 엔진에 적용할 경우 가버너를 일정비율로 열어 둬야 하는데, 엔진의 특성상 가버너의 열림량이 일정하여도 엔진속도가 빨라짐에 따라 연료의 입력량이 증가하여, 결국 엔진이 최고출력에 도달하게 되고, 엔진에 연결된 발전기 동체가 고장날 수 있는 위험이 있었다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 엔진(300)의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기(120)에서 엑츄에이터(200)로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하여 PID 제어를 수행 후, 헌팅 발생 시의 게인 변수 및 헌팅 주기를 이용하여 PID 게인을 오토튜닝함으로써 안정성을 높이면서 최적의 PID 게인을 찾는 방법을 제안하고자 한다. 이하에서는 도 2를 참조하여 게인 튜닝부의 오토튜닝 방법에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 튜닝부의 오토 튜닝방법의 전체적인 과정을 도시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 우선 게인 튜닝부(130)는 엔진이 낼 수 있는 엔진의 최대 회전속도 및 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기(120)에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정한다(S100). 또한, 단계(S100)에서 게인 튜닝부(130)는 게인 변수 및 카운팅 변수를 1로 설정할 수 있다.

여기서, PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며, 게인 튜닝부(130)는 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 비례 게인을 초기 설정할 수 있다. 일례로, 엔진의 최대 회전속도가 4000rpm, 이를 구동하기 위해 PID 제어기에서 출력되는 제어신호가 10000이라면, 비례 게인의 초기 값(Kp_b)은 2.5로 설정될 수 있다.

또한, 게인 튜닝부(130)는 상기 초기 설정된 비례 게인 및 PID 제어기의 PID 제어의 샘플링 속도를 이용하여 적분 게인을 초기 설정할 수 있다. 일예로, 샘플링 속도 1ms의 주기로 PID 제어를 실행하는 경우 적분 게인의 초기 값(Ki_b)은 0.0025로 설정될 수 있다.

또한, 게인 튜닝부(130)는 미분 게인의 초기 값(Ki_d)을 0으로 설정할 수 있다.

이어서, PID 제어기(120)는 상기 설정된 PID 게인(Kp_b, Ki_b, Kd_b)을 이용하여 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표속도가 되도록 PID 제어를 실행한다.

이어서, 게인 튜닝부(130)는 FV 변환부(110)에서 출력되는 신호를 참조하여, 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단한다(S120).

상기 헌팅이 발생하지 않는 경우, 게인 변수를 기 설정된 값인 a 만큼 증가시킨 후 게인 변수를 상기 설정된 PID 게인에 곱하여 PID 게인을 재설정 한다(S130).

게인 튜닝부(130)는 헌팅이 발생할 때까지 단계(S110) 내지 단계(S130)을 반복 수행한다.

즉, 게인 튜닝부(130)는 엔진의 최대 회전속도 및 이때 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 초기 PID 제어 값을 설정함으로써, PID 제어의 안전성을 높인 후 게인 변수를 이용하여 PID 게인의 설정 값을 증가시키면서 헌팅이 발생하는 시점을 탐색하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헌팅이 발생하는 경우의 엔진의 회전속도 및 제어신호의 변화를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, PID 제어에 의해 엔진의 회전속도는 목표속도를 기준으로 상하로 변동된다, 이때, 엔진의 엔진의 최대 회전속도(V1) 또는 최소 회전속도(V2)와 목표속도간의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하는 경우 게인 튜닝부(130)는 헌팅이 발생된 것으로 판단할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 단계(S120)에서 헌팅이 발생한 것으로 판단되는 경우, 게인 튜닝부(130)는 헌팅 발생 시 설정되어 있는 게인 변수(Ku), 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기(Pu)를 지글러-니콜스 동조식에 대입하여 PID 게인을 재설정한다(S140).

여기서, 지글러-니콜스 동조식을 이용하여 설정되는 PID 게인은 하기의 수학식 1을 이용하여 설정될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, Kp는 재설정된 비례 게인, Ki는 재설정된 적분 게인, Kd는 재설정된 미분 게인, Ku는 헌팅 발생 시의 게인 변수, Kp_b는 초기 설정된 비례 게인, Ki_b는 초기 설정된 적분 게인, Pu는 상기 헌팅 주기, zp는 지글러-니콜스 비례 게인 변수, zi는 지글러-니콜스 적분 게인 변수, zd는 지글러-니콜스 미분 게인 변수를 각각 의미한다.

이어서, 게인 튜닝부(130)는 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도의 최대 진폭(Au) 및 PID 제어기(120)에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭(Cu)를 이용하여 상기 설정된 PID 게인을 보정할 수 있다(S150).

초기 설정된 PID 게인은 엔진의 최대 회전속도 및 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기(120)에서 출력되는 제어신호를 이용하여 설정된 값이므로, 본 발명은 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도 및 제어신호의 최대 진폭의 비율을 이용하여 지글러-니콜스 동조식에 의해 설정된 PID 게인을 보정함으로써 보다 정확한 PID 게인 값이 산출될 수 있도록 한다.

보다 상세하게, 게인 튜닝부(130)에서 엔진의 회전속도의 최대 진폭(Au) 및 PID 제어기(120)에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭(Cu)를 이용하여 보정되는 PID 게인은 하기의 수학식 2를 이용하여 설정될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, 상기 Au는 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도의 최대 진폭, Cu는 헌팅 발생시의 PID 제어기에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭을 각각 의미한다.

이어서, 단계(S160)에서 엔진 튜닝부(130) 카운트 변수가 기 설정된 횟수 이상인지를 판단한다. 만약 카운트 변수가 기 설정된 값 미만 인 경우, 엔진 튜닝부(130)는 게인 변수(Ku)를 초기화하고, 카운트 변수(Count)를 1 증가시킨 후(S170) 상기 재설정된 PID 게인을 이용하여 단계(S110) 내지 단계(S160)을 기 설정된 횟수만큼 반복 수행한다.

상기 단계(S110) 내지 단계(S160)를 기 설정된 횟수만큼 반복 수행하는 이유는 재설정되는 PID 게인의 정확도를 보다 높이기 위함이다. 일례로, 기 설정된 횟수는 3으로 설정될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 디지털 가버너 제어장치 200: 엑츄에이터
300: 엔진 400: 속도센서
110: FV 변환부 120: PID 제어기
130: 게인 튜닝부

Claims (6)

1. 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하는 단계(a);
   상기 초기 설정된 PID 게인을 이용하여 상기 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표 속도가 되도록 PID 제어를 실행하는 단계(b);
   상기 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단하는 단계(c);
   상기 헌팅이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 PID 게인에 게인 변수를 곱하여 설정하고, 상기 헌팅이 발생할 때까지 상기 게인 변수를 증가시키며 상기 단계(b) 내지 상기 (d)를 반복 수행하는 단계(d); 및
   상기 헌팅이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 헌팅 발생 시 설정된 상기 게인 변수 및 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기를 지글러-니콜스(Zigler-Nichols) 동조식에 대입하여 상기 PID 게인을 재설정 하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며,
   상기 단계(a)는,
   상기 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 상기 비례 게인을 초기 설정하며,
   상기 비례 게인 및 상기 PID 제어를 실행하는 샘플링 시간을 이용하여 상기 적분 게인을 초기 설정하며,
   상기 미분 게인을 0으로 초기 설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단계(e)이후에,
   상기 게인 변수를 초기화 한 후, 상기 재설정된 PID 게인을 이용하여 상기 단계(b) 내지 단계 (e)를 기 설정된 횟수만큼 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단계(e)는,
   상기 지글러-니콜스 동조식에 따라 산출된 PID 게인을 상기 헌팅 발생시의 상기 엔진의 회전속도의 최대 진폭 및 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭 값을 이용하여 보정하여 상기 PID 게인을 재설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며,
   상기 지글러-니콜스 동조식을 이용하여 재설정되는 PID 게인은 하기의 수학식을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
   

   

   
   여기서, Kp는 재설정된 비례 게인, Ki는 재설정된 적분 게인, Kd는 재설정된 미분 게인, Ku는 헌팅 발생 시의 게인 변수, Kp_b는 초기 설정된 비례 게인, Ki_b는 초기 설정된 적분 게인, Pu는 상기 헌팅 주기, zp는 지글러-니콜스 비례 게인 변수, zi는 지글러-니콜스 적분 게인 변수, zd는 지글러-니콜스 미분 게인 변수를 각각 의미함.
6. 제5항에 있어서,
   상기 엔진의 회전속도의 최대 진폭 및 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어 신호의 최대 진폭을 이용하여 보정되는 PID 게인은 하기의 수학식을 이용하여 재설정되는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
   

   

   
   여기서, 상기 Au는 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도의 최대 진폭, Cu는 헌팅 발생시의 PID 제어기에서 출력되는 제어 신호의 최대 진폭을 각각 의미함.

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