KR101602030B1 - 테스트 장치용 유체역학적 토크 생성기, 및 유체역학적 토크 생성기의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

테스트 장치용 유체역학적 토크 생성기(3)는 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며, 이들 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 하나 이상의 제어 장치를 갖는다.
제어 장치 내에서 개회로 피드포워드 제어기 및 폐회로 피드백 제어기로 구성된 제어 시스템을 이용함으로써, 이 유형의 장치가 동적 테스트 장치 내에서 사용될 수 있다.

Description

테스트 장치용 유체역학적 토크 생성기, 및 유체역학적 토크 생성기의 제어 방법{HYDRODYNAMIC TORQUE GENERATOR FOR TEST BENCHES, AND CONTROL METHOD THEREFOR}

본 발명은 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며, 이들 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 하나 이상의 제어 장치를 갖는, 테스트 장치용 유체역학적 토크 생성기 및 특히 동적 테스트 장치 내에서 상기 유체역학적 토크 생성기의 제어 방법에 관한 것이다.

동적 테스트 장치(dynamic test rig)는 예를 들어, 승용차 또는 상용 차량 내에 내연 기관을 장착하는데 사용된다. 실제 차량 내에서의 측정값(measurement)들과는 달리, 검사 하에서 동적 테스트 장치 상에 테스트 대상물(test object)을 장착하는 데 관해, 재현가능한 조건(reproducible condition) 즉 온도, 압력 등이 보장될 수 있으며, 법으로 규정된 측정값들을 모수화하고(parameterizing) 테스트하며 선택하기 위한 비용 뿐만 아니라 시간이 줄어들 수 있다. 이러한 종류의 테스트 장치 상에서 사용되는 토크 생성기는 특정 유형, 가령, 예를 들어, 전기 장치에만 제한되지 않으며, 가변 충전 수준(variable filling level)을 갖는 유체역학적 장치(hydrodynamic machine)도 사용될 수 있다.

빈번하게, 더 소형이고 중간 파워의 내연 기관(승용차 엔진, 트럭 엔진 등)을 위한 동적 테스트 장치에는 테스트 샤프트(test shaft)에 의해 테스트 하에서 엔진에 연결된 전기 장치가 장착된다. 엔진을 테스트하기 위하여 전기 장치에 연결된 연소 엔진을 가진 이러한 테스트 장치는, 예를 들어, Gruenbacher E.씨 등의 "Robust Inverse Control for Combustion Engine Test Benches", 2008 American Control Converence, Seattle, Washington, USA, June 11-13, 2008, pp.2852-2857에 기술되어 있다.
이와 대조적으로, 중간 및 고-파워(high power)의 내연 기관에서 정상-상태(steady-state) 측정이 유체역학적 장치(hydrodynamic machine)를 사용하여 테스트 장치 상에서 현재 빈번하게 수행되는데, 이러한 유체역학적 장치는 통상 전기 장치보다 더 작은 동력학(dynamics) 및 더 적은 제어 문제점을 갖는다. 이러한 유체역학적 토크 생성기, 및 유체역학적 토크 생성기를 가진 테스트 장치는 예를 들어 미국 특허출원번호 US 5,834,654 A호에 기술되어 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 유체역학적 토크 생성기의 디자인을 구현하고 이러한 종류의 장치가 동적 테스트 장치 상에서 사용될 수 있도록 하는 제어 방법을 구현하는 데 있다.

이 목적을 구현하기 위하여, 본 발명에 따르면, 개회로 피드포워드 제어기(open-loop feed-forward controller) 및 폐회로 피드백 제어기(closed-loop feedback controller)로 구성된 제어 시스템(control system)이 제어 장치 내에 제공된다. 이러한 종류의 디자인에 따라 또한 동적 측정(dynamic measurement)을 위해 매우 낮은 기계적 관성(mechanical inertia)을 가진 유체역학적 장치를 사용하는 것도 가능하다.

바람직한 제1 실시예에 따르면, 상기 토크 생성기에서, 토크 생성기의 정적(static) 비-선형 특성 맵(characteristic map)의 반전(inversion)에 기초한 개회로 피드포워드 제어기가 제어 장치 내에 제공된다.

본 발명에 따른 추가적인 실시예에 의하면, 하나 이상의 입구 밸브(inlet valve)와 하나 이상의 출구 밸브(outlet valve)가 제어 장치에 함께 결합된다(jointly coupled). 여기서, 피드백 브랜치(feedback branch)는 가장 단순한 경우에 입구 및 출구 밸브 상에서 동일한 방식으로 작동하는 단일의 매우 단순한 제어기로 구성된다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 제어 방법이 제공되는데, 토크 생성기의 충전 수준(filling level)은 토크 생성기의 밸브들 중 하나 이상의 밸브의 위치를 결정하는 폐회로 피드백 제어기 및 개회로 피드포워드 제어기에 의해 변경된다.

여기서, 바람직한 한 실시예에 따르면, 하나 이상의 출구 밸브, 및 이와 동시에 하나 이상의 입구 밸브의 위치가 개회로 피드포워드 제어기와 폐회로 피드백 제어기에 의해 결정된다.

바람직하게는 개회로 피드포워드 제어기는 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵의 반전에 기초한다.

추가로, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 한 실시예에 따르면, 입구 밸브와 출구 밸브의 위치는 추가 조건(additional condition)을 사용하여 개회로 피드포워드 제어기 내에서 요구된 토크로부터 계산된다.

추가적인 실시예에 따르면, 토크 생성기의 유체(fluid)의 온도에 대한 한계값(limiting value)에 대한 유착(adherence)이 상기 추가 조건으로서 보장된다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 특히 바람직하게는 토크 생성기의 작동 지점(working point)이, 필요 시에, 시간에 맞춰 상쇄될 때, 특정된 기준 값(reference value)을 추적한다(track).

하기 기술내용에서, 본 발명은 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시예들에 따라 보다 상세하게 기술된다.

도 1은 유체역학적 토크 생성기를 갖는 내연 기관용 동적 테스트 장치를 도식적으로 도시하는 도면,
도 2는 속도(n=1000 rpm)에 대한 밸브 위치의 함수로서 유체역학적 토크 생성기에 의해 제공된 토크의 도면,
도 3은 도 2에 대한 윤곽선을 도시하는 도면, 그리고,
도 4는 실질적으로 빈 유체역학적 토크 생성기에 따른 토크의 지연된 전개를 도시하는 도면이다.

도 1에 개략적으로 도시된 동적 테스트 장치(dynamic test rig) 상에서, 내연 기관의 형태의 테스트 대상물(test object)(1)이 테스트 샤프트(2)에 의해 테스트 대상물(1)에 토크(T_D)를 가하는 하중 장치(load machine)(3)에 연결된다(여기서, n_E는 엔진 속도, T_E는 엔진 토크, α는 액셀러레이터의 위치, T_st는 샤프트 토크이다). 본 발명에 따르면, 이 하중 장치(3)는 유체역학적 장치이며, 상기 유체역학적 장치의 충전 수준(filling level) 또는 충전 수준 변경(filling level variation)은 생성된 토크(T_D)를 변경시키기 위하여 하나 이상의 출구 밸브와 하나 이상의 입구 밸브에 의해 또는 하나 이상의 출구 밸브 단독에 의해 제어된다(여기서, 입구 밸브 위치는 γ_i이고 출구 밸브 위치는 γ_o이다). 입구 및 출구 밸브(들)를 갖는 유체역학적 장치를 제어하기 위해 이제까지 사용된 해결방법은 주로 출구 밸브에 의해 토크(T_D)의 폐회로 제어를 제공하는 반면, 입구와 출구 사이의 온도 차이 또는 출구에서의 온도는 주로 입구 밸브에 의해 영향을 받으며 이에 따라 유체역학적 장치를 통한 유동에 의해 영향을 받는다. 상기 온도 차이 또는 출구에서의 온도는 자체적으로 조절되는 것이 아니라, 단지 특정 한계값들이 유지될 수 있게만 한다. 그러나, 이러한 공지된 해결방법은 충전 수준의 변경을 제한하며, 특히 토크(T_D)가 증가하면 종종 상당히 지연된다(delay).
본 발명에 따르면, 이제, 개회로 피드포워드 제어기(open-loop feed-forward controller) 및 폐회로 피드백 제어기(closed-loop feedback controller)로 구성된 제어 시스템(control system)이 유체역학적 장치의 제어 장치 내에 제공된다. 개회로 피드포워드 제어기는 밸브 위치(γ_i, γ_o), 속도(n_D) 및 생성된 토크(T_D) 간의 0(relationship)를 나타내는 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵(도 2 참조)의 반전(inversion)에 기초한다. 유체역학적 장치에 대한 특성 맵을 단지 한 번만 기록하면 된다. 정적 비-선형 특성 맵을 생성하기 위해 필요한 측정값(measurement)들은 "실험 계획법(Design of Experiments; DOE)"에 의해 감소될 수 있다(reduced).

입구 및 출구 밸브의 위치(γ_i, γ_o)는 추가 조건을 사용하여 개회로 피드포워드 제어기 내에서 필요한 토크(T_{D, set})로부터 계산된다. 이는 다수의 밸브 위치(γ_i, γ_o)로 하나의 동일한 토크(T_D)가 구현될 수 있기 때문에 필수적이다. 바람직하게 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이, 온도 한계값에 대한 유착(adherence) 및 토크(T_D)를 둘 다 제어하기 위하여 입구 및 출구 밸브가 동시에 사용되면, 토크(T_D)는 보다 신속히 변경될 수 있다. 예를 들어, 유체역학적 장치의 충전 수준이 증가되고 이에 따라 토크(T_D)가 증가되면, 출구 밸브가 완벽히 밀폐되고 입구 밸브가 완벽히 개방함으로써 토크 증가가 가장 신속히 구현된다.

입구 및 출구 둘 모두에 대해 하나의 제어기의 사용은 45°의 동일한 토크에 따른 선의 기울기(slope)에 의해 촉진된다. 따라서, 교란(disturbance)으로 인해, 모델 및 제어된 시스템 간의 편차(deviation)에 대한 수정(correction)이 동일한 토크에 따라 선에 대해 거의 수직으로 수행된다. 도 3에는 일정 속도(n_D)에 대해 두 밸브 위치(γ_i, γ_o)의 함수로서 유체역학적 장치의 토크(T_D)가 도시된다. 이 특정 경우에서, 필요한 토크(T_D)가 구현되는 "설계 지점(design point)"으로부터 최소 거리에 따른 이들 밸브 위치(γ_i, γ_o)가 계산된다. 그 결과, 브레이크가 작동 범위(operating range)의 중간에서 작동한다. 토크(T_D)의 구배율(gradient)이 상기 범위에서 최대가 아닐지라도, 상기 범위는 특성 맵의 기울기와 교란의 제압(suppression) 간의 우수한 절충을 나타낸다. 또한, 유체역학적 장치를 통한 특정 유동이 항시 보장되고, 출구에서의 온도 또는 온도 차이가 특정 한계값 내에 유지된다. 게다가, 설계 지점을 수정함으로써 유체역학적 장치를 통한 유동에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 필요한 토크와 필요한 파워가 장치의 허용가능한 한계값들 미만에 있는 한, 온도 제한(temperature limit)이 보장될 수 있다.

이와 같이, 모델 및 제어된 시스템 간의 편차를 상쇄하고(offset) 교란을 보상하기 위한 피드백 제어기(feedback controller)의 개념은 도 3을 기초로 한다. 도 2 및 도 3에 따르면, 가능하다면, 2개의 밸브는 "설계 지점"의 개념을 도입하고 이의 활성화(activation)에 의해 작동 범위(operating range)의 중간에서 작동된다. 특정 한계값들을 유지하기 위하여, 한편으로, 상기 활성화는 입구와 출구 사이의 온도 차이 또는 출구에서의 수온(water temperature)에 따라 "설계 지점"을 이동시킴으로써 보완된다(supplemented). 다른 한편으로, 밸브의 활성화는 토크 제어 회로(torque control loop)에 의해 보완된다.

고정 속도(n_D)의 경우, 주어진 토크(T_D)에 대한 밸브 위치(γ_i, γ_o)의 다수의 조합은 45°미만의 기울기를 갖는 선 위에 있다. 이 경우는, 오직 0% 내지 100%의 영역에서의 밸브 위치(γ_i, γ_o)에 대해서는 더 이상 해당하지 않는다. 그러나, 유체역학적 장치가 신뢰성 있고 경제적으로 작동되지 않을 수 있기 때문에 이들 영역은 회피되어야 한다(avoided). 토크 또는 파워 한계값에서 다이나모미터(dynamometer)의 작동은 어떠한 보존 용량(reserve capacity)도 남기지 않는다.

이에 따라, 단일의 피드백 제어기를 사용하여 두 밸브 위치(γ_i, γo)에 의해 교란과 편차를 함께 그리고 동시에 보상할 수 있게 된다. 정상-상태 작동(steady-state operation) 시에, 이는 밸브 위치(γ_i, γ_o)를 약간 변경시켜 구현되고, 따라서 유체역학적 브레이크(hydrodynamic brake)는 작동 범위의 중간 가까이에서 여전히 작동된다.

그러면, 임의의 유형의 토크 생성기의 제한된 동력학(dynamics)은 토크 발생기를 준비하는 필터(filter)와 딜레이(delay)의 도입에 의해 보상될 수 있다. 예를 들어, 부분적으로 충전된 워터 브레이크(water brake)의 토크(T_D)의 변경은 특히 고속에서 신속히 수행될 수 있다. 유체역학적 장치가 실질적으로 비워진 경우에는, 충전 수준이 증가할 때 딜레이(delay)가 있다. 도 4에는 본 발명에 따른 제어 시스템(E)과 표준 제어 시스템(S)을 사용할 때 가변 속도 요구(varying speed demand, R)의 추적 거동(tracking behavior)이 도시된다.

한편으로는, 기준의 특성이 운영자(operator)에 의해 수동으로 구현될 수 있으며(specified manually), 다른 한편으로는, 테스트 사이클(test cycle) 동안 이러한 기준 특성들은 미리 알려져 있는 것이기도 하다. 두 경우 모두, 토크 생성기는 상기 정보(information)를 사용함으로써 토크 생성기의 작동 지점을 변경시키고 이에 따라 시간에 맞춰 상쇄될 때 상당히 보다 정확하게 주어진 기준을 따를 수 있도록 토크(T_D)의 변경에 대해 준비될 수 있다. 워터 브레이크가 실질적으로 비워진 경우, 충전 수준은 토크 기준이 실제로 변경되기 전에 변경하기 시작할 수 있다. 이에 따라 데드 타임(dead time)이 보상될 수 있다. 요구가 수동으로 설정되는 경우, 이러한 목적으로 기준은 지연되어야 하지만, 이는 테스트 장치의 실제 작동에는 영향을 미치지 않는다.

Claims (9)

1. 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며, 유체역학적 토크 생성기(3)의 토크를 제어하기 위하여 상기 입구 밸브와 출구 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 제어 장치를 가지고, 상기 제어 장치 내에는 개회로 피드포워드 제어기와 폐회로 피드백 제어기로 구성된 제어 시스템이 제공되는 테스트 장치용 유체역학적 토크 생성기(3)에 있어서,
   상기 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브는 상기 제어 장치에 함께 결합되며, 상기 제어 장치는 입구 밸브와 출구 밸브의 위치, 유체역학적 토크 생성기(3)의 생성된 토크 및 속도 사이의 상관관계를 나타내는 유체역학적 토크 생성기(3)의 알려진 정적 비-선형 특성 맵의 반전(inversion)에 기초한 개회로 피드포워드 제어기에 따라 입구 밸브와 출구 밸브를 함께 제어하고, 상기 입구 밸브와 출구 밸브의 위치는 유체역학적 토크 생성기(3)의 유체 온도에 대한 한계값들을 동시에 관찰함으로써 개회로 피드포워드 제어기 내에서 요구된 토크로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 테스트 장치용 유체역학적 토크 생성기(3).
2. 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며 유체역학적 토크 생성기(3)의 토크를 제어하기 위하여 상기 입구 밸브와 출구 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 제어 장치를 가지는 유체역학적 토크 생성기(3)의 제어 방법으로서, 유체역학적 토크 생성기(3)의 충전 수준은 유체역학적 토크 생성기(3)의 입구 밸브와 출구 밸브의 위치를 결정하는 폐회로 피드백 제어기 및 개회로 피드포워드 제어기에 의해 변경되는 유체역학적 토크 생성기(3)의 제어 방법에 있어서,
   상기 제어 장치는 입구 밸브와 출구 밸브의 위치, 유체역학적 토크 생성기(3)의 생성된 토크 및 속도 사이의 상관관계를 나타내는 유체역학적 토크 생성기(3)의 알려진 정적 비-선형 특성 맵의 반전(inversion)에 기초한 개회로 피드포워드 제어기에 따라 입구 밸브와 출구 밸브를 함께 제어하고, 상기 입구 밸브와 출구 밸브의 위치는 유체역학적 토크 생성기(3)의 유체 온도에 대한 한계값들을 동시에 관찰함으로써 개회로 피드포워드 제어기 내에서 요구된 토크로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 유체역학적 토크 생성기(3)의 제어 방법.
3. 제2항에 있어서, 하나 이상의 출구 밸브와 하나 이상의 입구 밸브의 위치는 폐회로 피드백 제어기에 의해 동시에 결정되는 것을 특징으로 하는 유체역학적 토크 생성기(3)의 제어 방법.
4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 출구 밸브와 하나 이상의 입구 밸브의 위치는 개회로 피드포워드 제어기와 함께 결정되는 것을 특징으로 하는 유체역학적 토크 생성기(3)의 제어 방법.
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