KR102196598B1 - 댐핑 조절 시스템 및 그 운영 방법 - Google Patents
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Abstract
댐핑 조절 시스템에 연관된다. 보다 상세하게는 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 통신부, 상기 가속도 데이터를 이용하여 장력을 계산하고, 상기 장력에 대응하여 자기 유변 댐핑부에 가하는 전압을 조절하는 제어부 및 상기 전압에 의해 자기장이 형성되어 댐핑 강도가 변화하는 자기 유변 댐핑부를 포함하는 댐핑 조절 장치와 복제 댐핑 조절 장치를 포함한다.
Description
댐핑을 조절하는 시스템 및 그 운영 방법에 연관된다. 보다 상세하게는, 무선 센서를 이용하여 케이블의 장력을 계측하고 케이블의 진동을 제어하는 댐핑 조절 장치에 연관된다.
장경간을 가진 사장교가 전 세계적으로 증가함에 따라 교량 구조물의 가용성과 안전성을 유지하기 위해 교량을 유지 보수하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있다.
케이블 댐핑을 향상시키기 위해 점성 댐퍼를 케이블에 횡 방향으로 부착하여 구현하는 수동 제어는 진동 감소를 위한 효과적이고 실용적인 도구이다. 케이블이 짧은 다리는 수동 댐퍼가 설치 됨으로써 충분한 댐핑을 제공 할 수 있는 반면에, 1,000m를 초과하는 케이블을 갖는 긴 다리의 경우 수동 댐퍼만으로는 진동을 제거하기 어렵다.
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일 실시예에 따른 댐핑 조절 시스템은 케이블의 진동을 억제하는 댐핑부를 제어하기 위해 상기 케이블의 변위에 따라 계산된 제어력이 상기 댐핑부의 댐핑력 보다 큰지 여부에 기초하여 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 조절하는 댐핑 조절 장치와, 상기 케이블 및 상기 댐핑 조절 장치를 모니터링하는 복제 댐핑 조절 장치를 포함한다.
상기 변위는 상기 케이블의 질량, 상기 케이블의 길이, 상기 케이블의 길이방향 거리, 상기 케이블의 횡방향 가속도 및 속도, 상기 케이블을 따라 분포된 하중에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 댐핑 조절 장치는 상기 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 통신부와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 상기 댐핑부를 제어하기 위한 제1 제어력을 계산하고, 상기 제1 제어력에 기초하여 상기 댐핑부에 가하는 제1 전압을 조절하는 제어부와, 상기 제1 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 댐핑 강도가 변화하는 댐핑부를 포함할 수 있다.
상기 복제 댐핑 조절 장치는 상기 센서부로부터 상기 가속도 데이터를 수신하는 복제 통신부와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 복제 댐핑부를 제어하기 위한 제2 제어력을 계산하고, 상기 제2 제어력에 기초하여 상기 복제 댐핑부에 가하는 제2 전압을 조절하는 복제 제어부와, 상기 제2 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 댐핑 강도가 변화하는 복제 댐핑부와, 상기 케이블에 연관되는 데이터를 표시하는 모니터링부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제1 제어력을 계산하고, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하고, 상기 복제 제어부는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제2 제어력을 계산하고, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 강하게 조절하고, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 약하게 조절하고, 상기 복제 제어부는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 강하게 조절하고, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 약하게 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 인가하고, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 인가하지 않고, 상기 복제 제어부는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 인가하고, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 인가하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따른 댐핑 조절 방법은 댐핑 조절 장치가 케이블의 진동을 억제하는 댐핑부를 제어하기 위해 상기 케이블의 변위에 따라 계산된 제어력이 상기 댐핑부의 댐핑력 보다 큰지 여부에 기초하여 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 조절하는 단계와, 복제 댐핑 조절 장치가 상기 케이블 및 상기 댐핑 조절 장치를 모니터링하는 단계를 포함한다.
상기 변위는 상기 케이블의 질량, 상기 케이블의 길이, 상기 케이블의 길이방향 거리, 상기 케이블의 횡방향 가속도 및 속도, 상기 케이블을 따라 분포된 하중에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 조절하는 단계는 상기 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 단계와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 상기 댐핑부를 제어하기 위한 제1 제어력을 계산하고, 상기 제1 제어력에 기초하여 상기 댐핑부에 가하는 제1 전압을 조절하는 단계와, 상기 제1 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 변화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모니터링하는 단계는 상기 댐핑 조절 장치의 센서부로부터 상기 가속도 데이터를 수신하는 단계와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 복제 댐핑부를 제어하기 위한 제2 제어력을 계산하고, 상기 제2 제어력에 기초하여 상기 복제 댐핑부에 가하는 제2 전압을 조절하는 단계와, 상기 제2 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 상기 복제 댐핑부의 댐핑 강도를 변화하는 단계와, 상기 케이블에 연관되는 데이터를 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전압을 조절하는 단계는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하는 단계와, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제1 제어력을 계산하는 단계와, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 제2 전압을 조절하는 단계는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하는 단계와, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제2 제어력을 계산하는 단계와, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하는 단계는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 강하게 조절하는 단계 또는, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 약하게 조절하는 단계를 포함하고, 상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 강하게 조절하는 단계 또는, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 약하게 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하는 단계는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 인가하는 단계 또는, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 인가하지 않는 단계를 포함하고, 상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 인가하는 단계 또는, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 인가하지 않는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 다르면 상기 댐핑 조절 시스템의 운영 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체도 개시된다.
상기 변위는 상기 케이블의 질량, 상기 케이블의 길이, 상기 케이블의 길이방향 거리, 상기 케이블의 횡방향 가속도 및 속도, 상기 케이블을 따라 분포된 하중에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 댐핑 조절 장치는 상기 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 통신부와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 상기 댐핑부를 제어하기 위한 제1 제어력을 계산하고, 상기 제1 제어력에 기초하여 상기 댐핑부에 가하는 제1 전압을 조절하는 제어부와, 상기 제1 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 댐핑 강도가 변화하는 댐핑부를 포함할 수 있다.
상기 복제 댐핑 조절 장치는 상기 센서부로부터 상기 가속도 데이터를 수신하는 복제 통신부와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 복제 댐핑부를 제어하기 위한 제2 제어력을 계산하고, 상기 제2 제어력에 기초하여 상기 복제 댐핑부에 가하는 제2 전압을 조절하는 복제 제어부와, 상기 제2 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 댐핑 강도가 변화하는 복제 댐핑부와, 상기 케이블에 연관되는 데이터를 표시하는 모니터링부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제1 제어력을 계산하고, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하고, 상기 복제 제어부는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제2 제어력을 계산하고, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 강하게 조절하고, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 약하게 조절하고, 상기 복제 제어부는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 강하게 조절하고, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 약하게 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 인가하고, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 인가하지 않고, 상기 복제 제어부는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 인가하고, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 인가하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따른 댐핑 조절 방법은 댐핑 조절 장치가 케이블의 진동을 억제하는 댐핑부를 제어하기 위해 상기 케이블의 변위에 따라 계산된 제어력이 상기 댐핑부의 댐핑력 보다 큰지 여부에 기초하여 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 조절하는 단계와, 복제 댐핑 조절 장치가 상기 케이블 및 상기 댐핑 조절 장치를 모니터링하는 단계를 포함한다.
상기 변위는 상기 케이블의 질량, 상기 케이블의 길이, 상기 케이블의 길이방향 거리, 상기 케이블의 횡방향 가속도 및 속도, 상기 케이블을 따라 분포된 하중에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 조절하는 단계는 상기 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 단계와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 상기 댐핑부를 제어하기 위한 제1 제어력을 계산하고, 상기 제1 제어력에 기초하여 상기 댐핑부에 가하는 제1 전압을 조절하는 단계와, 상기 제1 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 변화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모니터링하는 단계는 상기 댐핑 조절 장치의 센서부로부터 상기 가속도 데이터를 수신하는 단계와, 상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 복제 댐핑부를 제어하기 위한 제2 제어력을 계산하고, 상기 제2 제어력에 기초하여 상기 복제 댐핑부에 가하는 제2 전압을 조절하는 단계와, 상기 제2 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 상기 복제 댐핑부의 댐핑 강도를 변화하는 단계와, 상기 케이블에 연관되는 데이터를 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전압을 조절하는 단계는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하는 단계와, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제1 제어력을 계산하는 단계와, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 제2 전압을 조절하는 단계는 칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하는 단계와, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제2 제어력을 계산하는 단계와, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하는 단계는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 강하게 조절하는 단계 또는, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 약하게 조절하는 단계를 포함하고, 상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 강하게 조절하는 단계 또는, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 약하게 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제1 전압을 조절하는 단계는 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 인가하는 단계 또는, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 인가하지 않는 단계를 포함하고, 상기 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계는 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 인가하는 단계 또는, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 인가하지 않는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 다르면 상기 댐핑 조절 시스템의 운영 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체도 개시된다.
도 1은 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템의 구성을 도시한다.
도 2는 일실시예에 따른 케이블에 댐핑 조절 장치가 포함되는 모습을 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 복제 댐핑 조절 장치의 구성을 도시한다.
도 4는 일실시예에 따른 다리에 복수의 댐핑 조절 장치가 설치된 모습을 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템의 운영 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 일실시예에 따른 케이블에 댐핑 조절 장치가 포함되는 모습을 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 복제 댐핑 조절 장치의 구성을 도시한다.
도 4는 일실시예에 따른 다리에 복수의 댐핑 조절 장치가 설치된 모습을 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템의 운영 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템의 구성을 도시한다. 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템(100)은 댐핑 조절 장치(110)와 복제 댐핑 조절 장치(120)로 구성된다.
상기 댐핑 조절 장치(110)는 통신부(111), 제어부(112) 및 자기 유변 댐핑부(113)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 복제 댐핑 조절 장치(120)는 복제 통신부(121), 복제 제어부(122), 복제 자기 유변 댐핑부(123) 및 모니터링부(124)로 구성될 수 있다.
통신부(111)는 가속도를 측정하는 센서부(미도시)로부터 측정되는 가속도 값을 수신할 수 있다. 센서부는 케이블의 일측에 부착되어 가속도를 측정할 수 있다. 상기 센서부는 측정되는 가속도 데이터를 무선 통신을 이용하여 상기 통신부(111)로 송신한다. 상기 통신부(111)는 상기 센서부가 측정하는 가속도 데이터를 수신하여 제어부(112)로 전달할 수 있다.
상기 제어부(112)는 상기 가속도 데이터를 이용하여 케이블의 장력을 계산하고, 예측 변위에 따른 제어력에 대응하여 자기 유변 댐핑부에 가하는 전압을 조절한다. 상기 제어부(112)는 칼만 필터를 통해 케이블의 예측 변위를 계산할 수 있고, LQR 컨트롤을 이용하여 상기 예측 변위에 대응하는 제어력(또는 컨트롤 게인)을 구할 수 있다. 가속도 데이터를 이용하여 장력을 계산하는 방법은 추후에 자세히 설명한다. 제어부(112)는 계산되는 장력에 대응하여 자기 유변 댐핑부(113)에 가하는 전압을 조절할 수 있다. 일실시예에 따르면 제어력(control force)가 댐핑력(damping force)보다 큰 경우에는 전압을 강하게 걸어주고, 상기 제어력이 상기 댐핑력보다 작은 경우에는 전압을 약하게 걸어줄 수 있다.
다른 일실시예에 따르면, 상기 제어력이 상기 댐핑력보다 큰 경우에는 전압을 인가하고, 작은 경우에는 전압을 인가하지 않는 방법도 가능하다.
자기 유변 댐핑부(113)는 전압에 의해 자기장이 형성되면 자기장의 크기에 따라 댐핑 강도가 변화한다. 상기 제어부(112)에 의해 전압이 입력되면 상기 전압의 크기에 따라 댐핑이 조절되고, 상기 자기 유변 댐핑부(113)는 케이블에 부착되어 상기 케이블의 진동을 조절할 수 있다.
상기 자기 유변 댐핑부(113)는 케이블과 실질적으로 수직한 방향으로 배치되어 상기 케이블이 진동하는 것을 억제하는 역할을 수행할 수 있다.
복제 댐핑 조절 장치(120)는 상기 댐핑 조절 장치(110)와 동일하게 구성되고, 모니터링부(124)를 더 포함할 수 있다. 즉, 복제 통신부(121), 복제 제어부(122), 복제 자기 유변 댐핑부(123) 및 모니터링부(124)로 구성될 수 있다.
복제 통신부(121)는 상기 통신부(111)가 가속도 데이터를 수신하는 동일한 센서부로부터 가속도 데이터를 수신할 수 있다. 상기 복제 통신부(121)는 센서로부터 수신한 가속도 데이터를 복제 제어부(122)로 전달할 수 있다. 복제 통신부(121)는 통신부(111)와는 달리 케이블의 일측에 부착되지 않고 별도의 위치에 구성될 수 있다.
복제 통신부(121)는 통신부(111)와는 달리 실제 케이블의 제어를 위해 사용되는 것이 아니고 사용자가 댐핑 조절 시스템의 모니터링을 위한 구성이기 때문이다.
복제 제어부(122)는 복제 통신부(121)로부터 수신하는 가속도 데이터를 이용하여 장력을 계산하고, 상기 제어력에 대응하여 복제 자기 유변 댐핑부(123)에 가하는 전압을 조절한다. 제어부(112)와 동일한 방법으로 계산되는 제어력에 대응해 복제 자기 유변 댐핑부(123)에 가하는 전압을 조절할 수 있다. 일실시예에 따르면 제어력이 댐핑력보다 큰 경우에는 전압을 강하게 인가하고, 제어력이 작은 경우에는 전압을 약하게 인가할 수 있다.
복제 자기 유변 댐핑부(123)는 자기 유변 댐핑부(113)와 마찬가지로 전압에 의해 자기장이 형성되면 자기장의 크기에 따라 댐핑 강도가 변화한다. 복제 제어부(122)에 의해 전압이 입력되고 상기 전압의 크기에 따라 자기장의 크기가 조절된다. 결과적으로 상기 전압의 크기에 따라 자기장이 변화하고, 상기 자기장에 의해 댐핑 강도가 조절된다. 복제 자기 유변 댐핑부(123)는 케이블에 부착되지 않고 별도로 위치하여 댐핑 강도를 모니터링하기 위해 사용된다.
자기 유변 댐핑부(113)가 어느 정도의 댐핑을 수행하고 있는지를 복제 자기 유변 댐핑부(123)를 이용하여 확인할 수 있다.
모니터링부(124)는 케이블에 연관되는 데이터를 표시한다. 예시적으로 그러나 한정되지 않게 케이블의 가속도, 복제 제어부(122)에 의해 계산되는 장력, 전압의 크기, 복제 자기 유변 댐핑부(123)의 댐핑 강도 등을 표시할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 케이블에 댐핑 조절 장치가 부착되는 모습을 도시한다. 도 2에서는 케이블(210)에 댐핑 조절 장치(220)와 센서부(230)가 부착되어 있는 모습이 도시된다.
케이블(210)은 교량과 연결되어 교량의 하중 대부분을 지지한다. 상기 케이블(210)의 일측에는 가속도를 측정하는 센서부(230)가 위치하고, 다른 일측에는 진동을 조절하는 댐핑 조절 장치(220)가 위치한다.
상기 센서부(230)는 케이블(210)에 부착되어 상기 케이블의 가속도를 측정하고, 측정되는 가속도 데이터를 무선 통신을 이용하여 댐핑 조절 장치(220)로 전송한다.
댐핑 조절 장치(220)는 통신부, 제어부 및 자기 유변 댐핑부로 구성될 수 있다. 상기 통신부가 센서부(230)로부터 케이블의 가속도 데이터를 수신하여 제어부로 전달한다.
상기 제어부는 케이블의 가속도 데이터를 이용하여 케이블의 장력을 계산한다. 그리고 예측되는 케이블의 변위에 따라 제어력을 계산하고, 상기 제어력에 대응하여 자기 유변 댐핑부에 가하는 전압의 크기를 조절할 수 있다. 상기 자기 유변 댐핑부는 제어부에서 인가하는 전압에 의해 자기장이 형성되고 그에 따라 댐핑 강도가 조절된다.
결과적으로 케이블의 가속도에 대응하여 댐핑 강도가 조절되어 진동을 제어하는 반능동 댐핑 조절 시스템이 구성된다.
도 3은 일실시예에 따른 복제 댐핑 조절 장치의 구성을 도시한다. 복제 댐핑 조절 장치(300)는 복제 통신부(310), 복제 제어부(320), 복제 자기 유변 댐핑부(330) 및 모니터링부(340)로 구성될 수 있다.
상기 복제 댐핑 조절 장치(300)는 댐핑 조절 장치를 모니터링하기 위한 시스템으로서, 센서부(미도시)와는 일정 거리 이격되어 위치할 수 있다.
복제 통신부(310)는 센서부(미도시)가 측정하는 케이블의 가속도 데이터를 수신한다. 댐핑 조절 장치의 통신부가 수신하는 가속도 데이터와 동일한 데이터를 수신하며, 수신하는 가속도 데이터를 복제 제어부(320)로 전달할 수 있다.
복제 제어부(320)는 제어부가 수행하는 동일한 계산 방식을 이용하여 케이블의 가속도를 장력으로 변환한다. 또한 케이블의 변위를 예측하고, 상기 예측 변위에 따른 상기 제어력에 대응하는 전압을 복제 자기 유변 댐핑부(330)로 가한다.
복제 자기 유변 댐핑부(330) 실제 케이블에 댐핑을 가하지는 않으나, 복제 제어부(320)에 의해 댐핑 강도가 변화한다.
모니터링부(340)는 댐핑 조절 장치의 동작과 케이블에 연관되는 데이터를 모니터링하기 위한 장치이다. 댐핑 조절 장치와 동일하게 구성되는 복제 댐핑 조절 장치를 이용하여 현재 댐핑 강도나 현재 케이블의 가속도, 장력 등을 실시간으로 확인할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 다리에 복수의 댐핑 조절 장치가 설치된 모습을 도시한다. 다리에 복수의 케이블이 설치되는 경우에, 복수의 댐핑 조절 장치가 설치되는 방법도 가능하다.
구체적으로 다리에 설치되는 케이블의 개수만큼의 댐핑 조절 장치(410)가 설치될 수 있고, 경우에 따라서는 댐핑 조절이 필요한 케이블 개수만큼의 댐핑 조절 장치가 설치되는 것도 가능하다.
각각의 댐핑 조절 장치 및 그와 동일한 복제 댐핑 조절 장치를 더 포함하여 댐핑 조절 시스템이 구성될 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템의 운영 방법을 도시한 흐름도이다. 일실시예에 따른 댐핑 조절 시스템의 운영 방법은 케이블의 가속도를 측정하는 단계(510), 가속도 데이터를 수신하는 단계(520), 장력 계산 및 전압 조절 단계(530), 댐핑 강도가 변화하는 단계(540) 및 복제 시스템 모니터링 단계(550)로 구성될 수 있다.
케이블의 가속도를 측정하는 단계(510)는 센서부에 의해 수행된다. 센서부는 댐핑 조절이 수행되는 케이블의 일측에 부착되어 상기 케이블의 가속도를 측정한다. 측정한 가속도 데이터는 통신부 및 복제 통신부로 실시간으로 송신할 수 있다.
가속도 데이터를 수신하는 단계(520)는 통신부에 의해 수행된다. 센서부로부터 측정되는 가속도 데이터를 무선으로 수신하고 제어부로 상기 가속도 데이터를 전달할 수 있다.
장력 계산 및 전압 조절 단계(530)는 제어부에 의해 수행된다. 제어부는 가속도 데이터를 이용하여 장력을 계산하고, 상기 장력에 대응하여 자기 유변 댐핑부에 인가되는 전압의 크기를 조절한다.
댐핑 강도가 변화하는 단계(540)는 자기 유변 댐핑부의 댐핑 강도가 변화하는 단계이다. 제어부에서 인가하는 전압에 의해 자기장이 형성이 되고 그에 따라 댐핑 강도가 변화한다.
복제 시스템 모니터링 단계(550)는 복제 통신부, 복제 제어부, 복제 자기 유변 댐핑부에 의해 측정 및 계산되는 데이터 등을 모니터링 하는 단계이다.
센서부에 의해 케이블의 가속도가 측정(510)되면, 복제 통신부도 가속도 데이터를 수신하게 된다. 수신되는 가속도 데이터를 이용하여 복제 제어부가 케이블의 장력을 계산하고, 그에 대응하는 전압을 출력한다. 출력되는 전압에 의해 복제 자기 유변 댐핑부의 댐핑 강도가 조절된다.
이러한 일련의 과정을 모니터링부를 통해 확인할 수 있다. 구체적으로 측정되는 가속도 데이터, 계산되는 장력, 장력에 대응하는 전압, 전압에 따른 댐핑 강도를 실시간으로 확인할 수 있다.
복제 시스템은 원 시스템과 동일하게 구성되기 때문에 현재 케이블의 장력 등을 직접 확인할 수 있다.
예시적으로 그러나 한정되지 않게 센서부는 MEMS 가속도계로 구성될 수 있고, 통신부와 제어부는 아두이노(Arduino) 플랫폼에서 구현될 수 있다.
케이블에 실질적으로 수직한 방향으로 배치되는 댐퍼를 포함하는 케이블에서 상기 댐퍼의 댐핑력을 고려한 케이블의 운동방정식(또는 구조방정식)은 다음의 수학식 1로 표현된다.
여기서 m은 케이블의 질량, L은 케이블의 길이, x는 케이블의 길이방향 거리, xd는 케이블의 한쪽 끝부터 댐퍼가 배치되는 위치까지의 거리이다.
또한 여기서 Fd(t)는 위치 x=xd에서의 댐퍼로부터의 횡방향 감쇠력이고, v(x,t)는 케이블의 횡방향 변위이다. 
와 
는 각각 케이블의 횡방향 가속도와 속도이다. 
는 x에 대한 2차 미분 값이다. f(x,t)는 케이블을 따라 분포 된 하중이다. 
는 디락 - 델타 함수이다. 케이블 운동에 대한 경계 조건은 모든 t에 대해 v(0, t) = v(L, t) = 0이다.
상기 수학식 1의 운동방정식을 상태공간(State space) 모델로 변환하여 LQR 제어에 이용할 수 있다.
제어부를 이용한 자기 유변 댐핑부의 제어에는 LQG(Linear Quadratic Gaussian) 제어가 사용될 수 있다.
구체적으로, 자기 유변 댐핑부가 원하는 댐핑 강도를 생성하도록 하기 위해, 제어부의 클립트 옵티멀 컨트롤러(Clipped-Optimal Controller)는 댐핑부의 전류 드라이버에 인가되는 적절한 입력 전압을 결정한다. 그에 따라 케이블 진동의 제어는 최적화 문제로 취급되며 LQG 제어를 이용하여 계산할 수 있다.
LQR 이론을 기반으로 하는 2차 비용 함수는 수학식 2와 같이 정의된다.
여기서 Q는 상태 가중 행렬이고, R은 제어를 위한 가중치 인자이다. X(t)는 시스템 상태이고, fc는 원하는 제어력이다. 원하는 제어력은 수학식 3과 같이 케이블 동역학의 상태공간 행렬에 의한 2차 비용 함수를 최소화함으로써 결정된다.
여기서 K는 리카티(Riccati) 방정식을 만족하는 제어 이득이며, 
는 댐핑부의 위치에서 측정 된 케이블 변위에 기초한 칼만 필터에 의해 계산된, 시스템 상태 X (t)의 추정 값이다.
입력 전압은 자기 유변 댐핑부에 의해 생성되는 댐핑 강도와 원하는 최적 댐핑 강도 사이의 관계에 의해 결정된다. 댐핑 강도의 크기가 원하는 댐핑 강도보다 작아지면 댐핑부의 댐핑 강도를 증가시켜 원하는 댐핑 강도와 일치시키기 위해 입력 전압을 최대 레벨까지 증가시킨다. 감쇠력이 원하는 제어력과 동일하면 입력 전압이 일정하게 유지된다. 댐핑 강도의 크기가 원하는 댐핑 강도보다 커지면 입력 전압은 0으로 설정된다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (15)
- 케이블의 진동을 억제하는 댐핑부를 제어하기 위해 상기 케이블의 변위에 따라 계산된 제어력이 상기 댐핑부의 댐핑력 보다 큰지 여부에 기초하여 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 조절하는 댐핑 조절 장치; 및
상기 케이블 및 상기 댐핑 조절 장치를 모니터링하는 복제 댐핑 조절 장치
를 포함하고,
상기 댐핑 조절 장치는,
상기 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 통신부;
칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 예측 변위에 대응하는 상기 댐핑부를 제어하기 위한 제1 제어력을 계산하고, 상기 댐핑부의 댐핑력과 상기 제1 제어력을 비교하여 상기 댐핑부에 가하는 제1 전압을 조절하는 제어부; 및
상기 제1 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 댐핑 강도가 변화하는 상기 댐핑부
를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 강하게 조절하거나 상기 제1 전압을 인가하고, 상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 약하게 조절하거나 상기 제1 전압을 인가하지 않는, 댐핑 조절 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 변위는 상기 케이블의 질량, 상기 케이블의 길이, 상기 케이블의 길이방향 거리, 상기 케이블의 횡방향 가속도 및 속도, 상기 케이블을 따라 분포된 하중에 기초하여 결정되는, 댐핑 조절 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복제 댐핑 조절 장치는,
상기 센서부로부터 상기 가속도 데이터를 수신하는 복제 통신부;
상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 복제 댐핑부를 제어하기 위한 제2 제어력을 계산하고, 상기 제2 제어력에 기초하여 상기 복제 댐핑부에 가하는 제2 전압을 조절하는 복제 제어부;
상기 제2 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 댐핑 강도가 변화하는 복제 댐핑부; 및
상기 케이블에 연관되는 데이터를 표시하는 모니터링부
를 포함하는, 댐핑 조절 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 복제 제어부는,
칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제2 제어력을 계산하고, 클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는, 댐핑 조절 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 복제 제어부는,
상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 강하게 조절하고, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 약하게 조절하는, 댐핑 조절 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 복제 제어부는,
상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 인가하고, 상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 인가하지 않는, 댐핑 조절 시스템.
- 댐핑 조절 장치가 케이블의 진동을 억제하는 댐핑부를 제어하기 위해 상기 케이블의 변위에 따라 계산된 제어력이 상기 댐핑부의 댐핑력 보다 큰지 여부에 기초하여 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 조절하는 단계; 및
복제 댐핑 조절 장치가 상기 케이블 및 상기 댐핑 조절 장치를 모니터링하는 단계
를 포함하고,
상기 조절하는 단계는.
상기 케이블에 부착되어 가속도를 측정하는 센서부로부터 가속도 데이터를 수신하는 단계;
칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하고, LQG 기반으로 상기 예측 변위에 대응하는 상기 댐핑부를 제어하기 위한 제1 제어력을 계산하고, 상기 댐핑부의 댐핑력과 상기 제1 제어력을 비교하여 상기 댐핑부에 가하는 제1 전압을 조절하는 단계; 및
상기 제1 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 상기 댐핑부의 댐핑 강도를 변화하는 단계
를 포함하고,
상기 제1 전압을 조절하는 단계는,
상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제1 전압을 강하게 조절하거나 상기 제1 전압을 인가하는 단계; 또는
상기 제1 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제1 전압을 약하게 조절하거나 상기 제1 전압을 인가하지 않는 단계
를 포함하는, 댐핑 조절 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 변위는 상기 케이블의 질량, 상기 케이블의 길이, 상기 케이블의 길이방향 거리, 상기 케이블의 횡방향 가속도 및 속도, 상기 케이블을 따라 분포된 하중에 기초하여 결정되는, 댐핑 조절 방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 모니터링하는 단계는,
상기 댐핑 조절 장치의 센서부로부터 상기 가속도 데이터를 수신하는 단계;
상기 가속도 데이터에 의해 계산되는 상기 케이블의 예측 변위에 따라 복제 댐핑부를 제어하기 위한 제2 제어력을 계산하고, 상기 제2 제어력에 기초하여 상기 복제 댐핑부에 가하는 제2 전압을 조절하는 단계;
상기 제2 전압에 의해 자기장이 형성되어 자기장에 따라 상기 복제 댐핑부의 댐핑 강도를 변화하는 단계; 및
상기 케이블에 연관되는 데이터를 표시하는 단계
를 포함하는, 댐핑 조절 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 제2 전압을 조절하는 단계는,
칼만 필터를 이용하여 상기 케이블의 예측 변위를 계산하는 단계;
LQG 기반으로 상기 케이블의 예측 변위에 대응하는 상기 제2 제어력을 계산하는 단계; 및
클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계
를 포함하는, 댐핑 조절 방법.
- 제11항에 있어서,
클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계는,
상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 강하게 조절하는 단계; 또는
상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 약하게 조절하는 단계
를 포함하는, 댐핑 조절 방법.
- 제11항에 있어서,
클립트 옵티멀 제어 알고리즘을 이용하여 상기 제2 전압을 조절하는 단계는,
상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 큰 경우에 상기 제2 전압을 인가하는 단계; 또는
상기 제2 제어력이 상기 댐핑력 보다 작은 경우에 상기 제2 전압을 인가하지 않는 단계
를 포함하는, 댐핑 조절 방법.
- 제8항, 제9항, 및 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항의
댐핑 조절 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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| KR1020180097192A KR102196598B1 (ko) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | 댐핑 조절 시스템 및 그 운영 방법 |
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| KR1020180097192A KR102196598B1 (ko) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | 댐핑 조절 시스템 및 그 운영 방법 |
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Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
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