KR102353783B1 - 가변 시스템 파라미터들의 실시간 보상을 갖는 시험 시스템 - Google Patents

가변 시스템 파라미터들의 실시간 보상을 갖는 시험 시스템 Download PDF

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Abstract

시편을 시험하기 위한 시험 시스템은 (a) 원하는 하중의 시간 이력을 시편에 가하기 위한 일련의 액추에이터들, (b) 각각의 액추에이터에 연결되는 구동 유닛, (c) 파워 생성 요소들(전류/공압/유압) 및 (d) 구동 유닛들에 연결되는 컨트롤러를 포함하며, 컨트롤러는 시편의 출력으로부터 수신되는 피드백 및 피드백과 입력 명령으로부터 유도되는 에러에 기초하여 구동 유닛에 대한 구동 신호를 생성한다. 컨트롤러는 시험 시스템 및 시편의 비선형 응답으로 인해 도입되는 가변 시스템 파라미터들을 보상함으로써 구동 신호를 생성하며, 컨트롤러는 (i) 시편으로부터 수신되는 피드백 이외의 추가적인 측정 변수 및 (ii) 시험 시스템 및 시편의 수치 모델을 요구하지 않는다.

Description

가변 시스템 파라미터들의 실시간 보상을 갖는 시험 시스템
본 발명은 시험 시스템 및 시편을 시험하기 위한 시험 시스템을 제어하는 방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 시험 시스템 및 시편의 비선형 응답으로 인해 도입되는 가변 시스템 파라미터들의 실시간 보상을 설명하는 시험 시스템의 컨트롤러에 관한 것이다.
서보 제어 프로세스들은 전형적으로 원하는 (명령) 판독과 제어되는 공정 파라미터의 실제 (피드백) 판독 사이의 차이로서 주어지는 에러의 제거를 위해 서보 출력
Figure 112019010031896-pct00001
을 서보-드라이브에 공급하는 서보 루프 상의 비례
Figure 112019010031896-pct00002
, 적분
Figure 112019010031896-pct00003
및 미분
Figure 112019010031896-pct00004
이득들을 포함하는 잘 알려진 PID 방식(scheme)에 의해 구동된다. 선형 시스템들은 전형적으로 주어진 서보 출력의 함수로서 피드백(
Figure 112019010031896-pct00005
,
Figure 112019010031896-pct00006
)에서 일정한 변화율을 나타내는 것들이다. 이 경우, 시스템은 일련의 PID 이득들로 최상의 성능을 위해 최적으로 튜닝될 수 있다. 그러나, 이것은 시스템이 비선형 또는 불안정한 응답을 나타내는 경우, 즉,
Figure 112019010031896-pct00007
가
Figure 112019010031896-pct00008
의 주어진 값에 대해 고유하지 않을 수 있는 경우 적합하지 않을 것이다. 이것은 정적 또는 주기적 로딩(loading)을 조건으로 시험 쿠폰 상에 하중을 가하도록 설계되는 서보 제어 기계 시험 시스템들의 경우일 수 있다. 그러한 시스템들에서, 소위 강성 보정(stiffness correction)은 비선형 응답을 설명하기 위해 도입된다. 그것은 시편에 의해 그리고 시간의 함수로서
Figure 112019010031896-pct00009
에 비례하여 그것을 증가 또는 감소시킴으로써 전체 PID 출력을 연속적으로 보정하기 위해 경험되는 변위
Figure 112019010031896-pct00010
(액추에이터 위치) 및 하중
Figure 112019010031896-pct00011
의 측정에 의존한다.
범위가 단순한 시험 쿠폰들에서 복잡한 구조 또는 서브-구조까지 이르는 시편들의 기계 시험에 사용되는 서보 제어 시험 시스템들은 정적 및 동적 하중들 둘 다의 적용뿐만 아니라 단일 또는 다수의 독립 작용 액추에이터들의 사용을 요구한다. 그러한 조건들은 관성, 소산 또는 복원력들로 인하여 순시 시스템 응답의 심각한 왜곡들을 유도할 수 있다. 그러한 응답은 시편 강성의 변화: 하중 제어의 다중 채널 구조 시험에서 종종 직면되는 문제를 설명하기 위해 PID 이득들의 보정 후에도 적용된 로딩의 비율들(rates)을 제한할 수 있다. 시편 상에 원하는 하중들의 정확한 적용은 광범위한 하중 레벨들 및 주파수들에 걸쳐, 수개의 이유들로 인해 어렵게 될 수 있으며, 몇 개의 예를 들자면:
(Rl) 시편은 기하학적 및 재료 비선형성들을 초래하는 기하학적 치수들 및 재료 특성들의 변화들을 겪는 것;
(R2) 언더로딩들(underloadings)을 초래하는 제어 요소들 중에서의 에너지의 소산;
(R3) 오버로딩(overloading) 또는 제어 불안정을 초래하는 시스템에 에너지를 추가하는 액추에이터-구조 상호작용이다.
이러한 시나리오에서, 제어 요소들이 원하는 하중들을 정확하게 부여할 수 있도록, 시편뿐만 아니라 시험 시스템의 역학들을 설명하는 것이 중요하다.
상용, 기성품의 이용 가능한 재료 또는 구조적 동적 시험 시스템들의 대부분은 비례-적분-미분(PID) 제어 알고리즘에 기초한 제어 시스템들을 갖는다. 이들 제어 시스템들의 성공은 이들 시스템들이 상기 언급된 Rl, R2 및 R3를 고려하지 않기 때문에 시편의 선형 거동(linear behavior)에 합치하는 작은 범위의 하중 레벨들 및 주파수들에 제한된다. 도 1에 예시되는 새로운 시스템들의 분류는 재료 또는 구조의 변화 속성들을 고려하기 위해 추가적인 강성 보정 파라미터를 갖는 수정된 비례-적분-미분(PID) 제어 방법을 사용함으로써 Rl을 설명하였다. 도 1에 예시되는 다양한 변수들은 다음과 같다:
Figure 112019010031896-pct00012
명령;
Figure 112019010031896-pct00013
피드백;
Figure 112019010031896-pct00014
에러;
Figure 112019010031896-pct00015
컨트롤러 출력;
Figure 112019010031896-pct00016
서보 드라이브 출력;
Figure 112019010031896-pct00017
액추에이터에 의해 부여되는 힘;
Figure 112019010031896-pct00018
시편에 의해 경험되는 힘.
이러한 시스템(100)에서, 추가적인 파라미터, 동적 강성은 유연성(flexibility): 피드백의 변화에 대한 변위의 변화의 비율의 관점에서 측정된다. 이것은 또한 시스템(100)이 하중 제어시 변위를 측정할 것을 요구한다. PID 컨트롤러의 출력에 이러한 비율(유연성)을 곱한 것은 시험 동안에, 시편의 다양한 강성을 고려한다. 시험 동안에 시편이 매우 강성이 되면 변위의 작은 변화에 대응하는 하중 피드백의 변화는 매우 높을 것이고 따라서 서보 출력을 구동하는 제어 이득들은 감소될 필요가 있다. 강건한 시편에 대해 언급된 유연성, 강성의 역수가 낮기 때문에 그것과 서버 출력의 곱셈은 액추에이터 응답을 적절하게 조정하여 순시 시편 강성을 적합하게 할 것이다. 유사하게, 시편이 매우 유연한(flexible) 경우 즉, 하중의 작은 변화에 대응하는 변위의 변화가 큰 경우, 서보 출력을 제어하는 제어 이득들은 증가될 필요가 있다. 따라서, 측정된 유연성, 서보 출력과 그것의 곱셈은 액추에이터 이동에 대한 증가된 요구를 고려한다. 이것은 다양한 강성을 갖는 시편의 동적 시험 동안의 시험 시스템(100)의 적응 제어가 달성되는 방법이고 도 1에 도시된다. 유효 측정 유연성은 변위 및 힘 둘 다의 측정된 피드백들에 의존하므로, 그것은 서보 구동의 유형에 따라, 적어도 10-100 밀리초의 지연(lag)을 가질 것이다. 이것은 적응 제어에서 달성될 수 있는 최대 주파수를 제한할 것이고 또한 적응 제어의 유효성은 미분(derivative)을 계산하는 과정에서 엄청나게 확대되는 스트로크 변위 신호의 불가피한 잡음에 의해 감소된다. 다중 채널 구조 시험(예를 들어, 하중 제어에서 동작하는 수개의 액추에이터들을 필요로하는 항공기 구조 시험)의 경우, 추가적인 응답(변위) 측정 채널의 비용은, 강성 보정 파라미터로 동작 주파수를 증가시키기 위해, 추가적인 센서들, 신호-컨디셔너들 및 고성능 데이터 수집 시스템들의 요구들로 인하여 허용할 수 없을 정도로 높을 수 있다.
도 2는 전체 시험 시스템 및 시편의 근사 모델을 포함함으로써 심지어 R2 및 R3를 설명하는 모델 참조 기반 제어 방법을 포함하는 다른 전형적인 시험 시스템(200)을 예시한다. 도 2에 언급되는 다양한 파라미터는 다음과 같다:
Figure 112019010031896-pct00019
명령;
Figure 112019010031896-pct00020
피드백;
Figure 112019010031896-pct00021
에러;
Figure 112019010031896-pct00022
컨트롤러 출력;
Figure 112019010031896-pct00023
서보 구동 출력;
Figure 112019010031896-pct00024
액추에이터에 의해 생성되는 힘;
Figure 112019010031896-pct00025
시편에 의해 경험되는 힘;
Figure 112019010031896-pct00026
모델의 응답;
Figure 112019010031896-pct00027
에러. 이러한 시스템(200)에서, 주어진 자극들(excitations)은 참조 모델 및 실제 시스템 둘 다에 가해지고 그 다음 수치 모델의 추정된 응답들과 실제 시스템의 측정된 응답들의 비교에 기초하여, 수치 모델의 시스템 파라미터들이 갱신된다. 이제, 이러한 참조 모델은 시스템의 응답을 예측하고 또한 도 2에 도시된 바와 같은 컨트롤러의 파라미터들을 수정시에 사용된다. 그러나, 이러한 참조 모델 기반 제어 알고리즘의 구현은 매우 정교한 계산 프로세서들을 요구하고 또한 그것의 성공은 갱신된 모델 파라미터들 및 그들의 정확한 모델링의 수렴 속도에 의존한다. 더욱이, 시스템의 복잡한 수치 모델을 갖는 그러한 제어 알고리즘들은 서보-응답에서 10-100 ms의 대기 시간(latency)을 고려해 볼 때 Rl, R2 및 R3를 설명하기 위해 필수적인 시스템의 고성능 실시간 제어에 대해 실행 가능하지 않다. 따라서, 도 1 및 도 2에서 예시되는 바와 같은 기존 제어 알고리즘들은 본질적으로 "사후(hindsight)" 제어 시스템들이다.
따라서, 그러한 기술 분야에서 위의 상기 문제들 중 하나 이상에 대한 해결책을 제공하기 위한 필요성이 존재한다. 본 발명은 고유하고 경제적입 방식으로 위에 언급된 문제들을 처리하는 잠재성을 갖는 것으로 판명된다.
본 발명의 목적은 위에 언급된 단점들을 본질적으로 극복하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 실시예의 주요 목적은 시편의 실시간 강성 보정을 설명함으로써 시편을 시험하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예는 연속적 예측 시스템 응답 계산을 기반으로 한다. 이것은 '사후' 시스템 응답을 기반으로 하는 종래 기술의 방법들과 대조적이다. 따라서, 본 실시예는 시스템이 현재 서보 출력에 어떻게 반응하고 PID 이득들을 적절하게 갱신하는지에 대한 연속적인 평가를 수반한다. 이것은 명령 신호에 응답하는 높은 충실도(fidelity)뿐만 아니라 명령과 피드백 사이의 위상 지연의, 제로 경향이 있는 상당한 감소를 보장하는 것으로 보여진다. 본 실시예는 종래 기술의 방법들에서 요구되는 바와 달리 추가적인 측정 변수들 및/또는 시스템의 수치 모델에 의존하지 않고 PID 제어 시스템의 기본 측정 값들만을 사용한다.
본 실시예는 시스템 응답(강성)을 예측하는 방법을 수반하며, 이는 광범위한 하중 레벨들 및 주파수들에 걸쳐 시스템 및 시편 파라미터들을 변화시키고, 높은 충실도가 원하는 입력 하중들을 시스템에 가할시 유지되도록 제어 요소들에 대한 수정된 입력을 추정하는 것을 설명할 것이다. 본 실시예는 스트레인 또는 액추에이터 스트로크 피드백으로부터 순시 시스템 강성을 평가하기 위한 필요성을 배제한다. 사실, 그것은 서보 제어될 필요가 있는 피드백 이외의 임의의 피드백을 필요로하지 않는다. 본 실시예는 '사후' 시스템 응답 평가보다는 예측을 수반하고 따라서 실질적으로 서보 응답에서의 대기 시간을 제거한다. 게다가, 본 실시예는 현재의 제어 피드백 이외의 임의의 피드백 측정을 필요로하지 않는다. 특별히, 스트로크 또는 변형/스트레인 피드백은 하중 제어의 품질에 관계없이 렌더링된다. 본 실시예는 개별 채널들 상의 현재 피드백 및 명령 이외의 파라미터들이 그러한 채널에 대한 제어 알고리즘을 구동하도록 요구되지 않기 때문에, 단일 채널로부터 다중 채널 제어 시스템들로 변경없이 용이하게 확장가능하다.
본 실시예는 PID 이득의 연속 보정을 기반으로 하지만,
Figure 112019010031896-pct00028
를 추정하는 것에 의지하지 않는다. 이러한 실시예가 동작하기 위해 요구되는 유일한 측정은 힘, 변형(Strain), 또는 위치일 수 있는, 현재의 피드백 판독이다. 요구되는 PID 이득 보정은 '룩 어헤드(look ahead)' 기능으로 "예측(predictive)" 기반 상에서 수행되며, 그것에 의해 종래의 수단을 사용하여 가능한 것보다 향상된 서보 제어 품질을 허용한다.
본 발명의 이점들 및 특징들은 비제한 예들로서만 주어지는 첨부 도면을 언급하는 이하의 설명으로부터 더욱 분명하게 명백하게 될 것이고 여기서:
도 1은 가변 시편 강성을 설명하는 전형적인 시험 시스템의 제어 방식의 블록도를 예시하고;
도 2는 가변 시스템 파라미터들을 설명하는 다른 전형적인 시험 시스템의 제어 방식의 블록도를 예시하고;
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 시험 시스템의 제어 방식의 블록도를 예시하고;
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 도 3의 구동 신호를 생성하기 위한 흐름도이고;
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 서보 유압식 시험 시스템을 예시하고;
도 6a 내지 도 6c는 표 3에 열거되는 제어 방식들을 사용하여, 외란의 부재시 슬로우 사이클 하중 제어를 위한 시간에 대한 상단 액추에이터 변위 및 하중의 시간 이력들을 예시하고;
도 7은 하단 액추에이터 변위의 시간 이력을 외란 하중 케이스, SED1(표 4)으로서 예시하고;
도 8a 내지 도 8c는 표 3에 열거되는 제어 방식들을 사용하여, 도 6에 도시된 바와 같은 제1 외란, SEDl의 존재시 슬로우 사이클 하중 제어에 대한 상단 액추에이터 변위 및 하중의 시간 이력들을 도시하고;
도 9a 내지 도 9c는 표 3에 열거되는 제어 방식들을 사용하여 외란의 부재시, 제1 동적 하중 케이스, DYl에 대한 상단 액추에이터 변위 및 하중의 시간 이력들을 예시하고;
도 10은 하단 액추에이터 변위의 시간 이력을 로딩 케이스의 외란, DED1(표 6)으로서 예시하고;
도 11a 내지 도 11c는 표 3에 열거되는 제어 방식들을 사용하여, 로딩 케이스 DED1에 대한 상단 액추에이터 변위 및 하중의 시간 이력들을 예시하고;
도 11d 내지 도 11f는 각각 도 11a 내지 도 11c의 클로즈업을 도시하고;
도 12는 항공기 날개형 사다리 구조 상의 하중들의 시뮬레이션을 설명하기 위해 구현되는 시험 리그를 도시하며, 여기서, 캔틸레버 날개 구조 상의 분산 하중은 다수의 액추에이터들을 사용하여 동시에 적용 및 제어되고;
도 13은 도 12에 예시된 바와 같은 날개 구조 상에 모든 액추에이터들에 의해 동시에 적용되는 분산 하중들의 측정을 도시한다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 이하 본원에서 설명될 것이다. 시스템 파라미터들을 고려함으로써 시편을 시험하기 위한 시스템 및 방법이 본원에서 설명된다.
이하의 설명은 단지 본 발명의 예시적 실시예이고, 본 발명의 범위, 적용성 또는 구성을 제한하지 않는다. 오히려, 이하의 설명은 본 발명의 다양한 실시예들을 구현하기 위한 편리한 예시를 제공하도록 의도된다. 추후 명백해질 바와 같이, 다양한 변경들은 본원에서 진술된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것 없이 이들 실시예들에서 설명되는 구조적/동작적 특징들의 기능 및 배열에서 이루어질 수 있다. 본원에서의 설명은 상이한 형상의, 구성요소들 등을 갖고 본 발명의 범위에 여전히 속하는 대안적으로 구성된 디바이스들과 함께 이용되도록 적응될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 본원에서의 상세한 설명은 제한이 아닌 예시만을 위해 제공된다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 시편(302)을 시험하기 위한 시험 시스템(300)의 블록도를 예시한다. 시험 시스템(300)은 합산 접합부(summing junction)(304), 컨트롤러(306), 구동 유닛(308) 및 액추에이터(310)를 포함한다. 합산 접합부는 입력 명령
Figure 112019010031896-pct00029
및 시편(302)으로부터의 피드백
Figure 112019010031896-pct00030
를 수신하고 에러
Figure 112019010031896-pct00031
를 계산한다. 에러
Figure 112019010031896-pct00032
는 컨트롤러(306)에 공급되고 컨트롤러(306)는 구동 유닛(308)에 공급되는 구동 신호
Figure 112019010031896-pct00033
를 생성한다(예시 및 설명 목적을 위해, 구동 유닛은 전기 서보 드라이브 또는 유압 서보 밸브 또는 액추에이터를 구동시키는 임의의 것일 수 있는 서보 드라이브로서 고려된다. 그러나, 여기서 제안되는 본 방법은 시편을 시험하기 위한 구동 유닛을 구동시키기 위한 임의의 시험 시스템에서 구현될 수 있다). 구동 유닛(308)은 힘
Figure 112019010031896-pct00034
를 시편(302)에 부여하는 액추에이터(310)에 구동 출력
Figure 112019010031896-pct00035
를 방출한다. 시편(302)은 측정되고 피드백으로서 컨트롤러(306) 및 합산 접합부(302)에 다시 공급되는 힘
Figure 112019010031896-pct00036
를 경험한다. 컨트롤러(306)는 하기를 수반하는 제어 방법에 기초하여 구동 신호
Figure 112019010031896-pct00037
를 생성한다: (i) 비례; (ii) 적분; (iii) 피드백 미분; (iv) 피드-포워드; 및 (v) 디더(dither) 성분들. 표 1은 이들 성분들 및 이들 기본 성분들로부터 유도되는 성분들 각각의 아날로그 및 디지털 형태를 제공한다. 도 4는 본원의 일 실시예에 따른 도 3의 구동 신호를 생성하기 위한 흐름도이다.
Figure 112019010031896-pct00038
Figure 112019010031896-pct00039
: 강성 보정된 PIDF 서보 출력 즉 비례, 적분, 미분 및 피드-포워드 성분들 각각을 수반하는
Figure 112019010031896-pct00040
;
Figure 112019010031896-pct00041
: 명백한 유연성;
Figure 112019010031896-pct00042
:미분 시간 상수;
Figure 112019010031896-pct00043
:서보 출력의 감쇠 성분;
Figure 112019010031896-pct00044
:정적 널(null) 성분;
Figure 112019010031896-pct00045
:디더(dither) 성분.
Figure 112019010031896-pct00046
주석: 이득 상수들의 값들은 샘플 선형 시편의 기본 수동 튜닝으로부터 획득된다.
표 1에서, 피드-포워드 성분은 제어 방식(본 발명)의 완성을 위해 표현되고 그렇지 않으면 그것은
Figure 112019010031896-pct00047
을 설정함으로써 제로로 유지된다. 표 2는 표 1 및 도 3에 사용되는 변수들의 정의를 전달한다. 종래의 PID 방식의 구현은 전형적으로 4개의 성분 식 1-4를 포함한다. 종래 방식들의 피드 포워드 성분은 전형적으로 명령과 피드백 사이의 위상 지연을 감소시키기 위해 사용된다. 이러한 성분은 임의의 예측 방식에 고유한 피드 포워드 경향 때문에 본 발명에 의해 중복 렌더링된다. 그러나, 본 실시예의 설명을 위해, 그것은 제로로 설정되지만, 유지된다. 피드백 차분 및 서보 출력
Figure 112019010031896-pct00048
로부터 계산되는 식 6에서 획득되는, 본 실시예의 파라미터
Figure 112019010031896-pct00049
. 파라미터
Figure 112019010031896-pct00050
는 예측 시스템 응답 성분을 가산하고 예측 시스템 응답 상의 이득 계수에 의해 조정됨으로써, 표 1의 식 7에 표시된 바와 같은, 컨트롤러(306)의 출력:
Figure 112019010031896-pct00051
를 수정한다. 표 1의 식 6의 예측(look ahead)의 특성은 피드백 측정 및 서보 출력 계산과 연관되는 대기 시간들을 제외하고, 서보-구동 응답, 액추에이터 응답 및 시스템 기계 응답의 대기 시간의 합으로서 주어지는 시간 프레임으로 확장된다. 이것은 표 1의 식 5에 의해 계산되는 서보-출력 성분의 결과들이 명시된 대기 시간들의 합계 직후에만 효과적으로 보일 것이기 때문이다. 따라서, 이러한 성분 및 최신 측정 차분 피드백의 2개의 가변 함수로서 계산되는 시스템 응답은 그것이 순시 시스템 강성을 설명할 뿐만 아니라, 비선형성, 히스테리시스, 서보-유압들의 오일 압축성 등과 연관되는 서보-드라이브 자체의 응답의 잠재적인 변화들을 설명할 수 있기 때문에 본질적으로 예측적이다. 식 7에 이득 보정으로서 도입될 때 식 6에 의해 주어지는 예측 시스템 응답 파라미터는 시스템 응답에서 예상된 변화들을 설명하는 방식으로 시스템의 서보-응답을 효과적으로 보정한다. 그 다음, 이러한 출력은 표 1의 식 8에 도시된 바와 같은 부등 섹션 및 단일 종단 서보 유압식 액추에이터들의 경우에서와 같이 서보-액추에이터 응답의 잠재적인 바이어스에 대해 보정되고, 표 1의 식 9에서와 같은 사전 설정되고 사용자 정의된 시스템 이득 상수에 의해 감쇠되고 서보-널(servo-null) 및 디더 성분들[표 1의 식 10]과 합산되어 최종적으로 구동 유닛(308)에 입력으로서 공급된다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 서보 유압식 시험 시스템을 예시한다. 시험 시스템(500)은 2개의 동축 액추에이터들 즉 상단 액추에이터(504) 및 하단 액추에이터(506)를 갖는다. 상단 액추에이터(504)는 힘 및 변위 센서들(512) 둘 다를 갖추고 있다. 상단 액추에이터(504)는 하단 액추에이터(506)에 대해 지지되는 시편(502)에 대한 하중 제어를 유효하게 하도록 수행된다. 하단 액추에이터(506)는 시스템 강성의 부호에서 극단적인 변화의 경우를 포함하는, 상단 액추에이터(504)에 의해 감지되는 바와 같은 무작위 가변 시스템 강성을 시뮬레이션하기 위해 스트로크 제어 하에서 독립적으로 동작한다. 압축 플레이트들(508 및 510)은 액추에이터들(504 및 406)에 각각 고정된다. 샘플 시편(502)(도에서 압축 스프링으로 도시됨)은 이들 압축 플레이트들(508 및 510) 사이에 위치된다. 상단 액추에이터(504)는 시편(502) 상에 제어된 원하는 하중들을 가하도록 취해진다. 하단 액추에이터(506)는 변위들에 관하여 외란을 생성하도록 취해진다. 상단 액추에이터는, (표 3에 열거된) 다양한 제어 방식들 하에서, 그것에 의해 하단 액추에이터로부터의 주기 또는 무작위 변위 교란의 존재시 원하는 정적 또는 동적 하중들을 제어하는 그것의 능력에 대해 시험되며, 본 실시예와의 제어 방식이 종래 기술보다 우수하다는 것을 보여주기 위해 비교된다(표 3 참조). 아래에 설명되는 모든 경우들에서, 피드-포워드 성분은 예측 시스템 응답 방식을 이용할 때 제로로 설정되었다는 점을 주목한다.
본 실시예의 유효성은, 하단 액추에이터(506)에 의해 도입되는 동적 변위 교란들의 부재시 및 또한 그 존재시 상단 액추에이터(504)에 의한 준-정적(quasi-static) 하중을 제어시, 연구되었다. 도 6 내지 도 11 및 그것의 대응하는 설명에서 아래에 제공되는 기록들은 원하는 하중 파형을 재생시 역전들 동안에 스틱-슬립(stick-slip) 및 마찰의 영향들을 극복하는 본 실시예의 능력을 예시한다.
도 6a 내지 도 6c는 표 3에 열거되는 제어 방식들을 사용하여, 외란의 부재시 슬로우 사이클 하중 제어에 대한 상단 액추에이터 변위 및 하중의 시간 이력들을 갖는 그래프를 예시한다.
제어 방식 설명
방식-1 PID 제어만
방식-2 강성 보정을 갖는 PID 제어
방식-3 예측 시스템 강성 보정을 갖는 PID 제어
도 6a 내지 도 6c는 각각 제어 방식-1(도 6a), 방식-2(도 6b) 및 방식-3(도 6c)을 갖는 상단 액추에이터(504)에 의한 등속의 슬로우 사이클 하중들(평균 -2.0kN, 진폭 0.5 kN 및 주파수 0.25 Hz)의 제어를 도시한다. 이들 도 6a(a), 도 6b(a) 및 도 6c(a)에서, 파선(---) 및 점선(...)을 갖는 플롯들(plots)은 각각 로딩 명령 및 하중 피드백을 나타내고 도 6a(b), 도 6b(b) 및 도 6c(b)는 상단 액추에이터(504)의 변위 피드백을 나타낸다는 점이 주목될 수 있다. 역전들 동안에 도 6a(a)에서 주목되는 제어 문제들은 도 6b(a)에서 감소하고, 더욱이 도 6c(a)에서 높은 충실도 명령 파형 추적과 함께 더 양호한 위상 제어를 볼 수 있다는 것을 알 수 있다.
교란의 존재시 정적 로딩
이 섹션에서, 여기서, 시편(502) 상에 하단 액추에이터(506)에 의해 가해지는 다양한 동적 교란들의 존재시 상단 액추에이터(504)에 의해 시편(502) 상에 원하는 하중들을 가하기 위한, 표 3에 열거된, 제어 방식들의 성능을 나타낸다. 표 4는 교란 하중 케이스의 파라미터들(상단 액추에이터(504)가 평균 -2.0kN, 진폭 0.5 kN 및 주파수 0.25 Hz를 갖는 등속의 슬로우 사이클 하중을 가하도록 요구되는 동안에 하단 액추에이터에 의해 가해지는 SED 1)을 나타낸다. 각각의 시험 케이스의 결과들은 일련의 2개의 그래프들에서 요약된다(예를 들어, 도 7은 하단 액추에이터(506)에 의해 가해지는 외란 SED 1의 시간 이력을 언급하고 도 8a 내지 도 8c는 각각 외란 SED 1의 존재시 원하는 정적 주기 하중을 제어할 때 상단 액추에이터(504) 상의 제어 방식-1(도 8a), 방식-2(도 8b), 및 방식-3(도 8c)의 성능을 도시한다). 여기서 또한, 파선 및 점선을 갖는 도 8a(a), 도 8b(a) 및 도 8c(a)의 플롯들은 각각 로딩 명령 및 하중 피드백을 나타내고 도 8a(b), 도 8b(b) 및 도 8c(b)는 상단 액추에이터(504)의 변위 피드백을 나타낸다. 제안된 실시예의 유효성은, 다양한 동적 교란들의 존재시 원하는 정적 하중들을 가할때, 종래 기술보다 우수한 것으로 보인다. 아래에 도시된 표 4는 하단 액추에이터 상에 부여되는 교란 하중 케이스를 제공한다.

하단 액추에이터로부터의 교란 		설명
평균
(mm)
 진폭
(mm)		 주파수
(Hz)
SED 1 10.0 1.0 2.0
동적 로딩
여기서, 이 섹션에서, 제안된 제어 방식의 유효성의 입증은, 본질적으로 동적인 외란들의 부재시 및 또한 존재시 시편(502) 상의 상단 액추에이터(504)에 의한 동적 사이클 하중들을 제어시, 고려된다. 여기서, 본 목적은 시편의 기하학적 및 재료 특성들이 외란들로 인하여 변하는 경우에도 높은 충실도로 원하는 하중을 제어시 관성 및 소산(dissipation)으로 인한 하중들의 영향들을 극복하기 위한 본 실시예의 유효성을 나타내는 것이다.
교란 부재시의 동적 로딩
여기서 다시, 이 섹션에서, 제어 방식들(1-3)의 성능은 외란의 부재에서 동적 주기 하중을 제어시 연구된다. 플롯들 및 그들의 구별의 상세들은 동일하게 잔존한다. 아래 표 5는 제어 방식들(1-3)의 유효성이 연구되는 동적 하중 케이스(DY 1)를 나타낸다. 도 9a 내지 도 9c는 각각 주파수 3.0 Hz를 갖는 동적 하중 케이스(DY 1)에 대한 제어 방식들(1-3)로부터 획득되는 결과들에 대응한다. 1-25 Hz의 범위에 걸쳐 동적 하중들을 제어시, 제어 방식-3을 갖는 본 발명은 또한 다른 2개의 제어 방식들에 비해 장점이 있다.
표 5. 외란들의 부재시 상단 액추에이터 상에 부여되는 동적 하중 케이스들.

동적
하중 케이스 		설명
평균
(kN)
 진폭
(kN)		 주파수
(Hz)
DY 1 -2.0 0.5 3.0
교란의 존재시 동적 로딩
이 섹션에서, (하단 액추에이터(506)에 의한) 교란 하중들의 존재시 시편(502) 상의 (상단 액추에이터(504)에 의한) 원하는 하중들을 제어시 제어 방법들(1-3)의 성능이 비교된다. 하중 케이스(DED 1)는 (아래에 도시된 바와 같이) 표 6에 요약된다. 이러한 하중 케이스에 대응하는 결과들은 일련의 2개의 도면들에서 디스플레이된다. 예를 들어, 하중 케이스(DED 1)에 대해, 제1 도면(도 10)은 하단 액추에이터(506)로부터의 교란의 시간 이력에 대응하고 나머지 3개의 도면들(도 11a 내지 도 11c)은 각각 제어 방법들(1-3)에 의해 제어되는 원하는 하중들의 시간 이력들에 대응한다. 도 11d 내지 도 11f는 도 11a 내지 도 11c의 윈도우들의 줌에 대응한다. 동적 조건들 하에서, 원하는 하중 제어 파형을 렌더링하는 충실도 뿐만 아니라 제어의 품질이 본 발명의 사용으로부터 이익을 얻는 것으로 이들 도면들로부터 결론을 내릴 수 있다. 아래 표 6은 외란들의 존재시 상단 액추에이터(504) 상에 부여되는 동적 하중 케이스들을 제공한다.
동적
하중 및 교란
케이스 		상단 액추에이터
(제어될 원하는 하중) 		하단 액추에이터
(외란)
진폭
(kN)		 주파수
(Hz)		 진폭
(mm)		 주파수
(Hz)
DED 1 0.25 5.0 0.5-3.5mm 0.01-15.0Hz
연구된 모든 케이스들에서, 실시간 강성 보정은 종래의 PID 제어 방법으로 가능한 것에 비해 실질적인 개선을 제공한다는 것이 분명하다. 게다가, 본 실시예는 실시간 강성 보정에 비해 서보 제어에서 한계를 제공하지만, 현저한 개선을 제공한다는 것이 분명하다. 그러나, 이것은 액추에이터 스트로크 피드백의 연관된 요건과 함께 실시간 강성 계산들에 대한 필요없이 달성된다. 이것은 시스템 응답을 계산하고 예측 방식으로 그렇게 행할시 서보 출력 계산들로부터의 성분의 사용의 중요성을 강조한다.
동적 하중들에 대한 비행기 날개 시험
도 12는 제안된 제어 방식이 항공기 날개형 사다리 구조 상의 하중들의 시뮬레이션을 입증하기 위해 구현되는 시험 리그(rig)를 도시하며, 여기서 캔틸레버 날개 구조 상의 분산 하중은 다수의 액추에이터들을 사용하여 동시에 적용 및 제어된다. 시험 리그는 액추에이터들(1-8), T-슬롯 베드(9), 날개 구조가 견고하게 연결되는 지지 컬럼들(10) 및 종방향으로 3개의 I-섹션 빔들 및 횡방향으로 9개의 C-섹션 빔들로 되어 있는 날개 구조(11)를 포함한다. 도 13은 제어된 방식으로 분산 하중들의 동시 적용에 의한 날개 구조 상의 원하는 하중들의 시뮬레이션에서 제안된 제어 방식의 유효성을 도시한다. 적용된 분산 하중들의 상세들이 표 7에 표시된다.
액추에이터 번호 최대 하중 (kN) 최소 하중 (kN) 주파수 (Hz)
1 0.10 -0.50 2.0
2 0.15 -0.75 2.0
3 0.20 -1.25 2.0
4 0.45 -1.7 2.0
5 및 6 0.8 -2.25 2.0
7 및 8 1.0 -2.40 2.0
시편을 시험하기 위한 시험 시스템들 및 방법의 본 실시예는 하기를 용이하게 한다:
a. 예상된 시스템 응답을 연속적으로 예측하기 위해 계산된 서보 출력의 주요 성분의 사용.
b. 제어되는 것 이외의 임의의 피드백의 측정을 위해 요구하지 않는 것.
예를 들어, 위치 피드백의 측정은 하중 제어를 위해 요구되지 않는다.
c. 예측 시스템 응답의 계산은 시스템의 임의의 복잡한 수치 모델을 요구하지 않는 것.
d. 서보 제어를 위해 요구되는 모든 계산들은 해당 채널에 제한되는 것.
이것은 하기를 허용한다: (i) 각각의 액추에이터의 변위를 측정하는 것 없는 다중 채널 하중 제어(예를 들어, 비행 하중들에 대한 다중-액추에이터 항공기 날개 시험); 및 (ii) 힘 또는 압력 측정들에 대한 요구가 없는 다중-축 진동 테이블 시험(예를 들어, 강성과 같은 시스템 파라미터를 측정하기 위한 지진 하중들 하에서의 토목 구조물의 시험 ).
e. 예측 시스템 응답 함수가 (제어 피드백 이외의) 임의의 추가 측정 파라미터 또는 그것의 미분을 포함하지 않음에 따라, 그러한 피드백 채널의 신호 잡음에 영향을 받지 않는 서보-제어의 품질을 렌더링하는 것. 이것은 특히 더 높은 시험 주파수들에서 중요하다.
f. 서보 출력 보정이 예측 응답 특성화를 기반으로 함에 따라, 제어와 피드백 사이의 위상 지연은 종래의 PIDF 방식들의 경우와 같이 피드-포워드 방식에 의지하지 않고 제거될 수 있는 것.
g. 예측 시스템 응답 계산이 순시 시스템 강성을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 파라미터들을 설명함에 따라, 방식은 위치 파형 충실도를 향상시키고 위상 지연을 제거함으로써 위치 제어 하에서도 서보-응답을 향상시킬 수 있는 것.
h. 이것은 본질적으로 시스템 응답의 연속 변화들을 설명하고 그것에 의해 수동 튜닝을 중복 렌더링할 수 있는 자동-튜닝 시스템인 것.
i. 예측 시스템 응답 추적을 통한 서보-응답의 대기 시간의 가상 제거는 항공기 구조물들의 실물 크기의 시험의 경우와 같이 다중 채널 서보-제어 시스템들 상의 최대 시험 주파수에서 상당한 증가들을 허용하는 것.
상기 설명은 제한이 아닌 예시적인 것으로 의도된 것이라는 점이 이해되어야 한다. 많은 다른 실시예들은 상기 설명을 판독하고 이해시 당업자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명은 특정의 예시적 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 설명된 실시예들에 제한되지 않지만, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에서 수정 및 변경으로 실시될 수 있다는 점이 인식될 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 그러한 청구항들이 부여되는 균등물의 전체 범위와 함께, 첨부된 청구항들을 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (16)

  1. 시편(specimen)을 시험(test)하기 위한 시험 시스템에 있어서,
    제어된 원하는 하중을 시편에 가하기 위한 액추에이터;
    상기 액추에이터에 연결되는 구동 유닛; 및
    상기 구동 유닛에 연결되는 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 시편으로부터 수신되는 피드백 및 입력 명령(input command)과 상기 피드백 사이에서 유도되는 에러에 기초하여 상기 구동 유닛에 대한 구동 신호를 생성하고;
    상기 컨트롤러는 상기 시험 시스템 및 상기 시편의 비선형 응답으로 인해 도입되는 가변 시스템 파라미터를 보상함으로써 상기 구동 신호를 생성하고,
    상기 컨트롤러는 (i) 상기 시편으로부터 수신되는 상기 피드백 이외의 추가적인 측정 변수 및 (ii) 상기 가변 시스템 파라미터를 보상하기 위한 상기 시험 시스템 및 상기 시편의 수치(numerical) 또는 참조 모델의 필요성을 제거하고,
    상기 액추에이터는,
    상기 제어된 원하는 하중을 상기 시편에 가하기 위한 상단 액추에이터; 및
    상기 시편의 변위를 변화시킴으로써 외란(external disturbance)을 생성하기 위한 하단 액추에이터
    를 포함하는 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상단 액추에이터는 상기 하단 액추에이터에 대해 지지(bear)되는 상기 시편에 대한 하중 제어를 유효하게 하기 위해 수행되는 힘 및 변위 센서 둘 다를 구비하며, 상기 하단 액추에이터는 상기 상단 액추에이터에 의해 인지되는 무작위 가변 시스템 강성을 시뮬레이션하기 위해 스트로크 제어 하에서 독립적으로 작동하는 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상단 액추에이터 및 상기 하단 액추에이터의 자유 단부에 연결되는 압축 플레이트를 더 포함하며, 상기 시편은 상기 압축 플레이트 사이에 배치되는 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 시스템 파라미터는,
    기하학적 치수(geometrical dimensions) 및 재료 특성에서의 변화를 겪는 상기 시편으로 인해 도입되는 제1 파라미터;
    언더로딩(under loadings)을 초래하는 제어 요소 중에서 에너지의 소산으로 인해 유도되는 제2 파라미터; 및
    오버로딩(overloading) 또는 제어 불안정을 초래하는 상기 시험 시스템에 에너지를 부가하는 액추에이터 상호작용의 구조로 인해 유도되는 제3 파라미터
    를 포함하는 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 하기 식에 기초하여 제1 출력을 계산하도록 적응(adapt)되며:
    Figure 112020045957691-pct00112

    여기서
    Figure 112020045957691-pct00113
    는 상기 시험 시스템의 이득이고,
    Figure 112020045957691-pct00114
    는 비례 이득이고,
    Figure 112020045957691-pct00115
    는 적분 이득이고,
    Figure 112020045957691-pct00116
    는 피드백-미분 이득이며,
    Figure 112020045957691-pct00117
    는 피드-포워드 이득(Feed-forward gain)인 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 하기 식을 사용하여 상기 제1 출력에 기초한 예측 시스템 응답 파라미터
    Figure 112020045957691-pct00118
    를 계산하도록 적응되며:
    Figure 112020045957691-pct00119

    여기서,
    Figure 112020045957691-pct00120
    는 미분 시간-상수이고,
    Figure 112020045957691-pct00121
    는 상기 피드백인 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 하기 식에 기초하여 상기 예측 시스템 응답 파라미터를 사용하여 제2 출력
    Figure 112020045957691-pct00122
    를 계산하도록 적응되며:
    Figure 112020045957691-pct00123

    여기서,
    Figure 112020045957691-pct00124
    는 예측 유연성 비율(predictive flexibility ratio)에 대한 이득 계수(Gain factor)인 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 하기 식에 기초하여 상기 구동 신호를 생성하도록 적응되며:
    Figure 112020045957691-pct00125

    여기서
    Figure 112020045957691-pct00126
    는 상기 제2 출력
    Figure 112020045957691-pct00127
    의 감쇠 성분(attenuated component)이고;
    Figure 112020045957691-pct00128
    는 정적 널 성분(static null component)이고;
    Figure 112020045957691-pct00129
    는 디더 성분(dither component)인 것인, 시편을 시험하기 위한 시험 시스템.
  10. 시험 시스템에서의 강성을 고려(account)하는 것에 의한 컨트롤러의 이득의 연속 보정(continuous correction)을 위한 방법에 있어서,
    입력 명령를 수신하는 단계;
    상기 입력 명령 및 시편으로부터 수신되는 피드백에 기초하여 에러를 결정하는 단계;
    상기 시험 시스템의 구동 유닛에 대한 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호를 상기 시험 시스템의 구동 유닛에 공급하는 단계
    를 포함하고,
    상기 구동 신호를 생성하는 단계는,
    상기 에러를 사용함으로써 비례 이득, 적분 이득, 피드백 미분 이득 및 피드-포워드 이득 중 적어도 하나를 계산하는 단계;
    상기 비례 이득, 상기 적분 이득, 상기 피드백 미분 이득 및 상기 피드-포워드 이득 중 적어도 하나에 기초하여 제1 출력을 계산하는 단계;
    상기 제1 출력 및 상기 피드백에 기초하여 예측 시스템 응답 파라미터를 계산하는 단계;
    상기 예측 시스템 응답 파라미터 및 상기 제1 출력에 기초하여 제2 출력을 계산하는 단계;
    처리된 출력을 획득하도록 상기 제2 출력을 처리하는 단계; 및
    상기 적분 이득, 디더 성분 및 상기 처리된 출력에 기초하여 상기 구동 신호를 생성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 방법은
    제어된 원하는 하중을 상기 시편에 가하기 위한 상단 액추에이터를 마련하는 단계; 및
    상기 시편의 변위를 변화시킴으로써 외란을 생성하기 위한 하단 액추에이터를 마련하는 단계를 더 포함하는, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 출력을 처리하는 단계는,
    상기 시험 시스템에서의 액추에이터의 응답으로 인해 생성되는 잠재적 바이어스(potential bias)에 대해 상기 제2 출력을 보정하는 단계; 및
    상기 잠재적 바이어스에 대해 상기 제2 출력을 보정한 후에 시스템 이득 상수에 의해 상기 제2 출력을 감쇠(attenuate)시키는 단계
    를 포함하는 것인, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 예측 시스템 응답 파라미터는 상기 제1 출력 및 상기 피드백의 차분 성분(differential component)에 기초하여 계산되는 것인, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 출력은 하기 식에 기초하여 계산되며:
    Figure 112020045957691-pct00130

    여기서
    Figure 112020045957691-pct00131
    는 상기 시험 시스템의 이득이고,
    Figure 112020045957691-pct00132
    는 비례 이득이고,
    Figure 112020045957691-pct00133
    는 적분 이득이고,
    Figure 112020045957691-pct00134
    는 피드백-미분 이득이며,
    Figure 112020045957691-pct00135
    는 피드-포워드 이득인 것인, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 예측 시스템 응답 파라미터
    Figure 112020045957691-pct00136
    는 하기 식을 사용하여 상기 제1 출력에 기초하여 계산되며:
    Figure 112020045957691-pct00137

    여기서,
    Figure 112020045957691-pct00138
    는 미분 시간 상수이고,
    Figure 112020045957691-pct00139
    는 상기 피드백인 것인, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    제2 출력
    Figure 112020045957691-pct00140
    는 하기 식에 기초하여 상기 예측 시스템 응답 파라미터를 사용하여 계산되며:
    Figure 112020045957691-pct00141

    여기서,
    Figure 112020045957691-pct00142
    는 예측 유연성 비율에 대한 이득 계수인 것인, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구동 신호는 하기 식에 기초하여 생성되며:
    Figure 112020045957691-pct00143

    여기서
    Figure 112020045957691-pct00144
    는 상기 제2 출력
    Figure 112020045957691-pct00145
    의 감쇠 성분이고,
    Figure 112020045957691-pct00146
    는 정적 널 성분이며,
    Figure 112020045957691-pct00147
    는 디더 성분인 것인, 컨트롤러의 이득의 연속 보정을 위한 방법.
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