KR102446972B1 - 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 기술은 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치 및 그 제어 방법이 개시된다. 구체적인 구현 예에 따르면 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값에 스폴 중립값을 반영하여 유량 보정값을 도출하며 도출된 유량 보정값이 상기 유량 목표값에 반영된 유량 제어값으로 서보 밸브가 동작됨에 따라, 유압 목표값, 유압 측정값, 및 스폴 중립값을 반영하여 서보 밸브를 중립 제어하여 서보 밸브의 마찰을 감소할 수 있고, 이에 서보 밸브의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 서브 밸브의 내부 유량으로 동작되는 제어 대상의 응답 속도가 향상되고 정밀 응답이 가능하며 제어 대상의 운전 효율이 향상될 수 있다.

Description

유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치 및 그 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING SURVO VALVE USING FLOW CONTROL}
본 발명은 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기 정해진 유량 목표값, 유량 측정값 및 스폴 중립값을 반영하여 서보 밸브의 내부 유량의 응답 속도를 향상시킬 수 있고, 서보 밸브의 중립 상태를 정밀하게 제어할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
원자력 및 화력발전소 등 에서는 전기 생산을 위한 고온의 스팀 터빈장치가 설치되어 있고 이의 출력제어와 비상정지 등을 위하여 다수의 유량 및 유압관련 계 통들이 설치되어 있다.
따라서 계통들의 핵심 조절장치인 유압밸브의 이상은 발전소 운영과 관련하여 안전과 위험, 또한 재정적 손실에까지 파급효과가 매우 크므로 발전소에서 사용되는 유압밸브의 신뢰성은 중요하다.
이러한 스팀 또는 액체의 압력, 유량, 흐름방향을 제어하는 유압밸브로 기계 식 또는 전기적 신호에 의해 조정되는 서보 밸브가 사용되며, 전기적 신호에 의해 조정되는 서보 밸브는 아날로그식 제어기로 단일 또는 다중 코일에 입력되는 전기신호에 따라 비교적 높은 압력의 공급원인 유량을 상당한 응답 속도로 제어할 수 있는 특성이 있어 유량 및 유압관련 계통의 제어장치로 널리 이용된다.
서보 밸브는 전기신호를 입력받아 유량이나 압력을 제어할 때 수 mA 정도의 미약한 신호가 모터의 코일에 전달되어 모터 변위를 유발하며 모터에 의해 발생되는 기계적 변위에 의거 유량과 유압을 제어한다.
여기서 코일에 전달되는 전기신호의 기준으로 양의(+) 신호와 음의(-) 신호의 변화에 따라 내부의 유량의 양과 방향이 변화된다.
이때 용적효율과 기계효율의 곱으로 표시되는 서보 밸브의 기계효율의 성능은 마찰에 의해 결정되고, 마찰이 크면 클수록 서보 밸브의 마모가 증가되어 유막(oil film)이 파괴되며, 이에 서보 밸브의 용적효율이 저하되어 서보 밸브의 성능이 저하되거나 고장이 발생될 수 있다.
본 발명의 목적은 유압 목표값, 유압 측정값, 및 스폴 중립값을 반영하여 서보 밸브를 제어함에 따라 서보 밸브의 마찰을 감소할 수 있고, 이에 서보 밸브의 내구성을 향상시킬 수 있는 유량 제어용 서보 밸브 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 함에 있다.
이에 본 발명은 서브 밸브의 내부 유량으로 동작되는 제어 대상의 응답 속도를 향상시킬 수 있고 정밀 응답이 가능하며, 이에 제어 대상의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 의거한 일 실시예의 유량 제어용 서보 밸브의 제어장치는,
외부로부터 제공받은 유량 목표값과 유량 측정값의 오차를 보정하여 유량 목표값으로 내부 유량을 제어하는 서보 밸브의 제어장치에 있어서,
상기 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고, 도출된 유량 오차값에 스폴 중립값을 반영하여 유량 보정값을 도출하며, 도출된 유량 보정값을 상기 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하는 제어부를 더 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제어부는,
상기 유량 목표값 및 상기 유량 측정값의 차인 유량 오차값을 도출하는 감산기;
상기 감산기의 유량 오차값에 대해 비례 적분 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행하는 PID 제어기; 및
상기 PID 제어된 유량 보정값과 중립밸브의 스폴 중립값을 가산하여 유량 보정값을 도출하는 가산기를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 제어장치는,
상기 유량 보정값을 상기 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 유량 목표값은
초기 동작 시 최대 유량으로 설정하고,
이 후 내부 유량이 변하지 아니한 중립 상태를 유지하도록 설정할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 실시 양태에 의거한 본 발명의 유량 제어용 서보 밸브 제어 방법은,
초기 구동 시 최대 유압으로 설정된 유량 목표값을 설정하여 서버 밸브를 제어하는 초기 제어단계;
이 후 궤환된 유량 측정값과 외부로부터 공급된 유량 목표값의 차를 토대로 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값에 대해 PID 제어를 수행하는 PID 제어 단계; 및
상기 PID 제어된 유량 오차값과 스폴 중립값을 가산하여 유량 보정값을 출력하는 보정값 도출단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 보정값 도출 단계 이후에
상기 유량 보정값이 반영된 유량 제어값으로 서브 밸브가 제어되어 서브 밸브의 내부 유량이 변하지 아니한 중립 상태로 유지되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값에 스폴 중립값을 반영하여 유량 보정값을 도출하며 도출된 유량 보정값이 상기 유량 목표값에 반영된 유량 제어값으로 서보 밸브가 동작됨에 따라, 유압 목표값, 유압 측정값, 및 스폴 중립값을 반영하여 서보 밸브를 중립 제어하여 서보 밸브의 마찰을 감소할 수 있고, 이에 서보 밸브의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이에 서브 밸브의 내부 유량으로 동작되는 제어 대상의 응답 속도가 향상되고 정밀 응답이 가능하며 제어 대상의 운전 효율이 향상될 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예가 적용되는 서보 밸브의 제어장치의 구성도이다.
도 2는 일 실시예의 제어장치의 세부 구성도이다.
도 3은 일 실시예의 제어장치의 동작 과정을 보인 전체 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성계수들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성계수, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성계수, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
본 명세서에 대한 설명에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 몇 가지 용어들에 대하여 명확하게 하기로 한다.
일 실시예는 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값에 스폴 중립값을 반영하여 유량 보정값을 도출하며 도출된 유량 보정값을 상기 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하고 도출된 유량 제어값으로 서보 밸브가 동작되도록 구비될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 실시 예의 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치 및 그 제어 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예가 적용되는 서보 밸브의 제어장치의 전반적인 구성을 보인 도이고, 도 2는 도 1의 제어장치의 세부 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 서보 밸브의 제어장치(100)는 제어부(110), 출력부(120), 및 입력부(130)을 포함할 수 있다.
제어부(110)는 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값에 스폴 중립값을 반영하여 유량 보정값을 도출하도록 구비될 수 있다.
또한 출력부(120)는 제어부(110)의 유량 보정값을 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하고 도출된 유량 제어값을 서보 밸브(200)로 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
그리고, 입력부(130)는 서보 밸브(200)에 의한 제어 대상(미도시됨)의 유량 측정값을 수신하여 제어부(110)로 전달하며 여기서, 센서를 이용하여 제어 대상의 내부 유량을 측정하여 유량 측정값을 출력하는 일련의 과정은 본 명세서 상에서 구체적으로 설명하지 아니하였으나 당업자 수준에서 이해할 수 있다 할 것이다.
이에 일 실시예는 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고 PID 제어된 유량 오차값에 스폴 중립값을 가산하여 유량 보정값을 도출하며 도출된 유량 보정값을 상기 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하고 도출된 유량 제어값으로 서보 밸브(200)가 동작된다.
도 2를 참조하면 제어부(110)는 감산기(111), PID 제어기(112) 및 가산기(113) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 례로 초기 구동 시 입력부(130)로 전달되는 유량 측정값이 불확실하므로, 상기 유량 목표값은 최대 유량으로 설정될 수 있다. 즉, 유량 목표값은 음의 값으로 제어부(110)에 제공되고, 이에 제어장치(100)의 최대 음의 값에 의거 서보 밸브(200)는 최대 유량이 통과하도록 동작된다.
이 후 입력부(130)를 통해 유량 측정값이 제어부(110)에 입력되면, 제어부(110)의 감산기(111)는 유량 측정값과 외부로부터 공급되는 유량 목표값의 차를 연산하여 유량 오차값을 도출한다. 그리고 도출된 유량 오차값은 PID 제어기(112)로 전달된다.
PID 제어기(112)는 유량 오차값에 대해 비례(Proportional), 적분(integral) 및 미분(Derivative) 제어를 수행하여 유량 오차값에 대해 과도 응답 특성 및 안전성이 향상된 유량 오차값을 도출할 수 있다. PID 제어된 유량 오차값은 가산기(113)으로 전달된다.
가산기(113)은 수신된 유량 오차값과 중립 밸브의 스폴 중립값을 전달받아 가산하여 유량 보정값을 도출하며 도출된 유량 보정값은 출력부(120)로 전달된다. 이에 출력부(120)는 유량 보정값을 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하고 도출된 유량 제어값은 서보 밸브(200)에 전달된다.
이에 최대 유량을 통과하도록 동작되던 서보 밸브(200)는 출력부(130)의 유량 제어부에 의거 내부 유량을 감소하도록 동작한다.
즉, 최대 유량으로 동작 중인 서보 밸브(200)의 내부 유량을 감소하기 위해 외부로부터 공급되는 유량 목표값이 양의 값이면, 외부로부터 공급되는 스폴 중립값을 반영하여 유량 보정값을 도출한다. 이에 서보 밸브(200)는 내부 유량의 흐름이 최소화되는 중립 상태로 진입하게 된다.
여기서, 유량 제어용 서보 밸브(200)의 중립 위치로 설정됨에 따라 내부 유량은 변화되지 않는 중립 상태로 유지된다. 이때 중립 상태는 제어 공학적으로 정상 상태를 의미한다. 중립 밸브의 스폴을 통해 중립 상태로 서보 밸브(200)를 제어하는 스폴 중립값을 생성하는 일련의 과정은 본 명세서 상에서는 구체적으로 명시하지 않지만, 당업자의 수준에서 이해되어야 할 것이다.
이에 일 실시예는 서보 밸브의 초기 운전 및 스폴 중립값이 반영된 서보 밸브의 중립 제어로 인해 서보 밸브의 마찰을 감소할 수 있고, 이에 서보 밸브의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 서브 밸브의 내부 유량으로 동작되는 제어 대상의 응답 속도를 향상시킬 수 있고 정밀 응답이 가능하며, 이에 제어 대상의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 제어장치(100)의 동작 과정을 보인 전체 흐름도로서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 제어용 서보 밸브의 제어 방법은 초기 운전 시 최대 유량으로 서보 밸브(200)를 제어한 다음 내부 유량을 중립 상태로 제어하는 구성을 갖춘다.
우선 단계(S11)에서, 일 실시예의 감산기(111)는 외부로부터 공급되는 유량 목표값과 유량 측정값의 차를 연산하여 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값은 PID 제어기(112)로 전달된다.
단계(S12)에서, 일 실시예의 PID 제어기(112)는 수신된 유량 오차값에 대해 PID 제어를 수행함에 따라, 유량 오차값에 포함된 정상 상태의 오차가 제거되고 과도 응답 및 안정성이 향상된다. 그리고 PID 제어기(112)의 출력된 유량 오차값은 가산기(113)에 전달된다.
단계(S13)에서, 일 실시예의 가산기(113)는 수신된 유량 오차값과 외부로부터 공급되는 스폴 중립값을 가산하여 유량 보정값을 출력하고 유량 보정값은 출력부(120)로 전달된다.
단계(S14)에서, 일 실시예의 출력부(120)는 수신된 유량 보정값을 유량 목표값이 반영하여 유량 제어값을 도출하고 도출된 유량 제어값은 서보 밸브(200)로 전달된다.
이에 유량 측정값이 불확실한 초기 동작 시 서보 밸브(200)는 음의 값의 유량 목표값에 의거 내부 유량이 최대가 되도록 동작하며, 이 후 외부로부터 공급되는 유량 측정값, 양의 값의 유량 목표값 및 스폴 중립값에 의거 내부 유량이 중립 상태가 되도록 동작한다.
즉, 서보 밸브의 초기 운전 및 스폴 중립값이 반영된 서보 밸브의 중립 제어로 인해 서브 밸브의 내부 유량으로 동작되는 제어 대상(미도시됨)의 응답 속도를 향상시킬 수 있고 정밀 응답이 가능하며, 이에 서보 밸브의 내구성을 향상시킬 수 있고, 제어 대상의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 외부로부터 제공받은 유량 목표값과 유량 측정값의 오차를 보정하여 유량 목표값으로 내부 유량을 제어하는 서보 밸브의 제어장치에 있어서,
    최대 음의 값에 의거 서보 밸브의 최대 유량이 통과되도록 설정된 유량 목표값과 유량 측정값을 토대로 유량 오차값을 도출하고, 도출된 유량 오차값에 중립 밸브의 스폴을 통해 중립 상태로 서보 밸브를 제어하는 스폴 중립값을 가산하여 유량 보정값을 도출하며, 도출된 서보 밸브를 중립 상태로 제어하기 위한 유량 보정값을 상기 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 유량 목표값 및 상기 유량 측정값의 차인 유량 오차값을 도출하는 감산기;
    상기 감산기의 유량 오차값에 대해 비례 적분 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행하는 PID 제어기; 및
    상기 PID 제어된 유량 보정값과 중립 밸브의 스폴 중립값을 가산하여 유량 보정값을 도출하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는,
    상기 유량 보정값을 상기 유량 목표값에 반영하여 유량 제어값을 도출하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유량 목표값은
    초기 동작 시 최대 유량으로 설정하고,
    이 후 내부 유량이 변하지 아니한 중립 상태를 유지하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 유량 제어용 서보 밸브의 제어 장치.
  5. 제어장치에 의거 실행되는 유량 제어용 서보 밸브 제어방법에 있어서,
    초기 구동 시 최대 음의 값에 의거 서보 밸브의 최대 유량이 통과되도록 최대 유압으로 설정된 유량 목표값을 설정하여 서보 밸브를 제어하는 초기 제어단계;
    이 후 궤환된 유량 측정값과 외부로부터 공급된 유량 목표값의 차를 토대로 유량 오차값을 도출하고 도출된 유량 오차값에 대해 PID 제어를 수행하는 PID 제어 단계; 및
    상기 PID 제어된 유량 오차값과 중립 밸브의 스폴을 통해 중립 상태로 서보 밸브를 제어하는 스폴 중립값을 가산하여 서보 밸브를 중립 상태로 제어하기 위한 유량 보정값을 출력하는 보정값 도출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어용 서보 밸브의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보정값 도출 단계 이후에
    상기 유량 보정값이 반영된 유량 제어값으로 서브 밸브가 제어되어 서브 밸브의 내부 유량이 변하지 아니한 중립 상태로 유지되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어용 서보 밸브의 제어 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 유량 제어용 서보 밸브의 제어 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되고 제어장치에 의해 실행 가능한 저장매체.
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