KR20010022866A - 차량 제어 시스템의 위상 보정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터-구동 차량의 제어 시스템의 위상 보정을 실행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 여기서, 제어 시스템에 포함된 회로(1)로부터의 출력 신호(y)에 대한 시간 도함수는, 회로(1)에의 입력 신호(u)에 대한 시간 도함수가 정해진 값을 초과할 경우, 입력 신호(u)에 대한 시간 도함수에 대해 상대적으로 제한된다. 출력 신호(y)와 회로(1) 내에 존재하는 신호(x) 사이에서 에러 신호(ε)가 형성되고, 이때, 그 시간 도함수는 입력 신호(u)에 대한 시간 도함수에 제한되지 않는다. 에러 신호(ε)는 신호(δ)를 형성하기 위해 점근선 형태의 안정 필터(3)를 통해 필터링되고, 이는 피드백되고, 신호(x)를 형성하기 위해 회로(1)의 입력 신호(u)로부터 제거되게 된다. 기존 레이트 리미터는 신호(x)로부터 출력 신호(y)를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

Description

차량 제어 시스템의 위상 보정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PHASE COMPENSATION IN A VEHICLE CONTROL SYSTEM}

모든 (차량) 제어 시스템은 전기 모터, 유압 서보 밸브 등과 같은 물리적 액츄에이터를 가진다. 이 액츄에이터들은 전력이나 유압 등의 제한으로 인한 레이트 한계를 가진다. 그러므로, 모든 제어 시스템은 레이트에 대한 제한을 내재하고, 이 레이트에서는 차량의 운전자로부터의 새 명령이, 즉 제어 시스템에 들어가는 입력 신호의 변화가 제어 시스템으로부터 출력되는 신호에 상응하는 변화를 가져온다. 입력 신호에 대한 시간 기울기가 어떤 값을 넘으면, 출력 신호에 대한 시간 기울기는 입력 신호에 대한 신호 기울기에 따라 제한된다. 이 제한은 제어 시스템의 레이트 제한으로 알려져 있다. 제어 시스템으로의 입력 신호가 상당히 빠른 사인파 신호로 이루어지는 것과 같이, 입력 신호가 매우 신속하게 변화할 경우, 입력 신호와 출력 신호 사이에 위상 편이가 발생한다. 즉, 출력 신호는 입력 신호에 따라 시간 지연을 가지게 된다. 이 위상 편이는 차량의 성능에 결함을 가져오고, 극단적인 경우 불안정성을 가져온다. 항공기의 경우, 입력 신호의 과다한 급속 변화가 제어 시스템의 레이트 제한을 초과할 경우, 소위 PIO(루프 진동의 파일롯)가 발생한다. 이는, 예견치 못한 상황이 파일롯으로 하여금 항공기의 제어 스틱을 급작스럽게 크게 움직이게 할 경우 발생할 수 있다. 제어 시스템의 레이트 제한으로 인해 발생하는 위상 편이는 진동을 증폭시킨다. 극단적인 경우에, 이 진동은 발산되어, 항공기 움직임을 제어하지 못할 수 있다.

상기 언급된 레이트 제한은 소위 불안정 시스템을 구성하는 항공기에서 더욱 주목받을 수 있다. 이러한 항공기에서, 항공기의 제어면은 파일롯의 신호에 의해서만 영향을 받는 것이 아니라, 제어 시스템에서 발생되는 안정화 신호에 의해서도 영향을 받는다. 상기 안정화 신호는 항공기의 다른 위치마다의 센서로부터 얻는 값에 따른다.

레이트 제한으로 제어 시스템의 상기 문제점을 감소시키는 한 방법은 레이트 제한이 구동될 때, 위상 보정을 삽입하는 과정을 포함한다. 이러한 위상 보정은 다음의 요구사항을 충족하여야 한다.

A. 사인 파형의 입력 신호의 경우, 위상 지연을 감소시키고,

B. 급작스런 램프와 단계에 대한 동적 지연을 최소화하며,

C. 입력 신호가 충분히 느릴 경우 동일한 입력 및 출력 신호를 제공한다.

레이트 제한으로 제어 시스템의 위상 보정을 실행하는 다른 방법의 공개 내용은 다음과 같다: "Time and Delay induced by Control Surface Rate Saturation", Zeitschrift f. Flugwissenschaften und Weltraumforschung, Springer Verlag, Vol. 17, pp. 287-293; "Communique with DOR and others", NASA H!, Washington dc(1992,07,14); 그리고 Chalk, C.R.(1992): "Study of a Software Rate Limit Concept", Calspan Flight Research Memorandum 635, Buffalo, NY. 이 방법들은 위상 보정이 제어 시스템 내에서 실행되는 것이 필요한 지를 알기 위한 논리 조건(이프-덴-엘스)을 사용한다. 그러나, 각각의 방법에 대한 두 개 이상의 다른 동적 행동 사이에서 이 조건들은 점프 형성을 요청한다. 그러므로, 불요한 출력 신호를 발생시키는 입력 신호가 항상 생길 수 있다. 이 이유로, 이 방법 중 어느 것도 레이트 제한을 가지는 제어 시스템에서 구현하기 적합하지 않다.

상기 기술된 문제점을 해결하는, 제어 시스템에서 위상 보정을 실행하는 방법이 미국 특허 5 528 119에 공개되어 있다.

본 발명의 목적은 레이트 제한을 가지는 제어 시스템에서 위상 보정을 실행하는 방법 및 장치를 제공하는 것으로, 이는 상기 공지된 방법과 상호교환적으로 사용할 수 있다.

본 발명은 모터 구동 차량의 제어 시스템에서 위상 보정을 실행하는 방법에 관한 것이다. 여기서, 제어 시스템에 포함된 회로로부터의 출력 신호에 대한 시간 기울기는, 회로에의 입력 신호에 대한 시간 기울기가 정해진 값을 초과할 경우, 입력 신호에 대한 시간 기울기에 대해 상대적으로 제한된다. 발명은 또한, 모터 구동 차량의 제어 시스템에서 위상 보정을 실행하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 제한 수단을 포함하는 회로로 구성된다. 상기 제한 수단은, 입력 신호에 대한 시간 기울기가 정해진 값(제한 수단에 의해 결정됨)을 초과할 경우, 회로에의 입력 신호에 대한 시간 기울기에 따라 출력 신호의 시간 기울기를 제한한다.

출력 신호(y)와 회로(1) 내에 존재하는 신호(x) 사이에서 에러 신호(ε)가 형성되고, 이때, 그 시간 기울기는 입력 신호(u)에 대한 시간 기울기에 제한되지 않는다. 에러 신호(ε)는 신호(δ)를 형성하기 위해 점근선 형태의 안정 필터(3)를 통해 필터링되고, 이는 피드백되고, 신호(x)를 형성하기 위해 회로(1)의 입력 신호(u)로부터 제거되게 된다. 기존 레이트 리미터는 신호(x)로부터 출력 신호(y)를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

도 1은 발명에 따르는 필터로부터의 입력 신호(u)와 출력 신호(y), 그리고 기존 레이트 제한 장치로부터의 출력 신호를 도시하는 비교 곡선(점선)을 그래프.

도 2는 본 발명에 따르는 위상 보정 필터의 한 예를 도시하는 도면.

발명의 한가지 목적은 위상 보정 필터를 사용함으로서 청구범위에서 제시되는 바와 같은 시스템에 대한 필터로 위상 보정을 실행하는 방법을 제공하는 것이다. 이때, 상기 위상 보정 필터는 입력에 다른 출력 신호의 비선형 피드백을 제공한다. 특히, 입력 신호와 출력 신호 사이에서 위상 보정 필터까지 에러가 있을 때, 에러 신호가 생성된다. 상기 에러 신호의 절대값이 정해진 값을 넘으면, 비선형 증폭의 레벨 k가 선택된다. 입력 신호가 저역 필터링되고 변화되며, 이때, 입력 신호는 입력 신호에 부가되는 신호 δ를 형성하기 위한 비선형 증폭 레벨 k로 증식되고, 기존 레이트 제한 장치에 인도되어, 상기 보정 필터의 최종 출력 신호를 형성한다.

신호 δ를 이끌어낸 후 필터에 생성되는 출력 신호는 필터 장치에 전달된 입력 신호와 동상이다.

위상 보정의 레벨은 비선형 증폭 레벨 k와 원하는 필터링의 선택에 의해 출력 신호와 입력 신호 사이의 에러와 입력 신호의 기울기의 함수로 결정될 수 있다.

비선형 증폭 레벨 k가 0이거나, 미분 입력 신호가 0이면, 위상 보정 필터는 기존 레이트 제한 장치의 역할을 한다.

발명의 상기 제시된 태양에 따라 공개되는 필터의 한 장점은, 입력 신호의 잡음과 공명 소란으로부터의 영향에 위상 보정 필터가 안정하다는 점이다.

발명의 상기 기술된 태양에 따르는 필터의 다른 한가지 장점은, 입력 신호와 출력 신호 사이의 시간 지연이 초대한 짧아야 할 경우, 입력 단계에서 형성된 신호의 필터가 시간 구간동안 기존 레이트 제한 장치로 작용한다는 점이다. 이것이 본 발명과 공개된 미국 특허 제 5 528 119 호의 차이이고, 이때 출력 신호는 입력 신호를 향해 지수함수적인 붕괴를 가진다. 특정 상황에 따라, 두 방법이 적절히 교대로 사용될 수 있다.

본 발명에 따르는 필터의 또하나의 장점은 필요할 때만 필터가 작동한다는 점이다. 즉 필터는 레이트 상황에서 작동하거나 아예 작동하지 않을 수 있다.

발명에 따르는 위상 보정 필터의 영향을 예로서 도시하는 도 1은 곡선 u(점선)로 표시되는 입력 신호에 필터로부터의 반응을 출력 신호(실선) 곡선 y로 나타낸다. 기존 레이트 제한 장치 사용 시의 동일 입력 신호에 대한 반응으로서의 상응하는 신호는 점선 c로 나타난다.

입력 신호 u에 대한 곡선에 의해 보다 신속하게 표시되는 바와 같이 계단 함수에의 반응은 기존 레이트 제한 장치로부터의 출력 신호에 비교할 때 본 발명에 따르는 필터로부터의 출력 신호 y가 뒤따른다.

본 발명은 주로 항공기 제어에 사용하지만, 차량 제어 시스템에 사용할 수도 있다.

발명의 또다른 태양에 따라, 상기 방법을 실행하는 장치가 공개된다. 상기 장치는 청구범위와 실시예에서 기술될 것이다.

본 발명은 소위 불안정 시스템을 구성하는 항공기 제어를 주용도로 개발되었다. 그러나, 발명의 개념은 다른 형태의 모터 구동 차량의 제어 시스템까지 확장가능하고, 적용할 수 있다.

도면을 참조하여 발명을 이해하도록 하자. 발명에 따르는 필터 장치의 실시예가 도 2에 도시된다. 필터 장치로의 입력 신호는 u로 표시되고, 장치로부터의 출력 신호는 y로 표시된다.

입력 신호 u는 장치의 간선(main branch)으로 들어가고, 제 1 가산 함수(2)를 통과한다. 상기 제 1 가산 함수로부터 신호 δ가 생성된다. 입력 신호 u로부터 신호 δ를 얻은 후에, 최종 신호 x가 형성된다. 최종 신호 x는 이때 기존 레이트 제한 장치(3)로 전송되고, 이에 의해 출력 신호 y가 상기 레이트 제한 장치의 출력부에서 발생된다.

입력 신호 u는 기존의 저역 통과 필터(4), 즉 트랜스퍼 함수를 가지는 필터까지 제 1 병령 브랜치를 통해 전도된다.

G(s) = K/(τs+1)

여기서, K는 필터(4)의 증폭 인자이고, τ는 시간 상수이다. 정상적인 상황에서, 입력 신호는 입력 신호의 시간 기울기에 적용가능한 제한보다 더 느리게 변화한다. 그러므로, 정상적인 상황에서, 레이트 제한 장치(3)나 피드백 필터(4) 어느 것도 발명에 따르는 장치에서 작동하지 않는다.

제 1 병렬 브랜치에서, 저역 통과 필터를 통과한 신호는 미분 블록(5)에 들어가고, 여기서 신호는 미분되며, 이때, 신호는 멀티플라이어(6)에 들어가고, 이 멀티플라이어(6)에서 저역 통과 필터링된 미분 신호는 인자 k로 멀티플라잉된다. 인자 k의 멀티플라잉 이후에 형성되는 신호가 앞서 언급한 바와 같이 신호 δ이다.

장치에 전달된 입력 신호 u와 필터 장치로부터의 출력 신호 y 모두는 장치의 제 2 평행 브랜치의 제 2 가산 함수(7)에 전달된다. 제 2 에러 신호 ε은 상기 제 2 가산 함수(7)에서 발생된다. 제 2 에러 신호 ε은 상기 멀티플라이어(6)에 전달되는 상기 인자 k 형성을 위해 증폭되는 비선형 증폭기에 위치한다.

도 2의 실시예의 작동은 다음의 내용으로부터 이해될 수 있을 것이다.

필터 장치(1)로의 입력 신호는 제 2 가산 함수(7)로 전송되고, 필터 장치(1)로의 출력 신호도 마찬가지이다. 출력 신호 y는 상기 제 2 가산 함수(7)에서 입력 신호 u로부터 생기고, 이때 제 2 에러 신호 ε이 형성된다. 에러 신호 ε은 비선형 증폭기(8)에 공급되고, 여기서 제 2 에러 신호 ε의 진폭은 증폭의 값을 제어하여, 인자 k를 결정한다. 선호되는 실시예의 예로서, 제 2 에러 함수 ε의 절대값이 0.1 이하인 경우, k는 -1로 설정된다. 그렇지 않을 경우, 인자 k의 값은 0으로 설정된다.

입력 신호 u는 저역 통과 필터에 또한 전송되고, 여기서 신호는 저역 통과 필터링되고, 미분 블록(5)에서 미분되며, 최종적으로 멀티플라이어(6)에 공급된다. 이때, 신호는 신호 δ를 형성하기 위해 상기 인자 k로 멀티플라잉된다. 인자 k가 0이 아니면, 신호 δ는 미분 입력 신호의 부호(양/음)와 반대인 부호(음/양)를 가질 것이다.

두 신호(신호 δ와 입력 신호 u)들의 합을 최종 신호 x로 형성하기 위해, 신호 δ는 제 1 가산 함수(2)에 입력 신호 u로부터 생성된다. 최종 신호 x는 입력 신호 u와 동상인 신호이다.

마지막으로, 기존 레이트 제한 장치(3)는 필터 장치(1)로부터 출력 신호 y를 형성하기 위해 최종 신호 x를 레이트 제한한다.

위상 보정 이후의 최종 출력 신호 y는 도 1에 실선 y로 표시된다. 점선 u는 레이트 제한 장치에 대해 상당히 높은 속도의 입력 신호 u를 나타낸다. 도면은 점선을 포함하고, 상기 점선은 기존 레이트 제한 장치로부터의 출력 신호(즉, 본 발명에 따라 구현되는 입력 신호의 수정용으로 사용되는 위상 보정 없이 획득되는 신호)를 나타낸다.

도 1의 곡선을 비교함으로서 알 수 있는 바와 같이, 출력 신호 y의 진폭은 위상 보정에 의해 감소된다. 그러나, 입력 및 출력 사이의 위상 변이는 완전히 감소되어, 입력 신호와 본질적으로 동상인 출력 신호를 생성한다. 그 결과, 운전자나 파일롯은 명령에 좀더 빠른 반응을 느낄 수 있을 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 간단하게 설명하기 위해 필터(1)는 제 1 차수의 저역 통과 필터를 포함하여 설명되었다. 양호한 결과를 얻기 위해서는, 필터 패러미터를 적절한 값으로 설정하는 것이 중요하고, 이 패러미터는 각각의 장치에 대해 결정되어야 할 것이다.

발명의 개념은 도면에 도시되는 실시예나 앞서 기술된 예에 한정되는 것으로 간주하면 아니되고, 발명의 범위 내에서 수많은 방법으로 변화되어야 할 것이다. 그러므로, 제 1 차수의 저역 통과 필터는 선호되는 실시예에서 구체화되지만, 이는 간단하게 하기 위함이고, 다른 종류의 점근선형으로 안정한 필터고 사용될 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 차량 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 입력 신호(u)에 대한 시간 도함수가 정해진 값을 넘을 경우 입력 신호(u)의 시간 도함수에 따라 제한되는 시간 도함수를 가지는 출력 신호(y)를 제공하고, 입력 신호(u)에 따라 출력 신호(y)를 위상 보정하며, 상기 제어 시스템은:

   출력 신호(y)와 입력 신호(u) 사이에서 에러 신호 ε을 형성하기 위한 제 2 에러 신호 형성 수단(7);

   제 2 에러 신호 ε의 진폭에 따라 인자 k를 발생시키는 증폭 수단(8);

   입력 신호(u)를 미분하기 위한 미분 수단(5,6);

   미분 입력 신호(u)와 인자 k의 산물인 신호(δ)를 형성하기 위한 멀티플라이어; 그리고

   입력 신호(u)로부터 신호(δ)를 얻기 위한, 그리고 입력 신호(u)와 동상인 출력 신호(y)를 생성하는 레이트 제한 장치(3)에 전송되는 신호(x)를 형성하기 위한, 제 1 가산 수단(2)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 증폭 수단(8)은 제 2 에러 신호 ε의 진폭 레벨에 따라 인자 k의 출력 진폭을 부여하는 비선형 증폭기인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
3. 제 1 항, 또는 제 2 항에 있어서, 저역 통과 필터(4)는 입력 신호(u)와 미분 수단(5) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 수단은 점근선 형태로 안정한 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
5. 차량의 제어 시스템에 사용되는 방법으로서, 상기 제어 시스템은 입력 신호(u)에 대한 시간 도함수가 정해진 값을 넘을 경우 입력 신호(u)의 시간 도합수에 다라 제한되는 시간 도함수를 가지는 출력 신호(y)를 제공하고, 입력 신호(u)에 따라 출력 신호(y)를 위상 보정하며, 상기 방법은:

   출력 신호(y)와 입력 신호(u)로부터 제 2 에러 신호 ε을 형성하고;

   상기 제 2 에러 신호 ε의 진폭에 따라 인자 k를 발생시키며;

   입력 신호(u)를 미분하고;

   미분 입력 신호(u)와 인자 k의 프로덕트인 신호(δ)를 형성하며; 그리고

   출력 신호(y)를 생성하는 레이트 제한 장치(3)에 전송되는 신호(x)를 형성하기 위해 입력 신호(u)로부터 상기 신호(δ)를 이끌어내는; 이상의 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 비선형 증폭기(8)에 인자 k를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 제 2 에러 신호 ε의 절대값이 0보다 크면 인자 k를 음의 값으로 설정하고, 그렇지 않을 경우 k의 값을 0으로 설정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 입력 신호(u)를 미분하기 전에 저역 통과 필터에서 입력 신호(u)를 저역 통과 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.