KR20100130948A - 예열플러그의 온도제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 예열플러그(1)의 온도제어방법에 관한 것으로, 설정온도(Tset)는 온도의존 전기변수의 설정 값(Rset)을 결정하는데 사용되고, 펄스폭변조를 통해 발생된 예열플러그(1)에 적용된 실효전압(Ueff)은 보정변수로서 사용된다. 본 발명에 따르면, 수리적 모델(4)은 전기변수의 기대값(Re)을 계산하는데 사용되고, 상기 전기변수는 측정되어 정해지고, 제1 오차신호(e1(t))는 계산된 상기 기대저항(Re) 값을 구함으로써 발생되고, 상기 실효전압(Ueff)의 값으로부터 계산값과 상기 수리적 모델(4)의 입력변수로 사용되는 상기 제1 오차신호(e1(t))에서 수리적 모델(4)은 전기변수의 기대값(Re)을 나타내는 출력변수(X)를 계산하기 위해서 입력변수를 사용하고, 상기 수리적 모델(4)의 출력변수(X)는 실효전압(Ueff)에 대한 보정값을 계산하는데 사용되고 상기 실효전압(Ueff)은 상기 보정값으로 바뀐다.

Description

예열플러그의 온도제어방법{Method for controlling the temperature of a glow plug}
본 발명은 예열플러그의 온도제어방법에 관한 것으로, 설정온도(setpoint temperature)는 온도의존 전기변수의 설정 값(setpoint value)을 결정하는데 사용되고, 펄스폭변조를 통해 발생된 실효전압(effective voltage)은 보정변수로서 사용되는 것이다.
통상적으로는 예열플러그의 온도를 조절하거나 제어하는 방법으로 전기저항 또는 이에 상응하는 전기 컨덕턴스를 설정 값으로 사용한다. 원칙적으로는 다른 온도의존 전기변수들을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 전기저항 또는 전기 컨덕턴스 대신에 인덕턴스를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 목적은 엔진이 가동되는 동안, 예열플러그의 온도를 설정값으로 신속하게 제어하는 방법을 개시하는 것이다.
상기 목적은 도 1에 도시된 특징들을 구비한 방법으로서 달성된다. 본 발명의 부가적인 장점들은 종속항에 개진되어 있다.
종래의 PID 제어방법과는 대조적으로 본 발명에 따른 제어방법에 따르면 온도의존 전기변수의 설정값을 실제값(actual value)과 비교하지 않고, 순간편차와 사전편차(previous deviation)에 관한 실효전압을 변화시키지 않는다. 더 정확히 말하면, 본 발명은 예열플러그의 수리적인 모델(mathematical model)을 이용하고, 상기 수리적인 모델은 전기변수의 기댓값을 계산하는데 이용된다. 상기 모델은 예열플러그를 포함하는 제어 시스템에 피드백된다. 즉, 보정변수는 설정온도 목표값 또는 설정 목표값에 도달하기 위하여 상기 모델의 출력변수 및 설정값의 결과 비교에 상응해서 변화된다. 이러한 이유 때문에, 제어를 하기 위해 요구되는 피드백이 수리적 모델의 출력결과물을 통해서 얻어지며, 모델에 의해 인도되어진 출력변수가 제공된다.
수리적 모델을 위한 입력변수를 계산하기 위해서 실효전압값과 함께 오차신호가 사용되며, 오차신호는 상기 계산값을 평가함으로써 발생되고, 바람직하게는 측정값과 비교함으로써 발생된다. 이러한 입력변수를 토대로 하여, 수리적 모델은 전기변수의 기댓값을 나타내는 출력변수를 계산한다.
상기 모델의 출력변수는 상기 전기변수의 기댓값으로 바로 될 수 있고 또는 상수 인자를 곱하는 것과 같은 또 다른 계산 단계에 의한 출력변수로부터 결정된 기댓값의 결과를 통해 정의할 수도 있다. 이에 따르면, 출력변수에 기초하여 유도된 값과 설정값의 비교는 설정값과 출력 변수로부터 산출되는 전압값과 같은 변수들을 비교하거나 상기 설정값과 기댓값을 직접 비교하면 된다.
오차신호는 모형화된 에러를 수정하는데 사용된다. 간섭과 같은 외부적인 영향이 없다면, 상기 계산값은 수리적 모델의 정확도에 종속되는 한 주기의 지속시간 후의 측정값과 최종적으로 일치한다. 만약 플러그의 온도 내에서 간섭이 있다면, 측정 변수로부터 계산된 변수의 편차를 야기한다. 왜냐하면 수리적 모델의 입력변수는 측정값과 계산값의 양자에 의존하며, 예를 들어 설명하자면 측정값과 계산값간의 차이값에 의존하고, 설령 그렇더라도 수리적 모델은 예열플러그를 따른다. 즉, 간섭이 발생함에도 불구하고 계산값은 측정값의 근사값이 된다.
본 발명에 따른 제어방법에 의하면, 상기 플러그의 온도 내에서 일어나는 간섭은 종래의 제어방법보다 훨씬 빨리 보정될 수 있다. 말하자면, 종래의 PID 방법은 보정변수의 변화가 실제값과 설정값 사이의 순간편차 뿐만 아니라 사전편차에도 의존한다(I 및/또는 D 부분). 그러나, 간섭은 사전편차와는 관련이 없으며, 그 결과로 사전편차에 대한 고려는 간섭을 처리하는 데 있어서 도움이 되지 않는다. 반면에, 시스템의 특유한 성질이 그 안에 저조하게 포함되기 때문에, 단순한 비례제어는 좋은 결과를 얻어내는데 사용될 수도 없다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따른 제어방법은 간섭이 없는 경우와 간섭이 발생하는 경우의 모두의 경우에서 신속하고 빠른 온도 제어를 가능하게 한다.
전기변수의 기댓값을 계산하는데 사용되는 수리적 모델은 선형미분방정식으로 표현될 수 있다. 최간(simplest) 경우, 수리적 모델은 예열플러그 및 그의 설치환경의 특성을 나타내는 두 개의 매개변수만을 포함한다. 첫번째 상수는 계산되어진 변수의 현재값(current value)을 가중하는데 사용되고, 두번째 상수는 실효전압과 같은 보정변수를 가중하는데 사용된다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 전기저항 또는 이와 동등한 전기 컨덕턴스는 온도의존 전기변수로서 사용된다. 예열플러그의 전기저항 또는 전기 컨덕턴스는 급전선(feed lines)을 포함하여 각각 사용될 수 있다. 그러나 당연하게도 급전선이 없는 예열플러그의 전기저항 또는 컨덕턴스도 고려할 수 있다. 대안적이거나 부가적인 방식으로, 온도의존 전기변수로서 인덕턴스를 사용하는 것도 또한 가능하다.
본 발명의 진보된 개선점은 예를 들어 상기 계산값을 측정함으로써 발생된 설정 저항과 같은 전기변수의 설정값을 보정하는데 사용되는 제2 오차 신호를 제공하는데 있다. 이러한 방식으로, 엔진이 가동중일 때 운송수단의 작동으로 인해 야기되는 간섭의 영향을 더 잘 처리할 수 있다. 다시 말해서, 상기 설정값에 보정값을 더함으로써, 간섭은 효율적으로 보상되며, 원하는 설정 온도에 신속히 도달할 수 있다. 만일 간섭이 예열플러그의 부가적인 발열 즉 온도상승을 일으키면, 설정값을 실효전압의 값으로 전환하는 기초로 다소 작은 설정값을 취함으로써 원하는 설정온도에 신속히 도달할 수 있다. 이러한 방식으로, 간섭의 부가적인 에너지 유입은 낮은 열 방출로서 보상될 수 있다. 예를 들면, 설정값의 보정은 특성치족(family of characteristics)의 도움으로 결정될 수 있고, 선택(selection)은 제2 오차신호와 설정온도 또는 고려된 설정온도로부터 결정된 설정값으로부터 만들어진다.
이러한 두번째 피드백은 본 방법에 따른 예열플러그를 구비한 하나의 제어 시스템을 각각 갖는 두 개의 제어 회로를 갖는 결과를 나타낸다. 첫번째 제어 회로는 수리적 모델의 출력 피드백으로부터 발생된다. 두번째 제어회로는 상기 제2 오차신호의 피드백으로부터 발생된다.
상기 제2 오차 신호는 계산값과 측정값을 비교 - 예를 들어 차이값을 비교-함으로써 발생되며, 결과적으로 제2 오차 신호는 상기 두 값들 간의 차이값에 비례한다.
그러나, 예열플러그의 또 다른 수리적인 모델을 이용함으로서 제2 오차 신호를 결정하는 것도 가능하며, 예열플러그에 적용된 실효전압의 값은 상기 수리적 모델의 입력변수로서 사용되고, 제2 오차신호는 상기 두 모델의 출력변수를 비교함으로서 발생된다. 다시 말하자면, 이러한 과정에 따라 제1 모델의 입력변수는 실효전압과 측정값 양자에 의존하지만, 제2 모델의 입력변수는 실효전압에만 의존한다. 바람직하게는 상기 두 개의 수리적 모델은 동일하며, 이는 입력변수를 가지고 동일한 연산 동작을 수행함을 의미한다.
놀랍게도 상술된 두 개의 수리적 모델들의 사용은 모델링 오차가 더 작은 영향을 갖는 이점이 있다. 본 발명은 각각 다른 엔진에서의 예열플러그의 이용이라던가 예열플러그 그 자체의 종류의 변경에 의한 것과 같은 변경된 조건에 의한 영향을 덜 받는 이점이 있다. 상술된 방법의 수리적 모델을 위한 적정 파라미터의 결정에 있어서의 복잡성은 때때로 상당하며, 그 복잡성은 적절한 시행을 걸쳐서 감소될 수 있다.
상술한 방법뿐만 아니라, 본 발명은 본 발명이 작동 중일 때 적용되는 방법에 적용된 예열플러그 제어 유닛에 관한 것이다. 예열플러그 제어 유닛은 메모리와 제어유닛 - 예를 들어, 본 발명에 따른 방법에 적용하는 프로그램이 상기 메모리에 저장되어 있는 마이크로프로세서 - 에 의해 구현된다. 예열플러그 제어 유닛의 하드웨어 요소들은 시판되는 예열플러그 제어유닛의 하드웨어와 동일할 수 있다.
본 발명의 이점은 실시예 및 하기의 도면에 서술되어 있다. 서로서로 일치하는 동일요소들은 동일한 기호로 표시하였다.
도 1은 본 발명에 따른 제어방법의 바람직한 실시예의 도해도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어방법의 바람직한 실시예이다.
도 1은 예열플러그(1)의 온도제어방법 흐름의 개략도를 나타낸다. 제어방법에서 보이는 바와 같이, 펄스폭변조를 통한 운송수단의 전기시스템 전압으로부터 발생되는 실효전압은 보정변수로서 사용된다. 바람직한 실시예에서 보이는 바와 같이, 제어되어 사용된 변수는 상기 예열 플러그(1)의 전기저항(Re)이다. 또 다른 온도의존 전기변수나 복수의 변수들을 갖는 벡터를 사용하는 것도 또한 가능하다.
도 1에 도시된 제어방법에서, 제1 단계는 예를 들어 특성치족(2)을 수단으로 하는 것처럼, 예열플러그의 전기저항의 설정값(Rset)을 결정하기 위해 명시된 설정온도(Tset)를 이용하는 것으로 구성된다. 상기 설정값(Rset)은 예열플러그(1)에 적용되는 실효전압값을 결정하기 위해서 취해진다. 상기 설정값(Rset)을 실효전압(Ueff)의 값으로 전환하는 것은 특성 곡선(characteristic curve)이나 프리필터(3)를 수단으로해서 만들어질 수 있다.
수리적 모델(4)은 예열플러그(1)에 적용된 실효전압(Ueff)으로부터 전기저항의 기대값(Re)을 계산하기 위해서 이용된다. 상기 수리적 모델(4)은 상기 기대값을 출력변수로 바로 인도(deliver)할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서 보는 바와 같이, 상기 모델(4)은 상수만큼 곱함으로서 추가적인 단계(4a)에서 전기변수의 기대값(Re)을 계산하기 위해서 사용되는 출력 변수(X)를 인도한다.
계산값(Re)을 측정함으로서, 제1 오차신호(e1(t))는 방법단계(5)에서 발생된다. 이를 수행하기 위해서, 상기 계산값(Re)은 저항의 측정값과 비교된다. 제1 오차신호(e1(t))를 계산하기 위해서, 도 1의 마이너스(-) 표기에서 도시되는 바와 같이 저항 측정값(Rm)으로부터 저항 계산값(Re)을 빼는 것도 가능하다. 그러한 계산의 결과는 경험에 의해 결정되는 적당한 인자로 가중될 수 있다. 제1 오차신호(e1(t))는 저항 측정값(Rm)과 저항 계산값(Re)간의 차이값에 비례한다.
수리적 모델(4)의 입력변수로 사용되는 값은 실효전압(Ueff) 및 제1 오차신호(e1(t))로부터 계산된 값이다. 이러한 수리적 모델(4) 입력변수는 계산값과 측정값의 비교에 의존해서, 루엔버거 관측기(Luenberger observer)로 나타내어진다.
수리적 모델(4)의 출력변수(X)와 설정값(Rset)은 실효전압(Ueff)의 보정값을 계산하는데 사용된다. 실효전압(Ueff)은 상기 보정값으로 변화된다. 만일 출력변수(X)가 동시에 기대값(Re)이라면, 출력변수는 설정값(Rset)과 바로 비교될 수 있고, 비교 결과에 따라 상기 차이값의 양에 비례하여 상기 실효전압(Ueff)은 변화된다. 일반적으로, 모델(4)의 출력을 제어기의 입력으로 피드백하는 것은 충분하며, 이는 상기 모델 출력의 피드백을 수행하는 것을 의미한다.
출력변수(X)가 기대값(Re)과 일치하지 않는다면, 바람직한 실시예에서 보이는 바와 같이, 처음에 상기 출력변수(X)는 상태 제어기 또는 피드백 매트릭스로 언급될 수 있는 방법단계(6)에서의 저항값 또는 전압값을 계산하는데 사용된다. 이러한 방법단계에서 설정값(Rset) 또는 상기 설정값(Rset)으로부터 결정되는 변수 즉,현재 실효전압(Ueff)은 상기 저항 계산값 또는 전압값과 비교된다. 상기 실효전압(Ueff)은 이러한 비교 결과에 따라서 변화된다. 상기 설정값(Rset)과 계산값(Re)간의 차이에 비례하는 전압값은 바람직하게는 실효전압(Ueff)의 순간치(instantaneous value)에 더해진다. 그 안에서 결정된 차이값에 관한 실효전압(Ueff)의 비교 및 변화는 도 1의 방법단계(7)로 도시되어 있다.
설정값(Rset)을 보정하기 위해서 사용되는 제2 오차신호(e2(t))는 계산값(Re)을 측정함으로서 결정된다. 이를 얻기 위해서, 예를 들어 특성치족(8)을 수단으로, 상기 설정온도(Tset)로부터 결정된 설정값(Rset)은 보정된 설정값을 결정하기 위해서 상기 제2 오차신호(e2(t))와 함께 사용된다. 바람직하게는 설정값(Rset)의 보정은 그 안에서 결정되며, 설정값(Rset)에 더해진 상기 보정은 도 1의 방법단계(9)에 의해 표시된다. 나중에, 프리필터(3) 또는 특성곡선을 수단으로 하여 보정된 설정값은 실효전압(Ueff)을 위한 값으로 전환된다. 경우에 따라서 그렇게 결정된 실효전압(Ueff)의 값은 방법단계(7)에서 출력변수(X)를 고려하며 조정된다.
미분방정식, 더욱 자세하게는 선형미분방정식이 수리적 모델(4)로 이용된다. 예를 들면, 후술하는 계산 방식은 상기 모델(4):dR/dt= A·R＋B·Ueff(t)로 이용될 수 있다. 일반적으로 제어된 변수(X)로서 저항(R) 대신에 복수의 전기변수로부터 나온 벡터 또는 다른 전기변수를 사용하는 것도 가능하며, 그 결과로 상기 수리적 모델은 더 일반적인 형태인 dx/dt= A·x＋B·u(t) (단, u는 보정변수)로 쓰여질 수 있다.
상기 모델(4)의 출력변수(X)로부터 나오는 전압값의 계산은 시행착오를 거쳐 나오는 일정 상수값을 곱함으로서 결정될 수 있다.
바람직한 실시예에서 보이는 바와 같이, 상기 제2 오차신호(e2(t))는 상기 제1 오차신호(e1(t))와 유사하게 차이(difference)를 계산하고 가중치(weighting factor) 만큼 차이를 곱하는 방식으로, 측정값과 계산값을 비교함으로서 결정된다.
본 발명에 따른 제어방법은 실제적으로 두 개의 제어회로들을 구비한다. 제 1 제어회로는 상기 예열플러그(1)와 상기 모델(4)를 구비하며; 바람직한 실시예에서 보이는 바와 같이, 제1 제어회로는 예열플러그(1), 방법단계(5), 모델(4) 및 방법단계(6 및 7)를 구비한다. 제2 제어회로는 예열플러그(1) 및 제2 오차신호의 피드백을 구비한다.
도 2는 예열플러그(1)의 온도제어 방법을 위한 바람직한 실시예를 도시한다. 주로 이 방법은 도 1을 통해 기술된 전술한 방법과는 다른데, 예열플러그(1)에 적용된 실효전압(Ueff)의 값은 예열플러그(1)의 수리적 모델(10)을 수단으로 출력변수(X2)를 계산하는데 사용된다는 점에서 다르다. 상기 두 모델들(4, 10)의 계산방식은 동일할 수 있다. 제2 모델(10)에서는 상기 예열 플러그에 적용된 실효전압(Ueff)이 입력변수로서 바로 사용되는 반면에, 제1 모델에서 상기 입력변수는 상기 제1 오차신호(e1(t)) 및 상기 실효전압(Ueff)으로부터 계산된다.
도 2에 도시된 바람직한 실시예에서와 같이, 제2 오차신호(e2(t))는 상기 두 모델들(4, 10)의 출력변수들(X, X2)간의 차이를 계산하는 방법을 통해 비교함으로서 결정된다. 제2 오차신호(e2(t))를 계산하기 위해서, 차이의 총액은 일정한 상수 요소만큼 곱해질 수 있다. 두 번째의 바람직한 실시예에서, 상기 제2 오차신호(e2(t))는 상기 두 개의 출력 변수들(X, X2)간의 차이(difference)이다.
1 : 예열플러그 2 : 특성치족
3 : 프리필터 4 : 제1 모델
4a : 방법단계(Method step) 5 : 방법단계
6 : 방법단계 7 : 방법단계
8 : 특성치족(Family of characteristics) 9 : 방법단계
10 : 제2 모델 Ueff : 실효전압
Tset : 설정온도 Rset : 설정값
Re : 기대저항 Rm: 측정저항
e1(t) : 제1 오차신호 e2(t) : 제2 오차신호
X : 제1 모델의 출력변수 X2 : 제2 모델의 출력변수

Claims (15)

  1. 온도의존 전기변수의 설정값(Rset)을 결정하는 데 사용되는 설정온도(Tset) 및 펄스폭변조에 의해 발생된 실효전압(Ueff)이 적용된 예열플러그(1)를 갖는 예열플러그의 온도제어방법에 있어서,
    수리적 모델(4)은 입력변수로부터 출력변수(X)를 계산하고 상기 출력변수(X)를 제공하여 전기변수의 기대저항(Re) 값을 계산하는데 사용되고,
    상기 전기변수는 측정되어 정해지고,
    제1 오차신호(e1(t))는 계산된 상기 기대저항(Re) 값을 구함으로써 발생되고,
    상기 실효전압(Ueff)의 값으로부터 계산된 값과 수리적 모델(4)의 입력변수로 사용되는 상기 제1 오차신호(e1(t))에서, 상기 수리적 모델(4)은 전기변수의 기대저항(Re) 값을 나타내는 출력변수(X)를 상기 입력변수로부터 계산하고,
    상기 수리적 모델(4)의 출력변수(X)는 실효전압(Ueff)에 대한 보정값을 계산하는데 사용되고 상기 실효전압(Ueff)은 상기 보정값으로 바뀌는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도의존 전기변수는 전기저항인 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 오차신호(e1(t))는 계산된 기대저항(Re) 값과 측정저항(Rm) 값을 비교함으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력변수(X)는 상기 전기변수의 기대저항(Re) 값에 비례하는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실효전압(Ueff)에 대한 보정값을 계산하기 위해서, 출력변수(X)로부터 나오는 계산값을 설정값(Rset)과 비교하거나 설정값으로부터 결정되는 변수와 비교하고, 실효전압(Ueff)의 변화 폭이 커지면 차이가 큰 것이 비교를 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실효전압(Ueff)에 대한 보정값은 상기 설정값(Rset)과 계산된 기대저항(Re) 값과의 차이 및 상기 실효전압(Ueff)의 순시값에 비례하는 전압값을 가산함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 오차신호(e2(t))는 계산된 기대저항 (Re) 값을 구하여 얻어지는 설정값을 보정하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 오차신호(e2(t))는 계산된 기대저항(Re) 값과 측정저항(Rm) 값을 비교함으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 오차신호(e2(t))는 계산된 기대저항(Re) 값과 측정저항(Rm) 값 간의 차이값에 비례하는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 예열플러그(1)에 적용된 실효전압(Ueff) 값은 수리적 모델(10)의 입력 변수로 사용되고, 상기 수리적 모델들(4, 10)의 출력변수들(X, X2)을 비교함으로서 얻어지는 제2 오차신호를 갖는 예열플러그(1)의 수리적 모델(10)로 이루어진 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 오차신호(e2(t))는 두 출력변수들(X, X2) 간의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 두 개의 수리적 모델들(4, 10)은 동일한 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 오차신호(e2(t))와 상기 설정값(Rset)은 특성치족을 이용하여 설정값(Rset)의 보정을 결정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력변수를 계산하기 위해서, 상기 제1 오차신호(e1(t))는 첨가방식으로 상기 실효전압(Ueff) 값과 결합되는 것을 특징으로 하는 예열플러그의 온도제어방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 작동방법에 상기 예열플러그 제어 유닛이 적용되는 것을 특징으로 하는 예열플러그 제어 유닛.
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