KR20140015571A - 시험 벤치용 유체역학적 토크 생성기, 및 이의 제어 방법 - Google Patents

시험 벤치용 유체역학적 토크 생성기, 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

시험 장치용 유체역학적 토크 생성기(3)는 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며, 이들 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 하나 이상의 제어 장치를 갖는다.
제어 장치 내에서 개방-루프 전방-공급 제어기 및 폐쇄-루프 피드백 제어기로 구성된 제어 시스템을 이용함으로써, 이 유형의 장치가 동적 시험 장치 내에서 사용될 수 있다.

Description

시험 벤치용 유체역학적 토크 생성기, 및 이의 제어 방법{HYDRODYNAMIC TORQUE GENERATOR FOR TEST BENCHES, AND CONTROL METHOD THEREFOR}
본 발명은 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며, 이들 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 하나 이상의 제어 장치를 갖는, 시험 장치용 유체역학적 토크 생성기 및 특히 동적 시험 장치 내에서 유체역학적 토크 생성기에 대한 제어 방법에 관한 것이다.
동적 시험 장치는 예를 들어, 객차 또는 상용 차량 내에 내연기관을 장착하는데 사용된다. 실제 차량 내에서의 측정과는 달리, 정적 시험 장치 상에서 조사 하에서 시험 대상물의 장착, 온도, 압력 등에 대한 재현가능한 조건이 보장될 수 있으며, 시간뿐만 아니라 법으로 규정된 측정을 모수화, 시험 및 취하기 위한 비용이 감소될 수 있다. 이러한 종류의 시험 장치 상에서 사용된 토크 생성기는 특정 유형으로 제한되지 않고, 예를 들어, 전기 장치, 가변 충전 수준을 갖는 유체역학적 장치가 사용될 수 있다.
빈번하게, 더 소형이고 중간 파워의 내연 기관(객차 엔진, 트럭 엔진 등)에 대한 동적 시험 장치는 시험 샤프트에 의해 시험 하에서 엔진에 연결되는 전기 장치가 장착된다. 이와 대조적으로, 빈번하게 중간 및 더 높은 파워의 내연 기관에 대한 정상-상태 측정이 전형적으로 상당히 경제적인 대안예로 구성된 전기 장치보다 더 낮은 동력 및 더 적은 제어 문제점을 갖는 유체역학적 장치에 따라 시험 장치 상에서 수행된다.
따라서, 본 발명의 목적은 동역학적 토크 생성기 및 이 종류의 장치가 동적 시험 장치 상에서 사용될 수 있도록 하는 제어 방법을 특정하는 데 있다.
이 목적을 구현하기 위하여, 본 발명에 따라서, 개방-루프 전방-공급 제어기 및 폐쇄-루프 피드백 제어기로 구성된 제어 시스템이 제어 장치 내에 제공된다. 이 종류의 설계에 따라 또한 동적 특정을 위한 매우 낮은 기계적 관성에 따라 유체역학적 장치를 사용할 수 있다.
제1 선호되는 실시 형태에 따라서, 토크 생성기에 있어서 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵의 반전을 기초로 하는 개방-루프 전방-공급 제어기는 제어 장치 내에 제공된다.
추가 실시 형태에 따라서, 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브는 제어 장치에 공동으로 결합된다. 여기서, 이에 따라 피드백 브랜치는 가장 단순한 경우에 입구 및 출구 밸브 상에서 동일한 방식으로 작동하는 단일의 매우 단순한 제어기로 구성된다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 제어 방법이 제공되는데, 토크 생성기의 충전 수준은 토크 생성기의 밸브들 중 하나 이상의 밸브의 위치를 결정하는 밀폐-루프 피드백 제어기 및 개방-루프 전방-공급 제어기에 의해 변화한다.
여기서, 선호되는 실시 형태에 있어서 하나 이상의 출구 밸브와 하나 이상의 입구 밸브의 위치는 개방-루프 전방-공급 제어기와 공동으로 폐쇄-루프 피드백 제어기에 의해 결정된다.
바람직하게는, 개방-루프 전방-공급 제어기는 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵의 반전을 기초로 한다.
본 발명에 따른 방법의 선호되는 실시 형태에 있어서, 추가로 입구 밸브와 출구 밸브의 위치는 추가 조건을 사용하여 개방-루프 전방-공급 제어기 내에서 요구된 토크로부터 계산된다.
추가 실시 형태에 따라서, 토크 생성기의 유체 온도에 대한 한계값에 대한 유착(adherence)은 추가 조건으로서 보장된다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 특히 바람직하게는 토크 생성기의 작동 지점은 시간에 맞춰 오프셋 설정될지라도 특정된 기준 값을 트래킹한다(track).
하기 기술내용에서, 본 발명은 첨부된 도면 및 선호되는 실시 형태를 기초로 보다 상세히 기술된다.
도 1은 동적 토크 생성기를 갖는 내연 기관용 동적 시험 장치를 도식적으로 도시하는 도면.
도 2는 속도(n=1000 rpm)에 대한 밸브 위치의 함수로서 유체역학적 코트 생성기에 의해 제공된 토크의 도면.
도 3은 도 2에 대한 윤곽선을 도시하는 도면.
도 4는 실질적으로 빈 토크 생성기에 따른 토크의 지연된 전개를 도시하는 도면.
도 1에 도식적으로 도시된 동적 시험 장치(dynamic test rig) 상에서, 내연 기관의 형태인 시험 대상물(1)은 시험 대상물에 토크를 가하는 하중 장치(load machine, 3)에 시험 샤프트(2)에 의해 연결된다. 본 발명에 따라서, 이 하중 장치는 유체역학적 장치이며, 이의 충전 수준 또는 충전 수준 변화는 생성된 토크를 변화시키기 위하여 하나 이상의 출구 밸브와 하나 이상의 입구 밸브에 의해 또는 하나 이상의 출구 밸브 단독에 의해 제어된다. 입구 및 출구 밸브(들)를 갖는 유체역학적 장치를 제어하기 위해 이제까지 사용된 해결방법은 주요하게 출구 밸브에 의해 토크의 밀폐-루프 제어를 제공하고 입구와 출구 사이의 온도 차이 또는 출구에서의 온도는 주요하게 입구 밸브에 의해, 이에 따라 장치를 통한 유동에 의해 영향을 받는다. 출구에서의 온도 또는 온도 차이는 자체적으로 조절되는 양이 아니고, 단지 특정된 한계가 유지될 필요가 있다. 그러나, 이들 공지된 해결방법은 충전 수준을 제한하며, 토크의 특정 증가는 대개 상당한 지연에 노출된다. 본 발명에 따라서, 개방-루프 전방-공급 제어기(open-loop feed-forward controller) 및 폐쇄-루프 피드백 제어기(closed-loop feedback controller)로 구성된 제어 시스템은 유체역학적 장치의 제어 장치 내에 제공된다. 개방-루프 전방-공급 제어기는 밸브 위치, 속도 및 생성된 토크간의 상관관계를 나타내는 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵(도 2 참조)의 반전(inversion)을 기초로 한다. 단지 유체역학적 장치에 대한 특성 맵은 한번만 기록될 필요가 있다. 정적 비-선형 특성 맵을 생성하기 위해 필요한 측정치는 "실험 계획법(Design of Experiments; DOE)"에 의해 감소될 수 있다.
입구 및 출구 밸브의 위치는 추가 조건을 사용하여 개방-루프 전방-공급 제어기 내에서 필요한 토크로부터 계산된다. 이는 필수적이며, 하나 또는 동일한 토크가 다수의 밸브 위치에 따라 구현될 수 있다. 바람직하게 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이, 입구 및 출구 밸브는 동시에 토크 및 온도 한계점에 대한 유착(adherence) 모두를 제어하기 위해 사용되며, 토크는 보다 신속히 변화할 수 있다. 예를 들어, 유체역학적 장치의 충전 수준 및 이에 따라 토크가 증가되는 경우, 그 뒤에 이는 출구 밸브를 완벽히 밀폐하고 입구 밸브를 완벽히 개방함으로써 가장 신속히 구현된다.
입구 및 출구 모두에 대한 하나의 제어기의 사용은 45° 미만의 동일한 토크에 따라 선의 기울기에 의해 촉진된다. 교란, 모델과 제어된 시스템 간의 편차, 등의 결과로서 수정은 대략 동일한 토크에 따라 선에 대해 수직으로 수행된다. 도 3에는 일정 속도에 대해 두 밸브 위치의 함수로서 유체역학적 장치의 토크가 도시된다. 필요한 토크가 구현되는 "설계 지점(design point)"으로부터 최소 거리에 따른 이들 밸브 위치는 특정 경우에 계산된다. 그 결과, 브레이크가 작동 범위의 중간에서 작동한다. 토크의 그레디언트가 이 범위에서 최대가 아닐지라도, 이 범위는 특성 맵의 기울기와 교란의 제압 간의 우수한 절충을 나타낸다. 추가로, 이에 따라 항시 유체역학적 장치를 통한 특정 유동이 보장되고, 출구에서의 온도 또는 온도 차이가 특정 제한 내에서 유지된다. 게다가, 설계 지점을 수정함으로써 유체역학적 장치를 통한 유동에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 필요한 토크와 필요한 파워가 장치의 허용가능한 한계점 미만에 있는 한 온도 제한이 보장된다.
모델과 제어된 시스템 간의 편차를 오프셋하고, 교란을 보상하기 위한 피드백 제어기의 사상은 게다가 도 3을 기초로 한다. 도 2 및 도 3에 따라서, 가능하게도 2개의 밸브는 "설계 지점"의 도입 및 이 활성화에 의해 작동 범위의 중간에서 작동된다. 한편 특정화된 한계를 유지시키기 위하여, 이 활성화는 입구와 출구 사이의 온도 차이 또는 출구에서의 수온에 따라 "설계 지점"을 편이시킴으로써 보완된다. 다른 한편, 밸브의 활성화는 토크 제어 루프에 의해 보완된다.
고정 속도의 경우, 주어진 토크에 대한 밸브 위치의 다수의 조합이 45°미만의 기울기를 갖는 선에 있다. 단지 0% 내지 100%의 밸브 위치의 경우, 이는 더 이상 이 경우가 아니다. 그러나, 게다가 유체역학적 장치는 신뢰성 있고 경제적으로 작동되지 않을 수 있기 때문에 이들 영역은 방지되어야 한다. 토크 또는 파워 제한점에서 다이나노미터(dynamometer)의 작동은 용량을 보존하지 못한다.
이에 따라 양 밸브 위치에 의해 그리고 단일의 피드백 제어기를 동시에 사용함으로써 교란과 편차를 보상할 수 있다. 정상-상태 작동 시에, 이는 밸브 위치의 다소의 변화에 의해 구현되고, 유체역학적 브레이크는 이에 따라 작동 범위의 중간에 근접하에 작동된다.
임의의 유형의 토크 생성기의 제한된 동력이 그 뒤에 토크 발생기를 형성하는 필터와 딜레이의 도입에 의해 보상될 수 있다. 예를 들어, 부분적으로 충전된 수 브레이크의 토크의 변화가 특히 더 높은 속도에서 신속히 수행될 수 있다. 유체역학적 장치가 실질적으로 비워진 경우에, 그 뒤에 충전 수준이 증가할 때 딜레이가 있다. 도 4에는 본 발명에 따라 표준 제어 시스템(S)과 제어 시스템(E)을 사용할 때 가변 속도 요구(varying speed demand, R)의 이 트래킹 거동(tracking behavior)이 도시된다.
한편, 기준의 특성이 오퍼레이션에 의해 수동 특정될 수 있고, 다른 한편 시험 사이클 동안에 미리 이미 알려졌다. 둘 모두의 경우에, 토크 생성기는 토크 생성기의 작동 지점을 변화시키고, 이에 따라 시간에 맞춰 오프셋 설정될지라도 상당히 보다 정확하게 주어진 기준을 따를 수 있도록 이 정보를 사용함으로써 토크의 변화를 위해 제조될 수 있다. 수 브레이크가 실질적으로 비워진 경우, 충전 수준은 토크 기준이 실제로 변화하기 전에 변화하기 시작할 수 있다. 이에 따라 데드 타임이 보상될 수 있다. 요구가 수동 설정되는 경우, 기준은 이러한 목적으로 지연되어야 하며, 이는 시험 장치의 실제 작동에 영향을 미치지 않는다.

Claims (9)

  1. 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브를 가지며, 이들 밸브에 결합된 밸브의 위치설정을 위한 하나 이상의 제어 장치를 갖는, 시험 장치용 유체역학적 토크 생성기(3)로서, 개방-루프 전방-공급 제어기 및 폐쇄-루프 피드백 제어기로 구성된 제어 시스템은 제어 장치 내에 제공되는 유체역학적 토크 생성기.
  2. 제1항에 있어서, 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵의 반전을 기초로 하는 개방-루프 전방-공급 제어기는 제어 장치 내에 제공되는 유체역학적 토크 생성기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 입구 밸브와 하나 이상의 출구 밸브는 제어 장치에 공동으로 결합되는 유체역학적 토크 생성기.
  4. 특히 동적 시험 장치 상에서 유체역학적 토크 생성기에 대한 제어 방법으로서,
    토크 생성기의 충전 수준은 토크 생성기의 밸브들 중 하나 이상의 밸브의 위치를 결정하는 밀폐-루프 피드백 제어기 및 개방-루프 전방-공급 제어기에 의해 변화하는 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 출구 밸브와 하나 이상의 입구 밸브의 위치는 바람직하게는 개방-루프 전방-공급 제어기와 공동으로 폐쇄-루프 피드백 제어기에 의해 결정되는 제어 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 개방-루프 전방-공급 제어기는 토크 생성기의 정적 비-선형 특성 맵의 반전을 기초로 하는 제어 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 입구 밸브와 출구 밸브의 위치는 추가 조건을 사용하여 개방-루프 전방-공급 제어기 내에서 요구된 토크로부터 계산되는 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 토크 생성기의 유체 온도에 대한 한계값에 대한 유착(adherence)은 추가 조건으로서 보장되는 제어 방법.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 토크 생성기의 작동 지점은 시간에 맞춰 오프셋 설정될지라도 특정된 기준 값을 트래킹하는 제어 방법.
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