KR20150005177A - Ｐｉｄ 제어 속도 제한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PID 제어 속도 제한 시스템에 관한 것으로, 제한 속도를 설정하는 설정부; 차량의 전자 계통을 제어하는 ECU(Electric Control Unit); 비례 제어, 비례 적분 제어 및 비례 미분 제어를 조합하여, 상기 설정부에서 설정된 제한 속도로 상기 ECU를 제어하는 PID(Proportional Integral and Derivative) 제어기;를 포함하여 구성된다.

Description

ＰＩＤ 제어 속도 제한 시스템{SPEED LIMIT SYSTEM USING PROPORTIONAL INTEGRAL AND DERIVATIVE CONTROL}

본 발명의 실시예는 PID 제어 속도 제한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제한 속도로의 제어 시에 불필요한 RPM의 상승을 제한한 PID 제어 속도 제한 시스템에 관한 것이다.

일반적인 승용 차량은 운전자가 가속 페달을 조절하여 원하는 속도에 이르도록 하나, 휠로더(Wheel loader)와 같은 건설 장비 차량은 일정한 저속의 범위 내에서 운용된다.

한편, 차량의 연비는 자동차 제조업체나 소비자 그리고 환경적인 측면에서 매우 큰 이슈가 되고 있다.

그럼에도, 일반적으로 건설 장비 등의 저속 차량은 운전자가 가속 페달을 조절하는 정도에 따라 자유롭게 속도가 조절되므로, 불필요한 속도 실현을 위한 RPM 과다 상승으로 연비가 하락하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사용자가 제한 속도를 설정함에 따라 PID 제어를 통해 상기 설정된 제한 속도에 가장 적합한 Kp, Ki, Kd 값을 조합하여 ECU를 제어하도록 하며, 제한 속도에 도달 시에 RPM의 오버슛(Overshoot)과 노이즈(Noise)를 방지하여, 불필요한 RPM의 상승을 제한하고자 한다.

또한, 본 발명은 제한 속도 도달 시간의 제어가 가능하도록 하여, 안정된 승차감을 제공하고, 지역별, 도로별, 상황별 특색에 따른 속도 제어가 가능하도록 하고자 한다.

전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 PID 제어 속도 제한 시스템은 제한 속도를 설정하는 설정부; 차량의 전자 계통을 제어하는 ECU(Electric Control Unit); 비례 제어, 비례 적분 제어 및 비례 미분 제어를 조합하여, 상기 설정부에서 설정된 제한 속도로 상기 ECU를 제어하는 PID(Proportional Integral and Derivative) 제어기;를 포함하여 구성된다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PID 제어기는 하기의 수학식 1을 이용해 제어한다.

[수학식 1]

(이때, MV(t)는 제어값,

는 비례항,

는 적분항,

는 미분항이고, e(t)는 편차,

는 편차의 누적값,

는 전회 편차와의 차이고, Kp는 비례항의 파라메터 값, Ki는 적분항의 파라메터 값, Kd는 미분항의 파라메터 값임.)

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 설정부는 상기 비례항의 파라메터 값인 Kp, 적분항의 파라메터 값인 Ki 및 미분항의 파라메터 값인 Kd를 입력 받는다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 비례항의 파라메터 값인 Kp는 1.4이고, 상기 적분항의 파라메터 값인 Ki는 0.01이고, 상기 미분항의 파라메터 값인 Kd는 0이다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 설정부는 상기 제한 속도가 20km/h로 기본 설정된다.

본 발명에 따르면 사용자가 제한 속도를 설정함에 따라 PID 제어를 통해 상기 설정된 제한 속도에 가장 적합한 Kp, Ki, Kd 값을 조합하여 ECU를 제어하도록 하여, 제한 속도에 도달 시에 RPM의 오버슛과 노이즈를 방지하여, 불필요한 RPM의 상승을 제한할 수 있다.

그에 따라, 본 발명에 따르면 제한 속도 도달 시간의 제어가 가능하며, 안정된 승차감을 제공할 수 있으며, 지역별, 도로별, 상황별 특색에 따른 속도 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어 속도 제한 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어 속도제한 시스템 의 PID 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 PID 제어 속도 제한 시스템에 따른 출력 스피드(510)를 제한하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어 속도 제한 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어 속도 제한 시스템의 구성을 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어 속도 제한 시스템은 설정부(110), PID(Proportional Integral and Derivative) 제어기(120) 및 ECU(Electric Control Unit: 130)를 포함하여 구성된다.

설정부(110)는 제한 속도를 설정한다.

ECU(130)는 차량의 전자 계통을 제어한다.

PID 제어기(120)는 피드백(feedback)제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산한다.

PID 제어기(120)는 아래의 수학식 1과 같이 3개의 항을 더하여 제어값(MV:manipulated variable)을 계산하도록 구성이 되어 있다.

[수학식 1]

이 항들은 각각 오차값, 오차값의 적분(integral), 오차값의 미분(derivative)에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기 (Proportional?ntegral?erivative controller)라는 명칭을 가진다.

보다 상세하게 설명하면,

는 비례항으로서, 현재 상태에서의 오차값의 크기에 비례한 제어작용을 한다.

또한,

는 적분항으로서 정상상태(steady-state) 오차를 없애는 작용을 하며,

는 미분항으로서, 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛(overshoot)을 줄이고 안정성(stability)을 향상시킨다.

상기 수학식 1에서 제어 파라메터

를 이득값 혹은 게인(gain)이라하고, 적절한 이득값을 수학적 혹은 실험적/경험적 방법을 통해 계산하는 과정을 튜닝(tuning)이라고 한다.

이와 같이 PID 제어기(120)는 비례 제어, 비례 적분 제어 및 비례 미분 제어를 조합하여, 상기 설정부(110)에서 설정된 제한 속도로 상기 ECU(130)를 제어한다.

즉, 본 발명에 따르면 설정부(110)에서 사용자가 제한 속도를 설정함에 따라 PID 제어기(120)가 상기 설정된 제한 속도에 가장 적합한 Kp, Ki, Kd 값을 조합하여 ECU(130)를 제어하며, 제한 속도에 도달 시에 RPM의 오버슛(Overshoot)과 노이즈(Noise)를 방지하여, 불필요한 RPM의 상승을 제한 할 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어 속도제한 시스템 의 PID 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

도 2는 비례항의 파라메터 값인 Kp를 변화시킨 그래프를 도시하고 있고, 도 3은 적분항의 파라메터 값인 Ki를 변화시킨 그래프를 도시하고 있으며, 도 4는 미분항의 파라메터 값인 Kd를 변화시킨 그래프를 도시하고 있다.

도 2 내지 도 4의 가로측은 시간(초)이며, 세로축은 RPM을 나타낸다.

즉, 도 2는 Ki, Kd는 1로 고정하고, Kp를 0.5, 1 또는 2로 조정하여 오버슛(Overshoot: 210) 또는 노이즈(220)를 조절할 수 있음을 나타내고 있다.

또한, 도 3은 Kp, Kd는 1로 고정하고, Ki를 0.5, 1 또는 2로 조정하여 오버슛(Overshoot: 210) 또는 노이즈(220)를 조절할 수 있음을 나타내고 있으며, 도 4는 Kp, Ki는 1로 고정하고, Kd를 0.5, 1 또는 2로 조정하여 노이즈(220)를 조절할 수 있음을 나타내고 있다.

본 발명의 설정부(110)는 상기 비례항의 파라메터 값인 Kp, 적분항의 파라메터 값인 Ki 및 미분항의 파라메터 값인 Kd를 입력받을 수 있다.

즉, 종래에는 일정 제한 속도에 도달한 후에, 엔진 출력의 관성 작용에 의하여 RPM의 오버슛(Overshoot) 및 노이즈(noise)가 발생하였으나, 본 발명에 따르면 제한 속도에 가장 적합한 Kp, Ki, Kd 값을 조합하여, 제한 속도에 도달 시에 RPM의 오버슛과 노이즈를 방지하여, 불필요하게 RPM의 상승을 사용제한 할 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따르면 제한 속도 도달 시간의 제어가 가능하며, 안정된 승차감을 제공할 수 있다.

도 5는 본 발명의 PID 제어 속도 제한 시스템에 따른 출력 스피드(510)를 제한하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면 사용자가 제한 속도를 설정함에 따라 PID 제어를 통해 상기 설정된 제한 속도에 가장 적합한 Kp, Ki, Kd 값을 조합하여 ECU를 제어한다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PID 제어기가 12.7초 이후부터 900 RPM 미만으로 안정된 RPM을 유지하고 있다.

이때, 도 5의 실시예에서는 사용자가 설정부를 통하여 제한 속도를 20km/h로 설정함에 따라, PID가 비례항의 파라메터 값인 Kp를 1.4로, 적분항의 파라메터 값인 Ki를 0.01 및 미분항의 파라메터 값인 Kd를 0으로 최적화 하여 낮은 RPM으로 안정적으로 제어한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 사용자가 제한 속도를 설정함에 따라 PID 제어를 통해 상기 설정된 제한 속도에 가장 적합한 Kp, Ki, Kd 값을 조합하여 ECU를 제어하도록 하며, 지역별, 도로별, 상황별 특색에 따른 속도 제어가 가능하도록 한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 설정부
120: PID 제어기
130: ECU

Claims (3)

1. 제한 속도를 설정하는 설정부;
   차량의 전자 계통을 제어하는 ECU(Electric Control Unit);
   비례 제어, 비례 적분 제어 및 비례 미분 제어를 조합하여, 상기 설정부에서 설정된 제한 속도로 상기 ECU를 제어하는 PID(Proportional Integral and Derivative) 제어기;
   를 포함하는 PID 제어 속도 제한 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 PID 제어기는,
   하기의 수학식 1을 이용해 제어하는 PID 제어 속도 제한 시스템.
   [수학식 1]
   

   

   
   (이때, MV(t)는 제어값,

   

   는 비례항,

   

   는 적분항,

   

   는 미분항이고, e(t)는 편차,

   

   는 편차의 누적값,

   

   는 전회 편차와의 차이고, Kp는 비례항의 파라메터 값, Ki는 적분항의 파라메터 값, Kd는 미분항의 파라메터 값임.)
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 설정부는,
   상기 비례항의 파라메터 값인 Kp, 적분항의 파라메터 값인 Ki 및 미분항의 파라메터 값인 Kd를 입력 받는 PID 제어 속도 제한 시스템.
   

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