KR20240071740A - 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서로부터 측정된 철도 차량의 횡방향 가속도를 입력받아 전달함수를 통해 제어 신호를 생성하는 컨트롤러, 에어 컴프레서, 공압을 조정하는 레귤레이터, 컨트롤러에서 생성된 제어 신호를 전달받아 추력의 크기를 제어하는 공압 서보 밸브, 철도 차량에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 추력을 발생시키는 공압 실린더, 발생한 추력의 크기를 측정하는 로드셀, 로드셀의 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 진동 제어 알고리듬으로 전송하는 트랜스미터로 구성되어, 진동 제어 알고리듬은 슬라이딩 모드 제어를 통해 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

Description

철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치 및 제어 방법 {Pneumatic Cylinder Control Device and Control Method for Vibration Suppress of Railway Vehicles}
본 발명은 철도 차량의 진동 억제를 위한 액추에이터 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센서로부터 측정된 철도 차량의 횡방향 가속도를 입력받아 전달함수를 통해 제어 신호를 생성하는 컨트롤러, 에어 컴프레서, 공압을 조정하는 레귤레이터, 컨트롤러에서 생성된 제어 신호를 전달받아 추력의 크기를 제어하는 공압 서보 밸브, 철도 차량에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 추력을 발생시키는 공압 실린더, 발생한 추력의 크기를 측정하는 로드셀, 로드셀의 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 진동 제어 알고리듬으로 전송하는 트랜스미터로 구성되어, 진동 제어 알고리듬은 슬라이딩 모드 제어를 통해 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도는 승객이나 물자를 대량으로 빠르게 운송하기 위한 궤도 시설을 일컬으며, 지면 상에 평행하게 배치된 한 쌍의 선로가 철도 차량(1)의 양 측면을 따라 대향 배치된 차륜(4) 진행 방향을 안내하여, 철도 차량(1)의 직선 또는 곡선 주행이 가능하도록 한다.
조향 장치를 통해 좌측 또는 우측으로 주행 방향을 전환하고, 차동 기어 시스템(differential gear system)을 통해 주행 방향에 따른 좌우측 회전 반경 차이만큼 양측 바퀴의 회전수를 독립적으로 제어하여 지면과의 슬립 발생을 방지할 수 있는 자동차와 달리, 철도 차량(1)에는 별도의 조향 장치가 장착되지 않으며, 양측 차륜(4)은 차축과 일체로 형성되어 동일한 속도로 회전하게 된다.
철도 차량(1)의 주행은 전진 또는 후진 방향만 제어할 수 있는 1차원의 자유도를 가지고 있으므로, 선로의 형성 방향을 따라 철도 차량(1)이 좌측 또는 우측으로 주행 방향을 전환하고, 회전 반경 차이에 따른 양측 차륜(4)의 이동 거리를 보상하기 위하여 차륜(4)의 답면(wheel tread)에는 차축의 중심을 기준으로 서로 대칭하는 형상을 이루도록 테이퍼(taper)가 형성되며, 차륜(4)이 선로로부터 이탈하는 것을 방지하기 위하여 양측 차륜(4)의 철도 차량(1) 내측 방향 답면에는 플랜지(flange)가 형성된다.
철도 차량(1)이 곡선 선로 구간에 진입할 때, 관성에 의해 주행 방향과 반대 방향으로 철도 차량(1)의 쏠림이 발생하게 되며, 차륜(4) 답면과 선로간 접촉면 위치가 변화하면서 철도 차량(1)에 횡방향 또는 높이 방향 진동을 발생시키고, 차륜(4)이 선로간 연결부에 형성된 단차를 통과할 때 철도 차량(1)으로 횡방향 또는 높이 방향 진동을 발생시킨다.
철도 차량(1)에 작용하는 횡방향 또는 높이 방향 진동은 철도 차량(1)의 승차감을 크게 저하시키므로, 차체(2)와 대차(3) 사이에는 차체(2)의 횡방향 또는 높이 방향 진동을 감쇄 제어할 수 있는 액추에이터(actuator)가 장착된다.
특히, 곡선 주로가 많이 형성된 지역의 선로와 같이 외란 발생 조건이 복잡하고 다양하게 형성되는 경우, 액추에이터를 통한 진동 제어 성능이 저하될 수 있으므로, 수동(passive) 방식의 액추에이터 대신 반능동(semi-active) 또는 능동(active) 액추에이터가 적용될 수 있으며, 반능동 또는 능동 액추에이터는 액추에이터의 제어 장치에 입력된 특정 알고리듬을 통해 제어된다.
액추에이터는 댐퍼의 구조에 따라 실린더와 피스톤에 작용하는 유체의 압력을 이용한 유압 방식과, 볼스크류를 사용하는 전동 기계식 방식 및 모터를 이용한 전자기 선형 방식으로 구분된다.
볼스크류를 사용하는 전동 기계식 방식은 작동 소음 발생 및 열에 취약한 단점을 가지고 있어, 전원 차단 등과 같은 액추에이터 작동 불량 시 액추에이터의 잠김 현상이 발생하면서 철도 차량(1)의 진동을 악화시키는 단점을 가지며, 전자기 선형 방식의 경우 액추에이터의 부피가 지나치게 크게 형성되어, 차체(2)와 대차(3) 사이의 한정된 설계 레이아웃 상에서 설치 공간을 확보하기 어려운 단점을 가진다.
따라서 유압 방식의 액추에이터를 적용하는 것이 바람직하며, 최근에 공압 실린더의 추력을 제어하는 공압 서보 밸브의 응답 성능이 향상됨에 따라, 공압 실린더 방식의 액추에이터를 통해서도 철도 차량(1)에 발생하는 진동의 감쇄를 통한 승차감 확보가 가능하게 되었다.
공압 실린더 방식의 액추에이터는 기타 방식의 액추에이터 대비 액추에이터의 소형화 및 경량화가 가능하며, 액추에이터의 유지 보수가 용이하고, 전원 차단과 같은 작동 불량 상태에서 액추에이터의 잠김 현상 발생을 방지하여, 작동 불량 상태에서도 일정 수준의 승차감을 제공하는 장점을 가진다.
이와 같이 유압 실린더 방식이 적용된 철도 차량(1)용 액추에이터로서, 한국 등록특허공보 제10-101846101호(2018.03.30.등록)에서는 철도 차량(1)의 대차(3)에 연결되는 실린더와 피스톤과 개폐 밸브 및 펌프로 이루어진 액추에이터를 제시하고 있으며, 등록특허 제10-101846101호의 액추에이터는 철도 차량(1)의 차체(2)와 대차(3)간 연결부에 장착된 실린더를 제어기를 통해 제어하여, 철도 차량(1)의 수평 방향 진동을 억제하도록 구성된다.
또한, 일본 등록특허공보 제6618474호(2019.12.11.등록)에서는 공압 실린더 방식의 액추에이터를 통해 철도 차량(1)의 높이 방향 변위를 제어하여 곡선 선로 주행 중 철도 차량(1)의 선회 방향을 따라 차체(2)를 틸팅(tilting)시킴으로써, 곡선 선로 통과 속도를 향상시키고, 직선 주로에서는 액추에이터의 작동을 정지하는 제진 장치 구조를 제안하고 있다.
위와 같은 액추에이터 제어는 주로 PID(Proportional Integral Differential) 방식을 통해 이루어지며, PID 제어는 설정값과 측정된 프로세스 값 사이의 오차값을 연속적으로 계산하여 수정할 제어값을 결정하는 제어 방식으로, 비례항과 적분항 및 미분항의 3개의 항으로 이루어진다.
비례항은 현재 상태의 오차값 크기에 비례한 제어 작용을 하고, 적분항은 정상 상태(steady-state) 오차를 제거하는 작용을 하며, 미분항은 출력의 급격한 변화를 제동하여 오버슛(overshoot) 저감을 통한 제어 안정성을 향상시킨다.
그러나 PID 제어는 액추에이터 제어 시스템에 비선형성이 존재할 경우 적용이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 외부로부터 작용하는 외란에 취약한 단점을 가지며, 실제 철도 차량(1)의 불규칙한 주행 환경으로부터 작용하는 각종 변수가 불확실성(uncertainty)으로 작용하여, 실제 주행 환경에서의 액추에이터 제어 성능과 안정성이 저하되는 단점을 가진다.
따라서 실제 철도 차량(1)의 주행 중 액추에이터 시스템 외부로부터 가해지는 다양한 외란 조건 하에서도, 철도 차량(1)에 발생하는 진동을 보다 효율적으로 감쇄하여 억제할 수 있도록 PID 제어보다 개선된 방식의 액추에이터 제어 알고리듬이 적용된 액추에이터 제어 시스템의 도입 필요성이 점차 높아지고 있다.
한국 등록특허공보 제10-101846101호 (2018.03.30. 등록) 일본 등록특허공보 제6618474호 (2019.12.11. 등록)
본 발명에서는 철도 차량의 진동 억제를 위한 액추에이터 제어 시스템 외부로부터 작용하는 외란에 취약한 PID 제어 방식을 개선하여 액추에이터 제어 시스템의 강인성을 확보함으로써, 액추에이터 제어 시스템에 외란이 작용하더라도 일정 수준의 제어 성능과 안정성을 보장하는 액추에이터 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 외란에 의해 액추에이터 자체에 비선형성이 존재하고, 제어 신호가 급격하게 증가하거나 신호 주파수의 변동 시 채터링이 발생하는 것을 방지하고, 제어 성능을 유지할 수 있는 액추에이터 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에서는 액추에이터의 소형화 및 경량화를 이루고, 액추에이터 유지 보수성을 향상시킬 수 있는 공압 실린더 방식의 액추에이터 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치는 철도 차량에 장착된 센서로부터 측정된 철도 차량의 횡방향 가속도를 입력받아, 진동 제어 알고리듬 상의 전달함수를 통해 제어 신호를 생성하는 컨트롤러; 공기를 압축하는 에어 컴프레서; 에어 컴프레서에서 생성된 압축 공기의 공압을 미리 설정된 값으로 조정하는 레귤레이터; 레귤레이터로부터 압축 공기를 공급 받으며, 컨트롤러에서 생성된 제어 신호를 전달받아 압축 공기로부터 발생하는 추력의 크기를 제어하는 공압 서보 밸브; 공압 서보 밸브로부터 공급된 압축 공기를 통해 철도 차량에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 추력을 발생시키는 공압 실린더; 공압 실린더로부터 발생한 추력의 크기를 측정하여 피드백 신호를 발생시키는 로드셀; 로드셀의 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 컨트롤러의 진동 제어 알고리듬으로 전송하는 트랜스미터;로 구성되되, 진동 제어 알고리듬은 슬라이딩 모드 제어를 통해, 제어 신호 상의 추력과 연산된 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 진동 제어 알고리듬의 전달함수는 의 수식으로 이루어지며, ma는 중량, ζf는 감쇠비, ωf는 가진주파수, s는 s도메인(s-domain)이다.
본 발명의 실시 예에 따르면 슬라이딩 모드 제어를 통해 생성된 가변 제어 신호는 의 수식으로 표현되며, K는 양의 값으로 이루어진 상수, e는 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차, sat( )은 포화 함수, η는 양의 값으로 이루어진 상수이다.
본 발명에 따른 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 방법은 철도 차량에 장착된 센서로부터 측정된 철도 차량의 횡방향 가속도를 컨트롤러로 전송하여, 컨트롤러의 진동 제어 알고리듬에 포함된 전달함수를 통해 제어 신호를 생성하는 레퍼런스 신호 생성 과정; 에어 컴프레서에서 생성된 압축 공기의 공압을 레귤레이터를 통해 미리 설정된 값으로 조정하는 압축 공기 공급 단계; 컨트롤러에서 생성된 레퍼런스 제어 신호를 전달받은 공압 서보 밸브가 레퍼런스 제어 신호에 따라 레귤레이터로부터 공급받은 압축 공기의 압력 또는 유속을 조절하여 공압 실린더의 추력 크기를 제어함으로써, 철도 차량에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 추력을 발생시키는 추력 제어 단계; 로드셀을 통해 공압 실린더로부터 발생한 추력의 크기를 측정하여 피드백 신호를 발생시키는 피드백 신호 발생 단계; 트랜스미터를 통해 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 진동 제어 알고리듬으로 전송하며, 진동 제어 알고리듬을 통해 공압 실린더에서 발생한 최종 추력의 크기를 연산하는 최종 추력 연산 단계; 진동 제어 알고리듬이 슬라이딩 모드 제어를 통해, 레퍼런스 신호 생성 과정에서 생성된 제어 신호 상의 추력과 최종 추력 연산 단계에서 연산된 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 가변 제어 신호 생성 단계;로 이루어진다.
본 발명의 실시 예에 따르면 레퍼런스 신호 생성 과정에서 제어 신호를 생성하는 진동 제어 알고리듬의 전달함수는 의 수식으로 이루어지며, ma는 중량, ζf는 감쇠비, ωf는 가진주파수, s는 s도메인(s-domain)이다.
가변 제어 신호 생성 단계에서 변형된 형태의 슬라이딩 모드 제어를 통해 가변 제어 신호를 생성하며, 변형된 형태의 슬라이딩 모드 제어로부터 생성된 가변 제어 신호는 의 수식으로 표현되고, K는 양의 값으로 이루어진 상수, e는 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차, sat( )은 포화 함수, η는 양의 값으로 이루어진 상수이다.
본 발명의 실시 예에 따르면 철도 차량 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치에 슬라이딩 모드 제어 방식을 통한 SMC 제어기를 적용함으로써, 진동 제어 알고리듬에서 출력된 제어 신호 상의 공압 실린더 추력과, 측정된 공압 실린더의 실제 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하여, 제어 시스템에 외란 작용 시 일정 수준의 진동 제어 성능과 안정성을 보장하여, 기존의 PID 방식의 진동 제어 알고리듬이 적용된 철도 차량 진동 억제 시스템 대비 강인 제어 및 비선형성으로 인한 문제를 보완 가능한 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 SMC 제어기에 포화 함수를 적용하여, 채터링 발생을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 공압 실린더 방식의 액추에이터를 통해 철도 차량 진동을 억제함으로써, 액추에이터의 소형화 및 경량화를 가능하게 하며, 액추에이터의 유지 보수성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 철도 차량의 차체와 대차간 연결부 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 철도 차량 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치의 각 구성 요소를 나타내는 도면이다.
도 3은 공압 실린더에 장착된 로드셀의 위치를 나타내는 도면이다.
도 4a와 도 4b는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 사인 함수와 포화 함수가 적용된 SMC 제어기의 슬라이딩 모드 제어 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 각각 유럽 표준 EN 12299 규격에 따른 승차감 지수에서, 철도 차량의 좌석 등받이에 작용하는 수평 방향 진동 주파수 가중치와, 철도 차량의 바닥면 또는 좌석 시트면에 작용하는 수직 방향 진동 주파수 가중치를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다.
그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치는 도 1에서 도시하는 철도 차량(1)의 주행 중 발생하는 차체(2)의 횡방향 진동이나 높이 방향 진동을 억제하여 철도 차량(1)의 주행 안정성과 승차감을 향상시키 위해 차체(2)와 대차(3) 사이에 장착되는 액추에이터에 적용되며, 특히 실린더 내부에 공급된 공기의 압력을 통해 피스톤에 추력을 발생시켜 철도 차량(1)의 진동을 감쇄하는 공압 실린더(50) 방식의 능동형 액추에이터 제어에 적용된다.
도 2에서 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 능동형 액추에이터는 컨트롤러(10)와, 에어 컴프레서(air compressor,20)와, 레귤레이터(regulator,30)와, 공압 서보 밸브(pneumatic servo valve,40)와, 공압 실린더(pneumatic cylinder,50)와, 로드셀(loadcell,60) 및 트랜스미터(transmitter,70)로 구성된다.
에어 컴프레서(20)는 모터에 의해 구동되는 펌프를 통해 에어 탱크 내부에 공기를 압축하여 저장하며, 액추에이터의 원활한 작동을 위해 충분한 공압 실린더(50) 추력을 제공하기 위하여, 에어 탱크 내부에는 6bar 이상의 압력을 형성하게 된다.
에어 컴프레서(20)의 에어 탱크는 압축 공기 공급 라인을 통해 레귤레이터(30)와 공압 서보 밸브(40) 및 공압 실린더(50)와 순차적으로 연결되며, 에어 컴프레서(20)에서 생성된 압축 공기의 공압이 변화됨에 따라 공압 실린더(50)의 추력이 불규칙하게 형성되면서 철도 차량(1)의 진동을 억제 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여,
레귤레이터(30)는 압축 공기 공급 라인을 따라 에어 탱크로부터 전달된 압축 공기의 압력 크기를 레귤레이터(30) 미리 설정된 수치에 따라 균일하게 조정하여 공압 서보 밸브(40)에 공급한다.
공압 서보 밸브(40)는 제어 신호를 포함하는 신호가 전압 신호 형태로 전달되는 전압 신호 전송 라인을 통해 컨트롤러(10)와 연결되어, 컨트롤러(10)로부터 전송된 제어 신호를 수신하며, 컨트롤러(10)의 제어 신호에 따라 레귤레이터(30)로부터 공급 받아 공압 실린더(50)의 실린더 내부로 전달되는 압축 공기의 압력 또는 유량을 조정함으로써, 공압 실린더(50)에서 발생하는 추력의 크기를 제어한다.
공압 실린더(50) 실린더 내부에 공급된 압축 공기의 압력은 실린더에 연결된 피스톤에 추력을 발생시키며, 공압 실린더(50)의 추력은 철도 차량(1)에 작용하는 횡방향 또는 높이 방향 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 작용하고, 피스톤에서 발생하는 추력의 크기는 공압 서보 밸브(40)로부터 조절되어 제공된 압력의 크기에 비례하도록 형성된다.
공압 실린더(50)의 피스톤 축 방향을 철도 차량(1)의 좌우측 너비 방향을 향하도록 배치하는 경우 철도 차량(1)의 차체(2)에 작용하는 횡방향 진동을 억제할 수 있으며, 공압 실린더(50)의 피스톤 축 방향을 철도 차량(1)의 상하 높이 방향을 향하도록 배치하는 경우 철도 차량(1)의 차체(2)에 작용하는 높이 방향 진동을 억제할 수 있다.
공압 서보 밸브(40)의 응답성이 개선되면서 공압 실린더(50)의 추력 제어 속도가 크게 증가함에 따라, 철도 차량(1)의 진동 억제를 위한 액추에이터에 공압 실린더(50)를 적용할 수 있게 되었으며, 공압 실린더(50)는 높은 추력을 가짐과 동시에 전자기 선형 액추에이터 대비 크기 및 무게가 작게 형성되어, 액추에이터의 소형화 및 경량화에 유리하고, 유지 보수가 용이한 장점을 가진다.
공압 실린더(50)에는 공압 실린더(50)로부터 발생한 추력의 크기를 측정하는 로드셀(60)이 연결되며, 로드셀(60)은 공압 실린더(50)의 피스톤 끝단에 연결되거나, 또는 도 3에서 도시하는 바와 같이 피스톤 연결부 반대측 방향의 공압 실린더(50) 본체 표면에 연결될 수 있다.
이때, 로드셀(60)이 공압 실린더(50)의 피스톤 끝단에 연결되도록 구성되는 경우, 철도 차량(1)에 공압 실린더(50)와 로드셀(60)을 장착하는 과정에서 피스톤의 위치에 따라 로드셀(60)의 장착 난이도가 높아지게 되므로, 로드셀(60)은 피스톤 연결부 반대측 방향의 공압 실린더(50) 본체 표면에 연결되도록 구성하여, 액추에이터 장착 공정에서 로드셀(60)의 조립 난이도를 낮추는 것이 바람직하다.
로드셀(60)은 전압 신호 전송 라인으로 연결된 트랜스미터(70)를 통해 컨트롤러(10)와 간접 연결되며, 로드셀(60)로부터 측정된 공압 실린더(50)의 추력값 데이터인 피드백 신호는 트랜스미터(70)에 의해 전압 신호 형태로 변환되어 컨트롤러(10)로 전송된다.
트랜스미터(70)에는 노이즈 필터(noise filter)가 포함될 수 있으며, 노이즈 필터는 컨트롤러(10)로 전송되는 전압 신호로부터 교류(alternating current) 전원에 의해 발생한 전원 노이즈를 저감하여, 트랜스미터(70)를 통해 전송받은 데이터를 기반으로 컨트롤러(10)에서 공압 실린더(50)에서 발생한 최종 추력의 크기를 연산할 때, 전원 노이즈에 의한 연산 오차 발생을 방지한다.
컨트롤러(10)에는 트랜스미터(70)를 통해 전송받은 데이터를 계산하고, 철도 차량(1)에 장착된 센서로부터 측정된 철도 차량(1)의 횡방향 가속도를 입력받아 공압 서보 밸브(40)의 제어 신호를 생성하기 위한 연산이 이루어지는 진동 제어 알고리듬이 포함된다.
진동 제어 알고리듬에는, 센서로부터 측정된 철도 차량(1)의 횡방향 가속도 데이터를 입력하면 제어 신호가 계산되어 생성 및 출력되는 전달함수와, 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control,SMC)를 통해 전달함수에서 출력된 제어 신호 상의 추력 및 로드셀(60)에서 측정되어 컨트롤러(10)에서 연산된 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 SMC 제어기가 포함된다.
전달함수는 C언어나 Labview 또는 이와 유사한 프로그래밍 언어로 작성되며, 실시간 프로세서(real-time processor)가 탑재된 DSP(Digital Signal Processing) 장치를 활용하여, 전달함수를 통한 제어 신호의 샘플링 및 계산이 빠른 속도로 이루어지도록 한다.
전달함수(transfer function)는 출력 신호와 입력 신호의 라플라스 변환법에 의한 비율로 정의되며, 본 발명의 진동 제어 알고리듬에 적용된 전달함수는 아래의 수학식 1과 같은 수식으로 이루어진다.
이때, ma는 철도 차량(1)의 중량, ζf는 감쇠비, ωf는 가진주파수(excitation frequency), s는 라플라스 변환의 s 도메인(s-domain) 값을 의미하며, 전달함수의 분자와 분모는 각각 입력 신호측과 출력 신호측이 된다.
공압 서보 밸브(40)는 모터를 통해 밸브의 위치를 이동하면서 압축 공기의 압력이나 유속을 제어하는 spring-mass-damper 방식의 2차 시스템이므로, 모델의 차수 또한 2차로 형성된다.
전달함수에 입력된 철도 차량(1)의 횡방향 가속도 데이터는 공압 서보 밸브(40)의 제어 신호로 계산되어 출력되며, 제어 신호는 공압 실린더(50)의 추력을 발생시키기 위한 공압 서보 밸브(40)의 제어력 크기 값을 가지게 된다.
또한, 일반적으로 슬라이딩 모드 제어는 비선형 제어 시스템에 제어계의 상태를 혼란시키는 외란(disturbance)이 작용하면서 비선형 제어 시스템에 불확실성이 발생하더라도, 일정 수준의 제어 성능과 안정성을 보장해주는 강인 제어(robust control)가 가능하도록 하며, 본 발명에 따른 철도 차량(1) 진동 억제를 위한 공압 실린더(50) 제어 장치에서 슬라이딩 모드 제어는, 전달함수에서 출력된 제어 신호 상의 공압 실린더(50) 추력과, 로드셀(60)로부터 측정되어 컨트롤러(10)에서 연산된 최종 추력, 즉 공압 실린더(50)의 실제 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 SMC 제어기로서 작동하게 된다.
일반적으로 슬라이딩 모드 제어를 통해 생성된 가변 제어 신호는 아래의 수학식 2와 같은 수식으로 표현되며, K는 양의 값으로 이루어진 상수, sgn( )은 부호를 판별하는 사인(sign) 함수, s는 슬라이딩 모드 제어의 슬라이딩 서페이스(sliding surface)를 의미한다.
상수 K는 제어 장치를 구축하는 초기 단계에서 설정하는 제어기 튜닝 상수 값을 의미하며, 액추에이터의 성능을 보정하거나 수정하기 위한 필요에 의해 그 값을 변경하는 경우가 아닌 이상, 초기에 설정된 값을 유지하게 된다.
슬라이딩 서페이스는 비선형 제어 시스템에 발생한 외란과 불확실성과 무관하게 제어 신호가 특정 값으로 수렴할 수 있도록 하여, SMC 제어기 제어 성능과 안정성을 향상시키며, 아래의 수학식 3과 같은 수식으로부터 유도된다.
슬라이딩 서페이스 유도 수식에서 C는 양의 값으로 이루어진 상수, e는 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차, n은 제어하고자 하는 시스템 모델 차수를 의미하며, 공압 서보 밸브(40)에 의해 제어되는 공압 실린더(50)는 2차 시스템으로 구성되므로, n값은 2가 된다.
이때, 오차 계산의 기준이 되는 지령 제어 신호가 급격하게 증가하거나, 제어 신호의 주파수가 변화하는 경우, 그리고 지나치게 높은 상수값이 지정되어 있는 경우, 사인(sign) 함수가 적용된 SMC 제어기에 의해 생성된 가변 제어 신호 편차가 증가하는 채터링(chattering) 현상이 발생할 수 있으며, 채터링을 방지하기 위해서는 가변 제어 신호를 계산하기 위한 양의 상수 K 또는 양의 상수 C값의 재조정이 이루어질 필요가 있다.
상수 K 또는 C값의 조정은 진동 제어 알고리듬에 포함된 SMC 제어기의 프로그래밍 언어 수정을 통해 이루어지는 불편함이 있으며, 상수 K 또는 C값의 조정이 이루어지지 않는 경우 제어 신호의 불확실성이 증가하면서 공압 서보 밸브(40)를 통한 공압 실린더(50)의 제어 성능이 저하될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 철도 차량(1) 진동 억제를 위한 공압 실린더(50) 제어 장치에서는, SMC 제어기의 가변 제어 신호에서 사인(sign) 함수 대신, 아래의 수학식 4와 같이 표현되는 포화(saturation) 함수를 적용하여, 변형된 형태의 SMC 제어기를 통해 가변 제어 신호를 생성하게 된다.
포화(saturation) 함수가 적용된 변형된 형태의 SMC 제어기의 가변 제어 신호에서, K는 양의 값으로 이루어진 상수, e는 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차, sat( )은 포화 함수, η는 양의 값으로 이루어진 상수를 의미하며, 본 발명의 공압 실린더(50) 제어 장치는 2차 시스템으로 구성되므로, n값은 2가 된다.
상수 η는 제어 장치를 구축하는 초기 단계에서 설정하는 제어기 튜닝 상수 값을 의미하며, 액추에이터의 성능을 보정하거나 수정하기 위한 필요에 의해 그 값을 변경하는 경우가 아닌 이상, 상수 K와 마찬가지로 초기에 설정된 값을 유지하게 된다.
일반적인 SMC 제어기의 경우 주로 사인(sign) 함수가 적용되는데, 사인(sign) 함수가 적용된 SMC 제어기는 경우, 사인(sign) 함수의 x축이 0인 지점에서 y축의 값이 -1과 1사이에서 불연속점이 발생하게 되어, 사인(sign) 함수의 불연속점에 의한 과도한 응답을 발생시켜 채터링 현상 발생의 원인이 되므로, 본 발명의 실시 예에 따른 SMC 제어기에는 x축이 0인 지점에서 y축의 값이 연속되는 포화 함수를 대신 적용함으로써, 채터링 발생을 방지하는 효과를 가지게 된다.
이에 따라 사인 함수가 적용된 SMC 제어기의 가변 제어 신호와 달리 초기에 가변 제어 신호의 상수 K와 η 값이 적절한 수치로 설정된 경우, 상수 K 또는 η 값을 재조정하지 않더라도 공압 서보 밸브(40)를 통한 공압 실린더(50)의 제어 성능을 유지할 수 있도록 한다.
상수 K와 상수 η의 초기 값 설정은 값 보정 작업을 반복하는 trail & error 방식을 통해 도출하게 되며, 보다 구체적으로
ⅰ) 공압 실린더(50) 기반의 제어 장치를 구축하는 과정(S100)
ⅱ) 도 3에서 도시하는 바와 같이 공압 실린더(50)와 로드셀(60)이 설치되는 지그 환경을 구축하는 과정(S110)
ⅲ) 제어에 필요한 최소 요구 추력의 진폭, 예를 들어 500N 이상의 추력을 가지는 사인파를 레퍼런스 신호로 사용하는 과정(S120)
ⅳ) 컨트롤러(10)에 의해 생성되는 제어 신호 전압이 0.1V 이하로 형성될 수 있도록 충분히 작은 크기의 값, 예를 들어 1 정도 크기의 값으로 상수 K와 η의 초기 값을 설정하는 과정(S130)
ⅴ) 1Hz부터 8Hz까지 레퍼런스 신호의 주파수를 변화시키면서, 입력 추력 신호 대비 로드셀(60) 측정 값의 추종성을 확인하는 과정(S140)
ⅵ) 주파수 변화가 발생하는 경우에도 레퍼런스 신호를 잘 추종할 수 있는 상수 K값을 찾아 조정하는 과정(S150)
ⅶ) 8Hz의 레퍼런스 신호에서 추종성을 확인한 후, 이 때의 K 및 η값을 기반으로 1Hz의 레퍼런스 신호에서의 추종성을 재확인하는 과정(S160)
ⅷ) 추종성이 낮은 경우 S140 과정 내지 S160 과정을 반복 수행하는 과정(S170)
으로 이루어질 수 있다.
이때, 지나치게 큰 크기의 상수 K 및 η값은 제어기의 안정성을 저하시킬 수 있으므로, 필요 이상의 크기 값은 지양하는 것이 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 각각 사인 함수가 적용된 SMC 제어기의 가변 제어 신호와, 본 발명에 따른 포화 함수가 적용된 SMC 제어기의 가변 제어 신호의 SMC 제어기 흐름도를 나타낸다.
위와 같이 구성되는 본 발명에 따른 철도 차량(1)의 진동 억제를 위한 공압 실린더(50) 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
레퍼런스 신호 생성 과정(S1)에서는 철도 차량(1)에 장착된 센서로부터 측정된 철도 차량(1)의 횡방향 가속도를 컨트롤러(10)로 전송하여, 컨트롤러(10)의 진동 제어 알고리듬에 포함된 전달함수에 입력함으로써, SMC 제어기를 통한 가변 제어 신호를 생성하기 위한 오차 계산의 기준이 되는 지령 제어 신호인 레퍼런스(reference) 제어 신호를 생성한다.
압축 공기 공급 단계(S2)에서는 에어 컴프레서(20)의 펌프를 통해 에어 탱크 내부에 압축 공기를 저장하고, 에어 탱크에 저장된 압축 공기를 압축 공기 공급 라인을 통해 레귤레이터(30)에 공급하여, 레귤레이터(30)에 미리 설정된 압력 값으로 공급된 압축 공기의 압력 크기를 조정한다.
추력 제어 단계(S3)에서는 컨트롤러(10)로부터 레퍼런스 제어 신호를 전달받은 공압 서보 밸브(40)가 레퍼런스 제어 신호에 따라 레귤레이터(30)로부터 공급받은 압축 공기의 압력 또는 유속을 조절하게 되며, 레귤레이터(30)로부터 공압 서보 밸브(40)에 공급된 압축 공기의 압력 크기가 균일하게 유지되므로, 공압 서보 밸브(40)를 통한 공압 실린더(50)의 추력 크기 제어 정밀성을 향상시키게 된다.
공압 서보 밸브(40)의 추력 제어에 의해 공압 실린더(50)에서는 철도 차량(1)에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향의 추력을 발생시킨다.
피드백 신호 발생 단계(S4)에서는 로드셀(60)을 통해 공압 실린더(50)로부터 발생한 실제 추력인 최종 추력의 크기를 측정하며, 로드셀(60)에서 측정된 최종 추력의 크기는 피드백 신호 형태로 발생하게 된다.
최종 추력 연산 단계(S5)에서는 피드백 신호 발생 단계(S4)에서 생성된 로드셀(60)의 피드백 신호를 전압 신호 전송 라인을 통해 로드셀(60)과 연결된 트랜스미터(70)가 전송받으며, 트랜스미터(70)는 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 전압 신호 전송 라인을 통해 컨트롤러(10)로 전송한다.
가변 제어 신호 생성 단계(S6)에서는 진동 제어 알고리듬이 트랜스미터(70)로부터 수신한 피드백 신호의 변환 전압 신호를 연산하여 공압 실린더(50)에서 발생한 최종 추력의 크기를 특정하며, 진동 제어 알고리듬의 SMC 제어기를 통해, 레퍼런스 신호 생성 과정에(S1)서 생성된 제어 신호 상의 추력과 최종 추력 연산 단계(S5)에서 연산된 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하게 된다.
이후, 레퍼런스 신호 생성 과정에(S1) 내지 가변 제어 신호 생성 단계(S6)를 순차적으로 반복 수행하면서 슬라이딩 모드 제어를 기반으로 하는 철도 차량(1)의 진동 억제를 위한 공압 실린더(50) 제어가 연속적으로 이루어지며, 특정 반복 수행 회차(n회차)에서 SMC 제어기를 통해 생성된 가변 제어 신호는 차회 반복 수행 회차(n+1회차)에서의 레퍼런스 제어 신호를 구성하게 된다.
가변 제어 신호 생성 단계(S6)에서 SMC 제어기는 도 4b에서 도시하는 바와 같이 포화 함수로 구성될 수 있으며, 상술한 바와 같이 포화 함수로 SMC 제어기 구성함에 따라 채터링 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 철도 차량(1)의 진동 억제를 위한 공압 실린더(50) 제어를 통해, 철도 차량(1)에 작용하는 0~8Hz 주파수 범위 내의 진동을 감쇄할 수 있으며, 유럽 표준 EN 12299(RAILWAY APPLICATIONS, RIDE COMFORT FOR PASSENGERS, MEASUREMENT AND EVALUATION) 규격에 따른 철도 차량(1)의 승차감 지수에서는 도 5 및 도 6에 도시된 그래프에 따라 횡방향 또는 높이 방향 진동에 대한 승차감을 평가하게 된다.
도 5의 그래프는 철도 차량(1)의 좌석 등받이에 작용하는 수평 방향 진동 주파수 가중치를 나타내며, 1~6Hz 범위 내의 진동 주파수에 높은 가중치가 적용되어, 1~6Hz 범위의 수평 방향 진동이 철도 차량(1)의 승차감에 높은 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 6의 그래프는 철도 차량(1)의 바닥면 또는 좌석 시트면에 작용하는 수직 방향 진동 주파수 가중치를 나타내며, 0.8~2Hz 범위 내에서 진동 주파수에 높은 가중치가 적용되어, 0.8~2Hz 범위의 수직 방향 진동이 철도 차량(1)의 승차감에 높은 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 철도 차량(1)의 진동 억제를 위한 공압 실린더(50) 제어 장치 구성 및 진동 제어 알고리듬의 SMC 제어기에 의해 생성된 가변 제어 신호는, 0~8Hz 주파수 범위 내에서 발생한 철도 차량(1)의 횡방향 또는 높이 방향 진동을 감쇄할 수 있으며, 이와 같은 감쇄 가능 주파수 범위는 유럽 표준 EN 12299의 수평 및 수직 방향 진동 주파수 가중치 범위를 모두 만족한다.
이에 따라 본 발명의 공압 실린더(50) 제어 장치 및 제어 방법은 철도 차량(1)에 발생하는 횡방향 및 높이 방향 진동을 효과적으로 억제하여, 승차감 개선을 이룰 수 있도록 한다.
상기 내용을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 철도 차량 2: 차체
3: 대차 4: 차륜
10: 컨트롤러 20: 에어 컴프레서
30: 레귤레이터 40: 공압 서보 밸브
50: 공압 실린더 60: 로드셀
70: 트랜스미터

Claims (6)

  1. 철도 차량(1)에 장착된 센서로부터 측정된 철도 차량(1)의 횡방향 가속도를 입력받아, 진동 제어 알고리듬 상의 전달함수를 통해 제어 신호를 생성하는 컨트롤러(10);
    공기를 압축하는 에어 컴프레서(20);
    에어 컴프레서(20)에서 생성된 압축 공기의 공압을 미리 설정된 값으로 조정하는 레귤레이터(30);
    레귤레이터(30)로부터 압축 공기를 공급 받으며, 컨트롤러(10)에서 생성된 제어 신호를 전달받아 압축 공기로부터 발생하는 추력의 크기를 제어하는 공압 서보 밸브(40);
    공압 서보 밸브(40)로부터 공급된 압축 공기를 통해 철도 차량(1)에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 추력을 발생시키는 공압 실린더(50);
    공압 실린더(50)로부터 발생한 추력의 크기를 측정하여 피드백 신호를 발생시키는 로드셀(60);
    로드셀(60)의 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 컨트롤러의 진동 제어 알고리듬으로 전송하는 트랜스미터(70);
    로 구성되되,
    진동 제어 알고리듬은 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control)를 통해, 제어 신호 상의 추력과 연산된 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    진동 제어 알고리듬의 전달함수는

    의 수식으로 이루어지며,
    ma는 중량, ζf는 감쇠비, ωf는 가진주파수, s는 s도메인(s-domain)인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    슬라이딩 모드 제어를 통해 생성된 가변 제어 신호는

    의 수식으로 표현되며,
    K는 양의 값으로 이루어진 상수, e는 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차, sat( )은 포화 함수, η는 양의 값으로 이루어진 상수인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 장치.
  4. 철도 차량(1)에 장착된 센서로부터 측정된 철도 차량(1)의 횡방향 가속도를 컨트롤러(10)로 전송하여, 컨트롤러(10)의 진동 제어 알고리듬에 포함된 전달함수를 통해 제어 신호를 생성하는 레퍼런스 신호 생성 과정(S1);
    에어 컴프레서(20)에서 생성된 압축 공기의 공압을 레귤레이터(30)를 통해 미리 설정된 값으로 조정하는 압축 공기 공급 단계(S2);
    컨트롤러(10)에서 생성된 레퍼런스 제어 신호를 전달받은 공압 서보 밸브(40)가 레퍼런스 제어 신호에 따라 레귤레이터(30)로부터 공급받은 압축 공기의 압력 또는 유속을 조절하여 공압 실린더(50)의 추력 크기를 제어함으로써, 철도 차량(1)에 작용하는 진동을 억제하는 크기 및 방향으로 추력을 발생시키는 추력 제어 단계(S3);
    로드셀(60)을 통해 공압 실린더(50)로부터 발생한 추력의 크기를 측정하여 피드백 신호를 발생시키는 피드백 신호 발생 단계(S4);
    트랜스미터(70)를 통해 피드백 신호를 전압 신호로 변환하여 진동 제어 알고리듬으로 전송하며, 진동 제어 알고리듬을 통해 공압 실린더(50)에서 발생한 최종 추력의 크기를 연산하는 최종 추력 연산 단계(S5);
    진동 제어 알고리듬이 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control)를 통해, 레퍼런스 신호 생성 과정에(S1)서 생성된 제어 신호 상의 추력과 최종 추력 연산 단계(S5)에서 연산된 최종 추력간 오차로부터 가변 제어 신호를 생성하는 가변 제어 신호 생성 단계(S6);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    레퍼런스 신호 생성 과정(S1)에서 제어 신호를 생성하는 진동 제어 알고리듬의 전달함수는

    의 수식으로 이루어지며, ma는 중량, ζf는 감쇠비, ωf는 가진주파수, s는 s도메인(s-domain)인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    가변 제어 신호 생성 단계(S1)에서 변형된 형태의 슬라이딩 모드 제어를 통해 가변 제어 신호를 생성하며, 변형된 형태의 슬라이딩 모드 제어로부터 생성된 가변 제어 신호는

    의 수식으로 표현되고,
    K는 양의 값으로 이루어진 상수, e는 제어 신호 상의 추력과 최종 추력간 오차, sat( )은 포화 함수, η는 양의 값으로 이루어진 상수인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제를 위한 공압 실린더 제어 방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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