WO2016080613A1 - 디지털 가버너 제어장치의 pid 게인의 오토튜닝 방법 - Google Patents

디지털 가버너 제어장치의 pid 게인의 오토튜닝 방법 Download PDF

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WO2016080613A1
WO2016080613A1 PCT/KR2015/005778 KR2015005778W WO2016080613A1 WO 2016080613 A1 WO2016080613 A1 WO 2016080613A1 KR 2015005778 W KR2015005778 W KR 2015005778W WO 2016080613 A1 WO2016080613 A1 WO 2016080613A1
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WO
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gain
pid
hunting
engine
rotation speed
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PCT/KR2015/005778
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Inventor
심동섭
오승욱
Original Assignee
가나콘트롤이엔지(주)
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a method of autotuning PID gains of a digital governor control device, and more particularly, to a method of autotuning PID gains of a digital governor control device capable of stably autotuning PID gains on a system. It is about.
  • the analog governors used in the early days used analog components such as R (resistor), L (inductor), and C (capacitor). Therefore, even when parts of the same value were used, the output characteristics were changed by the tolerance value of each part. In addition, the output characteristics also changed according to climate change such as temperature and humidity.
  • the digital governor must adjust the fuel injection amount by correcting the PID gain of the PID controller even if the generator is the same type due to the deviation caused by the actuator's state characteristics and the generator assembly.
  • the digital governor has a keypad or dial for adjusting PID gains.
  • the present invention is to propose a method of autotuning the PID gain of the digital governor control device capable of autotuning the PID gain of the PID controller without a separate keypad or dial operation do.
  • the step of initial setting the PID gain using the control signal output from the PID controller to the actuator to obtain the maximum rotation speed and the maximum rotation speed of the engine ( a); (B) executing PID control so that the rotation speed of the engine falls within a preset target speed using the initially set PID gains; (C) determining whether hunting occurs when the difference between the target speed and the rotational speed of the engine according to the PID control exceeds a preset reference value; If it is determined that the hunting has not occurred, setting the PID gain by multiplying the gain variable, increasing the gain variable until the hunting occurs, and repeating the steps (b) to (d) ( d); And resetting the PID gain by substituting the Zigler-Nichols tuning equation with a hunting period of the gain variable and the rotation speed of the engine set when the hunting occurs.
  • an autotuning method of PID gains of a governor control device comprising: a).
  • the PID gain includes a proportional gain, an integral gain and a differential gain, and the step (a) is performed by using the control signal output from the PID controller to obtain the maximum rotation speed and the maximum rotation speed of the engine.
  • the gain may be initially set, the integral gain may be initially set using the proportional gain and the sampling time for executing the PID control, and the derivative gain may be initially set to zero.
  • the method may further include repeating the steps (b) to (e) a predetermined number of times using the reset PID gain.
  • step (e) the PID gain calculated according to the Ziegler-Nichols tuning equation is corrected using the maximum amplitude of the rotational speed of the engine at the time of the hunting and the maximum amplitude of the control signal output from the PID controller.
  • the PID gain may be reset.
  • the present invention it is possible to stably autotune the PID gain of the PID controller included in the digital governor control device without a separate keypad or dial operation.
  • FIG. 1 is a block diagram of a digital governor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for autotuning PID gains of a digital governor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph showing a change in the rotational speed of the engine when the hunting occurs in the engine and a change in the control signal output from the PID control.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a digital governor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the digital governor control device 100 is a device for controlling the rotation speed of the engine 300 by adjusting the fuel injection amount of the actuator 200.
  • the digital governor control apparatus 100 receives the rotational speed of the engine 300 from the speed sensor 400 and outputs a signal having a voltage magnitude corresponding thereto to output a frequency-reversed FV (Frequecny-Voltage) converter 110.
  • the PID controller 120 and the PID for outputting a control signal to the actuator 200 by performing a PID control operation on a difference value between the rotational speed of the engine and a preset target speed as a signal output from the FV converter 110.
  • a gain tuning unit 130 for autotuning the PID gain of the controller 120.
  • the PID (proportional integrate derivative) controller 120 includes a PID (proportional) controller, an I (Integrate) controller and a D (derivative) controller to perform a PID control operation.
  • the control signal is output according to the PID control operation result, and the actuator 200 is driven according to the output control signal.
  • the FV converter 110 receives the output signal according to the rotational speed of the engine 300 from the speed sensor 400 as a sine wave, and adjusts the voltage magnitude corresponding thereto according to the frequency of the received sinusoidal signal. Branch outputs a signal. Then, the PID controller 120 outputs a signal having a voltage magnitude corresponding to the signal output from the FV converter 110. In addition, the PID controller 120 performs a PID control function on the rotation speed of the engine 300 corresponding to the signal output from the FV converter 110 and a preset target speed difference value, thereby providing a control signal to the actuator 200. Is supplied.
  • the control signal may be a pulse width modulation (PWM) signal.
  • the FV converter 110 may be a counter that detects the number of revolutions by converting the sinusoidal wave inputted through the speed sensor 400 into the embodied wave and counting it.
  • the gain tuning unit 130 automatically tunes the PID gains of the PID controller 120 without a separate dial manipulation.
  • Ziegler-Nichos ZN
  • the Ziegler-Nichols method connects the PID controller to the system, sets the PID gains to all zeros, performs PID control while increasing the proportional gain from 0, calculates the gain KU when hunting occurs, and the hunting period PU of the engine. Tuning PID gains by substituting the Ziegler-Nichols tuning equation.
  • the governor should be kept open at a constant rate.In spite of the characteristics of the engine, even if the opening amount of the governor is constant, the input speed of the fuel increases as the engine speed increases. There was a risk of failure of the generator fuselage connected to the engine.
  • the PID gain using the control signal output from the PID controller 120 to the actuator 200 to obtain the maximum rotation speed and the maximum rotation speed of the engine 300 After initializing PID control and performing PID control, we propose a method to find the optimum PID gain while increasing stability by autotuning PID gain using the gain variable and hunting period when hunting occurs.
  • an autotuning method of the gain tuning unit will be described in more detail with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an overall process of an auto tuning method of a gain tuning unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the gain tuning unit 130 performs PID gain using a control signal output from the PID controller 120 to the actuator to obtain the maximum rotation speed of the engine and the maximum rotation speed that the engine can produce.
  • Initial setting S100
  • the gain tuning unit 130 may set the gain variable and the counting variable to 1 in step S100.
  • the PID gain includes a proportional gain, an integral gain, and a differential gain
  • the gain tuning unit 130 uses the control signal output from the PID controller to obtain the maximum rotation speed and the maximum rotation speed of the engine. Initial setting is possible. For example, if the maximum rotation speed of the engine is 4000rpm, and the control signal output from the PID controller to drive the engine is 10000, the initial value Kp_b of the proportional gain may be set to 2.5.
  • the gain tuning unit 130 may initially set the integral gain using the initially set proportional gain and the sampling rate of the PID control of the PID controller. For example, when executing PID control at a sampling rate of 1 ms, the initial value Ki_b of the integral gain may be set to 0.0025.
  • the gain tuning unit 130 may set the initial value Ki_d of the differential gain to zero.
  • the PID controller 120 executes PID control so that the rotation speed of the engine becomes a preset target speed using the set PID gains Kp_b, Ki_b, and Kd_b.
  • the gain tuning unit 130 refers to the signal output from the FV converter 110 to determine whether hunting occurs when the difference between the target speed and the rotational speed of the engine according to the PID control exceeds a preset reference value. (S120).
  • the gain variable is increased by a predetermined value a, and then the PID gain is reset by multiplying the gain variable by the set PID gain (S130).
  • the gain tuning unit 130 repeats steps S110 to S130 until hunting occurs.
  • the gain tuning unit 130 sets the initial PID control value by using the maximum rotation speed of the engine and the control signal output from the PID controller at this time, thereby increasing the safety of the PID control and setting the PID gain using the gain variable. As you increase the value, you search for the point at which hunting occurs.
  • FIG 3 is a view showing a change in the rotational speed and the control signal of the engine when hunting occurs according to an embodiment of the present invention.
  • the rotational speed of the engine is changed up and down on the basis of the target speed by PID control. At this time, the difference between the maximum rotational speed V1 or the minimum rotational speed V2 of the engine and the target speed is determined.
  • the gain tuning unit 130 may determine that hunting has occurred.
  • the gain tuning unit 130 sets a gain variable Ku set at the time of hunting, and a hunting period Pu of the rotational speed of the engine. Substitute in the Ziegler-Nichols tuning equation to reset the PID gain (S140).
  • the PID gain set using the Ziegler-Nichols tuning equation may be set using Equation 1 below.
  • Kp is a reset proportional gain
  • Ki is a reset integral gain
  • Kd is a reset differential gain
  • Ku is a gain variable when hunting occurs
  • Kp_b is an initial gain
  • Ki_b is an initial gain
  • Pu is the hunting
  • zp denotes the Ziegler-Nichols proportional gain variable
  • zi denotes the Ziegler-Nichols integral gain variable
  • zd denotes the Ziegler-Nichols differential gain variable.
  • the gain tuning unit 130 may correct the set PID gain by using the maximum amplitude Au of the rotational speed of the engine when hunting occurs and the maximum amplitude Cu of the control signal output from the PID controller 120. There is (S150).
  • the initially set PID gain is a value set using the control signal output from the PID controller 120 to obtain the maximum rotation speed of the engine and the maximum rotation speed
  • the present invention provides the maximum rotation speed and control signal of the engine when hunting occurs.
  • the PID gain corrected using the maximum amplitude Au of the rotational speed of the engine in the gain tuning unit 130 and the maximum amplitude Cu of the control signal output from the PID controller 120 is expressed by the following equation. It can be set using 2.
  • Au denotes the maximum amplitude of the rotational speed of the engine at the time of hunting
  • Cu denotes the maximum amplitude of the control signal output from the PID controller at the time of hunting.
  • Step S160 it is determined whether the engine tuning unit 130 count variable is greater than or equal to a predetermined number of times. If the count variable is less than the preset value, the engine tuning unit 130 initializes the gain variable Ku, increases the count variable 1 by 1 (S170), and then uses the reset PID gain to perform the step ( Steps S110 to S160 are repeatedly performed a predetermined number of times.
  • the reason for repeating the steps S110 to S160 a predetermined number of times is to increase the accuracy of the PID gain to be reset.
  • the preset number may be set to three.
  • the PID gain of the PID controller included in the digital governor controller can be stably autotuned without a separate keypad or dial manipulation.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

본 발명에서 제공되는 디지털 가버너 제어장치의 오토튜닝 방법은 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하는 단계(a); 상기 초기 설정된 PID 게인을 이용하여 상기 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표 속가 되도록 PID 제어를 실행하는 단계(b); 상기 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단하는 단계(c); 상기 헌팅이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 PID 게인에 게인 변수를 곱하여 설정하고, 상기 헌팅이 발생할 때까지 상기 게인 변수를 증가시키며 상기 단계(b) 내지 상기 (d)를 반복 수행하는 단계(d); 및 상기 헌팅이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 헌팅 발생 시 설정된 상기 게인 변수 및 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기를 지글러-니콜스(Zigler-Nichols) 동조식에 대입하여 상기 PID 게인을 재설정 하는 단계(e)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 디지털 가버너 제어장치에 포함된 PID 제어기의 PID 게인을 안정적으로 오토튜닝 할 수 있다.

Description

디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법
본 발명의 실시예들은 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시스템상 안정적으로 PID 게인을 오토튜닝할 수 있는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법에 관한 것이다.
비상용 발전기나 선박용 발전기 등의 구동원으로 사용되고 있는 디젤엔진에 있어서, 정속운전은 발전전압의 안정여부를 결정하는 중요한 요소이다. 이러한 정속운전 제어를 위하여 연료분사량을 조절하는 가버너(governor)가 사용되고 있다.
가버너의 종류로는 아날로그 가버너와 디지털 가버너가 있다. 초창기에 사용하던 아날로그 가버너는 R(저항), L(인턱터), C(커패시터) 등의 아날로그 부품을 사용하였다. 그러므로 동일한 값의 부품을 사용하여도 각 부품의 허용오차 값에 의해 출력특성이 변화했다. 또한 온도, 습도 등의 기후 변화에 따라서도 출력특성이 변화했다.
이러한 문제점을 해결하고자 PID 제어기로 엑츄에이터를 제어하여 연료분사량을 조절하는 디지털 가버너가 개발되었으며, 최근에는 정량화된 제어가 가능한 디지털 가버너가 많이 사용되고 있다.
그러나, 디지털 가버너는 엑츄에이터의 상태 특성에 의한 편차 및 발전기의 조립시의 편차 등에 의해 같은 기종의 발전기라 하더라도 PID 제어기의 PID 게인을 보정하여 연료분사량을 조절해야 한다. 이에 디지털 가버너는 PID 게인을 조절할 수 있는 키패드 또는 다이얼을 구비한다.
그러나, 키패드 또는 다이얼로 PID 게인을 조정하는 것은 숙련된 사용자에 의해 수행되어야 하며, PID 게인 조정 시 엔진에 헌팅이 발생하는 경우 빠르게 대응할 수 없는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 PID 제어기의 PID 게인을 오토튜닝 할 수 있는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하는 단계(a); 상기 초기 설정된 PID 게인을 이용하여 상기 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표 속가 되도록 PID 제어를 실행하는 단계(b); 상기 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단하는 단계(c); 상기 헌팅이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 PID 게인에 게인 변수를 곱하여 설정하고, 상기 헌팅이 발생할 때까지 상기 게인 변수를 증가시키며 상기 단계(b) 내지 상기 (d)를 반복 수행하는 단계(d); 및 상기 헌팅이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 헌팅 발생 시 설정된 상기 게인 변수 및 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기를 지글러-니콜스(Zigler-Nichols) 동조식에 대입하여 상기 PID 게인을 재설정 하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법이 제공된다.
상기 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며, 상기 단계(a)는, 상기 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 상기 비례 게인을 초기 설정하며, 상기 비례 게인 및 상기 PID 제어를 실행하는 샘플링 시간을 이용하여 상기 적분 게인을 초기 설정하며, 상기 미분 게인을 0으로 초기 설정할 수 있다.
상기 단계(e)이후에, 상기 게인 변수를 초기화 한 후, 상기 재설정된 PID 게인을 이용하여 상기 단계(b) 내지 단계 (e)를 기 설정된 횟수만큼 반복 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(e)는, 상기 지글러-니콜스 동조식에 따라 산출된 PID 게인을 상기 헌팅 발생시의 상기 엔진의 회전속도의 최대 진폭 및 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭 값을 이용하여 보정하여 상기 PID 게인을 재설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 디지털 가버너 제어장치에 포함된 PID 제어기의 PID 게인을 안정적으로 오토튜닝 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 가버너 제어장치의 블록도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 엔진에서의 헌팅 발생 시의 엔진의 회전속도의 변화 및 PID 제어에서 출력되는 제어신호의 변화를 도시한 그래프이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 가버너 제어장치의 일례를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 디지털 가버너 제어장치(100)는 엑츄에이터(200)의 연료분사량을 조절하여 엔진(300)의 회전속도를 제어하는 장치이다. 이를 위해, 디지털 가버너 제어장치(100)는 속도 센서(400)로부터 엔진(300)의 회전속도를 입력 받아 그에 되응되는 전압 크기를 가지는 신호로 출력하는 FV(Frequecny-Voltage) 변환부(110)와 FV 변환부(110)가 출력한 신호로 엔진의 회전속도와 기 설정된 목표속도의 차이 값에 대한 PID 제어 연산을 수행하여 제어신호를 엑츄에이터(200)로 출력하는 PID 제어기(120) 와 상기 PID 제어기(120)의 PID 게인을 오토튜닝 하는 게인 튜닝부(130)를 포함한다.
PID(proportional integrate derivative) 제어기(120)는 P(proportional) 제어기, I(Integrate) 제어기 및 D(derivative) 제어기를 포함하여 PID 제어 연산을 수행한다.
상기 PID 제어 연산 결과에 따라 제어신호가 출력되고, 출력된 제어신호에 따라 엑츄에이터(200)가 구동된다. 좀더 상세하게 설명하면, FV 변환부(110)가 속도센서(400)로부터 엔진(300)의 회전속도에 따른 출력신호를 정현파로 입력받고, 입력받은 정현파 신호의 주파수에 따라 그에 대응되는 전압 크기를 가지는 신호를 출력한다. 그리고, PID 제어기(120)가 FV 변환부(110)에서 출력된 신호에 따라 그에 대응되는 전압 크기를 가지는 신호를 출력한다. 그리고, PID 제어기(120)가 FV 변환부(110)에서 출력된 신호에 해당하는 엔진(300)의 회전속도와 기 설정된 목표속도 차이 값에 대해 PID 제어기능을 수행함으로써 엑츄에이터(200)에 제어신호가 공급된다. 상기 제어신호는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM) 신호일 수 있다. 또한 FV 변환부(110)는 일 실시예로 설명한 것으로서 속도센서(400)를 통해 입력받은 정현파를 구현파로 변환하고, 이를 카운팅하여 회전수를 검출하는 카운터를 사용할 수 있음은 물론이다.
게인 튜닝부(130)는 별도의 다이얼의 조작 없이 PID 제어기(120)의 PID 게인을 자동으로 튜닝(Auto-tuning)한다.
일반적으로 알려진 오토튜닝 기법으로는 지글러-니콜스(Ziegler-Nichos, 이하, ZN) 방법이 있다. 지글러-니콜스 방법은 시스템에 PID 제어기를 연결한 후 PID 게인을 모두 0으로 설정한 후 비례 게인을 0부터 증가시키면서 PID 제어를 수행하고, 헌팅 발생시의 게인 KU, 엔진의 헌팅 주기 PU를 산출하여 이를 지글러-니콜스 동조식에 대입하여 PID 게인을 튜닝하는 방법이다.
그러나, 상기와 같은 방법을 디젤 엔진에 적용할 경우 가버너를 일정비율로 열어 둬야 하는데, 엔진의 특성상 가버너의 열림량이 일정하여도 엔진속도가 빨라짐에 따라 연료의 입력량이 증가하여, 결국 엔진이 최고출력에 도달하게 되고, 엔진에 연결된 발전기 동체가 고장날 수 있는 위험이 있었다.
이에, 본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 엔진(300)의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기(120)에서 엑츄에이터(200)로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하여 PID 제어를 수행 후, 헌팅 발생 시의 게인 변수 및 헌팅 주기를 이용하여 PID 게인을 오토튜닝함으로써 안정성을 높이면서 최적의 PID 게인을 찾는 방법을 제안하고자 한다. 이하에서는 도 2를 참조하여 게인 튜닝부의 오토튜닝 방법에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 튜닝부의 오토 튜닝방법의 전체적인 과정을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 우선 게인 튜닝부(130)는 엔진이 낼 수 있는 엔진의 최대 회전속도 및 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기(120)에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정한다(S100). 또한, 단계(S100)에서 게인 튜닝부(130)는 게인 변수 및 카운팅 변수를 1로 설정할 수 있다.
여기서, PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며, 게인 튜닝부(130)는 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 비례 게인을 초기 설정할 수 있다. 일례로, 엔진의 최대 회전속도가 4000rpm, 이를 구동하기 위해 PID 제어기에서 출력되는 제어신호가 10000이라면, 비례 게인의 초기 값(Kp_b)은 2.5로 설정될 수 있다.
또한, 게인 튜닝부(130)는 상기 초기 설정된 비례 게인 및 PID 제어기의 PID 제어의 샘플링 속도를 이용하여 적분 게인을 초기 설정할 수 있다. 일예로, 샘플링 속도 1ms의 주기로 PID 제어를 실행하는 경우 적분 게인의 초기 값(Ki_b)은 0.0025로 설정될 수 있다.
또한, 게인 튜닝부(130)는 미분 게인의 초기 값(Ki_d)을 0으로 설정할 수 있다.
이어서, PID 제어기(120)는 상기 설정된 PID 게인(Kp_b, Ki_b, Kd_b)을 이용하여 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표속도가 되도록 PID 제어를 실행한다.
이어서, 게인 튜닝부(130)는 FV 변환부(110)에서 출력되는 신호를 참조하여, 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단한다(S120).
상기 헌팅이 발생하지 않는 경우, 게인 변수를 기 설정된 값인 a 만큼 증가시킨 후 게인 변수를 상기 설정된 PID 게인에 곱하여 PID 게인을 재설정 한다(S130).
게인 튜닝부(130)는 헌팅이 발생할 때까지 단계(S110) 내지 단계(S130)을 반복 수행한다.
즉, 게인 튜닝부(130)는 엔진의 최대 회전속도 및 이때 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 초기 PID 제어 값을 설정함으로써, PID 제어의 안전성을 높인 후 게인 변수를 이용하여 PID 게인의 설정 값을 증가시키면서 헌팅이 발생하는 시점을 탐색하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헌팅이 발생하는 경우의 엔진의 회전속도 및 제어신호의 변화를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, PID 제어에 의해 엔진의 회전속도는 목표속도를 기준으로 상하로 변동된다, 이때, 엔진의 엔진의 최대 회전속도(V1) 또는 최소 회전속도(V2)와 목표속도간의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하는 경우 게인 튜닝부(130)는 헌팅이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 단계(S120)에서 헌팅이 발생한 것으로 판단되는 경우, 게인 튜닝부(130)는 헌팅 발생 시 설정되어 있는 게인 변수(Ku), 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기(Pu)를 지글러-니콜스 동조식에 대입하여 PID 게인을 재설정한다(S140).
여기서, 지글러-니콜스 동조식을 이용하여 설정되는 PID 게인은 하기의 수학식 1을 이용하여 설정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2015005778-appb-I000001
여기서, Kp는 재설정된 비례 게인, Ki는 재설정된 적분 게인, Kd는 재설정된 미분 게인, Ku는 헌팅 발생 시의 게인 변수, Kp_b는 초기 설정된 비례 게인, Ki_b는 초기 설정된 적분 게인, Pu는 상기 헌팅 주기, zp는 지글러-니콜스 비례 게인 변수, zi는 지글러-니콜스 적분 게인 변수, zd는 지글러-니콜스 미분 게인 변수를 각각 의미한다.
이어서, 게인 튜닝부(130)는 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도의 최대 진폭(Au) 및 PID 제어기(120)에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭(Cu)를 이용하여 상기 설정된 PID 게인을 보정할 수 있다(S150).
초기 설정된 PID 게인은 엔진의 최대 회전속도 및 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기(120)에서 출력되는 제어신호를 이용하여 설정된 값이므로, 본 발명은 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도 및 제어신호의 최대 진폭의 비율을 이용하여 지글러-니콜스 동조식에 의해 설정된 PID 게인을 보정함으로써 보다 정확한 PID 게인 값이 산출될 수 있도록 한다.
보다 상세하게, 게인 튜닝부(130)에서 엔진의 회전속도의 최대 진폭(Au) 및 PID 제어기(120)에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭(Cu)를 이용하여 보정되는 PID 게인은 하기의 수학식 2를 이용하여 설정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2015005778-appb-I000002
여기서, 상기 Au는 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도의 최대 진폭, Cu는 헌팅 발생시의 PID 제어기에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭을 각각 의미한다.
이어서, 단계(S160)에서 엔진 튜닝부(130) 카운트 변수가 기 설정된 횟수 이상인지를 판단한다. 만약 카운트 변수가 기 설정된 값 미만 인 경우, 엔진 튜닝부(130)는 게인 변수(Ku)를 초기화하고, 카운트 변수(Count)를 1 증가시킨 후(S170) 상기 재설정된 PID 게인을 이용하여 단계(S110) 내지 단계(S160)을 기 설정된 횟수만큼 반복 수행한다.
상기 단계(S110) 내지 단계(S160)를 기 설정된 횟수만큼 반복 수행하는 이유는 재설정되는 PID 게인의 정확도를 보다 높이기 위함이다. 일례로, 기 설정된 횟수는 3으로 설정될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 별도의 키패드 또는 다이얼의 조작 없이 디지털 가버너 제어장치에 포함된 PID 제어기의 PID 게인을 안정적으로 오토튜닝 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 PID 제어기에서 엑츄에이터로 출력되는 제어신호를 이용하여 PID 게인을 초기 설정하는 단계(a);
    상기 초기 설정된 PID 게인을 이용하여 상기 엔진의 회전속도가 기 설정된 목표 속가 되도록 PID 제어를 실행하는 단계(b);
    상기 목표속도와 상기 PID 제어에 따른 엔진의 회전속도의 차가 기 설정된 기준 값을 초과하여 헌팅이 발생하는지 판단하는 단계(c);
    상기 헌팅이 발생하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 PID 게인에 게인 변수를 곱하여 설정하고, 상기 헌팅이 발생할 때까지 상기 게인 변수를 증가시키며 상기 단계(b) 내지 상기 (d)를 반복 수행하는 단계(d); 및
    상기 헌팅이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 헌팅 발생 시 설정된 상기 게인 변수 및 상기 엔진의 회전속도의 헌팅 주기를 지글러-니콜스(Zigler-Nichols) 동조식에 대입하여 상기 PID 게인을 재설정 하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며,
    상기 단계(a)는,
    상기 엔진의 최대 회전속도와 상기 최대 회전속도를 내기 위해 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호를 이용하여 상기 비례 게인을 초기 설정하며,
    상기 비례 게인 및 상기 PID 제어를 실행하는 샘플링 시간을 이용하여 상기 적분 게인을 초기 설정하며,
    상기 미분 게인을 0으로 초기 설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(e)이후에,
    상기 게인 변수를 초기화 한 후, 상기 재설정된 PID 게인을 이용하여 상기 단계(b) 내지 단계 (e)를 기 설정된 횟수만큼 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(e)는,
    상기 지글러-니콜스 동조식에 따라 산출된 PID 게인을 상기 헌팅 발생시의 상기 엔진의 회전속도의 최대 진폭 및 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어신호의 최대 진폭 값을 이용하여 보정하여 상기 PID 게인을 재설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인 및 미분 게인을 포함하며,
    상기 지글러-니콜스 동조식을 이용하여 재설정되는 PID 게인은 하기의 수학식을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
    Figure PCTKR2015005778-appb-I000003
    여기서, Kp는 재설정된 비례 게인, Ki는 재설정된 적분 게인, Kd는 재설정된 미분 게인, Ku는 헌팅 발생 시의 게인 변수, Kp_b는 초기 설정된 비례 게인, Ki_b는 초기 설정된 적분 게인, Pu는 상기 헌팅 주기, zp는 지글러-니콜스 비례 게인 변수, zi는 지글러-니콜스 적분 게인 변수, zd는 지글러-니콜스 미분 게인 변수를 각각 의미함.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진의 회전속도의 최대 진폭 및 상기 PID 제어기에서 출력되는 제어 신호의 최대 진폭을 이용하여 보정되는 PID 게인은 하기의 수학식을 이용하여 재설정되는 것을 특징으로 하는 디지털 가버너 제어장치의 PID 게인의 오토튜닝 방법.
    Figure PCTKR2015005778-appb-I000004
    여기서, 상기 Au는 헌팅 발생시의 엔진의 회전속도의 최대 진폭, Cu는 헌팅 발생시의 PID 제어기에서 출력되는 제어 신호의 최대 진폭을 각각 의미함.
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