KR100708957B1 - 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 굴삭기 특성에 적합하도록 오버로드(Overload) 테이블과 부하 추론값 테이블을 설정하여 퍼지 모델링을 이용한 굴삭기 제어 방법에 있어서, 일정한 인터럽트 발생시마다 굴삭기 펌프 압력값과 엔진 속도값을 측정하는 제 1단계; 상기 측정된 압력값과 속도값의 변화량을 계산하는 제 2단계; 상기 계산결과에 따라, 부하의 경중을 판단하는 제 3단계; 및 상기 판단결과에 따라, 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 제 4단계를 포함하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법은, 굴삭기 특성에 적합하도록 오버로드(Overload) 테이블과 부하 추론값 테이블을 설정하고 굴삭기 엔진 및 펌프의 제어 특성을 펌프의 토출 압력과 토출 변화율을 이용한 이산화된 선형 펌프 모형으로부터 산술적으로 계산하여 퍼지 모델링을 이용함으로써, 적정 출력 시스템의 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.

굴삭기 엔진/펌프의 퍼지 제어 방법

Description

굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법{A fuzzy control method of crawler excavator}

도 1은 본 발명에 따른 유압 굴삭기의 주요 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 엔진 및 펌프의 특성 곡선,

도 3은 본 발명에 따른 펌프-엔진 시스템의 디지털 제어기 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 P-Q 특성 곡선,

도 5은 본 발명에 따른 도출된 부하 추론값 테이블,

도 6는 본 발명에 따른 전체 시스템의 제어 순서도,

도 7은 본 발명에 따른 굴삭기 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하기 위한 순서도,

도 8는 본 발명에 따른 굴삭기 펌프 입력값과 엔진 속도값을 측정하는 순서도,

도 9는 본 발명에 따른 측정된 압력값과 속도값의 변화량을 계산하는 순서도,

도 10은 본 발명에 따른 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 순서도.

* 도면의 주요부호 설명

10 : 펌프 컨트롤러 20 : 엔진 컨트롤러

30 : 펌프 40 : 엔진

본 발명은 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 굴삭기 엔진 및 펌프의 제어 특성을 펌프의 토출 압력과 토출 압력 변화율을 이용하여 이산화(Discrete)된 선형 펌프 모형으로부터 산술적으로 계산하여 퍼지 모델링을 이용함으로써, 비선형적인 특성에 맞게 출력 특성을 개선하여 보다 효율적인 엔진 및 펌프 제어가 가능한 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 굴삭기에 사용된 가변 용량 펌프의 제어 기술은, 대부분 비례 제어기 혹은 비례-적분-미분(PID)와 같은 선형 제어기로 이루어져 있는데, 이러한 제어 시스템은 모형화가 어렵고, 온도 및 오일의 종류 등에 따라서 동일한 제어 특성을 기대하기가 곤란하였다. 또한 엔진-펌프 시스템은 비선형성이 있고 엔진의 회전수도 투입된 부하보다 느린 응답성을 가지고 있어서 단순한 PID 제어에 의해서는 적절한 제어가 어려워서, 순간 부하 인가시 속도 저하량이 크고, 정격 속도에 다시 도달되는 시간도 길어지게 되어 불필요한 엔진 출력 낭비와 과부하에 대한 대책이 미흡한 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 굴삭기 엔진 및 펌프의 제어 특성을 펌프의 토출 압력과 토출 압력 변화율을 이용하 여 이산화된 선형 펌프 모형으로부터 산술적으로 계산하여 퍼지 모델링을 이용함으로써, 비선형적인 특성에 맞게 출력 특성을 개선하여 보다 효율적인 엔진 및 펌프 제어가 가능한 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법은 굴삭기 특성에 적합하도록 오버로드(Overload) 테이블과 부하 추론값 테이블을 설정하여 퍼지 모델링을 이용한 굴삭기 제어 방법에 있어서, 일정한 인터럽트 발생시마다 굴삭기 펌프 압력값과 엔진 속도값을 측정하는 제 1단계; 상기 측정된 압력값과 속도값의 변화량을 계산하는 제 2단계; 상기 계산결과에 따라, 부하의 경중을 판단하는 제 3단계; 및 상기 판단결과에 따라, 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 제 4단계를 포함하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1단계는, 일정한 인터럽트 발생시마다 펌프의 아날로그 압력값을 측정하는 단계; 상기 측정된 아날로그 압력값을 디지털 압력값으로 변환시키는 단계; 일정한 인터럽트 발생시마다 엔진의 펄스신호를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 펄스신호를 디지털 속도값으로 변환시키는 단계로 구성할 수 있고, 상기 제 2단계는, 상기 디지털 압력값에 규정된 게인(Gain)값을 곱하여 유효 압력값을 구하는 단계; 이전에 측정된 유효 압력값에서 상기 유효 압력값을 차감하여 압력 변화량을 구하는 단계; 상기 유효 압력값과 압력 변화량을 정상 범위이내로 조정하는 단계; 상기 조정된 유효 압력값과 압력 변화량에 해당되는, 오버로드 테이블에 설정된 지령치 를 구하는 단계; 및 이전에 측정된 속도값에서 상기 측정된 속도값을 차감하여 속도 변화량을 구하는 단계로 구성할 수 있다.

그리고 상기 제 4단계는, 상기 판단결과에 따라, 엔진 속도에 대한 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하는 단계; 및 상기 수행에 따라, 엔진 제어기에 속도 지령을 내리고 비례 밸브에 지령을 내려 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 단계로 구성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 유압 굴삭기의 주요 구성도로서, 크게 엔진과 펌프 그리고 컨트롤 밸브를 포함한 실린더 블록으로 나눌 수 있으며, 펌프에 부착된 전자 비례 밸브의 입력전류에 비례하여 펌프의 토출 유량이 결정된다. 토출된 압유는 유압 호스를 통해 각종 실린더 및 모터로 전달된다. 그리고 굴삭기의 각 엑츄에이터에 공급해야 할 전체의 유량은 펌프-엔진 제어기에 의해 결정되어 조절된다.

도 2는 본 발명에 따른 엔진 및 펌프의 특성 곡선을 나타낸 것으로서, 상단 도면은 엔진 회전수에 대한 토크 및 출력,그리고 연료 소비율을 나타내고, 하단 도면은 펌프의 마력선과 엔진의 등마력선을 P-Q선도로 나타낸다. 도면에서 펌프의 마력선이 비선형적으로 꺾이는 것은 펌프가 2개로 이루어졌기 때문이며, 이것에 의해 선형적으로 제어가 가능한 일반 PID 제어만으로는 적정 출력을 내기가 어렵다. 따라서 퍼지 모델링을 이용하여 비선형적인 펌프의 마력곡선을 따라 제어가 가능하도록 한 것이다. 우선 이전의 굴삭기의 아날로그 타입에서는 상기와 같은 제어 알고 리즘을 구현하기가 어렵고, 디지털 제어기가 설계된 곳에서 알고리즘 적용이 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 펌프-엔진 시스템의 디지털 제어기 구성도로서, 펌프 및 각종 솔레노이드를 제어하고 기타 기능을 수행하기 위한 주 제어기 역할의 펌프 컨트롤러(10)와 엔진의 쓰로틀(Throttle) 모터를 제어하기 위한 엔진 컨트롤러(20)로 구성되어 있다. 펌프 컨트롤러(10)는 연산을 위한 MCU부(11), 각종 유압회로의 개폐를 위한 솔레노이드 드라이버부(12), P/V를 구동하기 위한 PWM 드라이버부(13), 정보를 저장하는 메모리부(14), 압력 등의 계측을 위한 A/D부(15), RPM의 계측을 위한 W/S(Wave Shaping)부(16) 등으로 크게 구성되어 있다. 그리고 작업 조건에 맞춰 해당 솔레노이드를 개폐하고, 펌프로부터 2개 펌프의 토출압력을 입력받아 변화율 등을 고려하여 부하의 경중을 판단하여 엔진 컨트롤러(20)에 속도 지령을 내리고, 펌프의 비례 감압 밸브(31)에 지령을 내린다. 엔진 컨트롤러(20)는 연산을 위한 MCU부(21), 펌프 제어기의 지령을 입력받는 A/D부(22), 정보를 저장하는 메모리부(23), RPM의 계측을 위한 W/S(Wave Shaping)부(24), 쓰로틀 모터를 구동하기 위한 PWM 드라이버부(25) 등으로 크게 구성되어 있으며, 펌프 컨트롤러(10)의 지령에 따라 쓰로틀 모터(41)를 제어한다.

도 4는 본 발명에 따른 P-Q 특성 곡선으로서, 다음의 같은 시스템의 특성에 근거를 둔다. P-Q 선도상에서 압력보상이 시작되는 압력 이하에서는 압력이 상승하더라도 과부하가 발생하지 않는다. P-Q 선도의 기울기로부터 압력보상이 시작되는 압력이상의 압력구간에서 상대적 저압부분은 고압부분과 비교할 때 동일한 압력 의 변동에 대하여 부하토크의 변동을 크게 일으킨다. 상기와 같은 조건하에서 부하의 퍼지 모델을 이용하여 컨트롤러가 실시간으로 부하의 경중을 판단하도록 하였으며, 작업중 설정된 엔진출력으로 부하를 감당할 수 없거나 부하에 비해 출력이 남는 경우에 엔진 정격속도를 조절하여 엔진출력을 상향 또는 하향 설정하도록 하였다.

도 5는 본 발명에 따른 도출된 부하 추론값 테이블이다. 엔진의 출력토크와 펌프의 흡수토크의 차이를 과부하라 하는데, 본 발명에서는 펌프 압력과 펌프 압력의 변화율로부터 부하의 정도를 추론하여 퍼지 모델링을 수립하였다. 예를 들어 과부하 지수가 양의 값이면 파워가 미달상태이고, 과부하 지수가 음의 값이면 파워가 초과상태임을 의미한다. 압력(P)의 범위는 0 ~ 350 바(bar)이고 이것을 HI와 LO의 개념으로 나눈 것은, 압력은 엔진이 시동이 걸리면 자연적으로 걸리는 것으로 압력이 마이너스이거나 제로일 수가 없기 때문이다. 따라서 압력을 높고 낮음으로 표현이 가능한데, 4단계로 단순화하여 구분하였다. 압력 변화량(dP)은 우선 엔진이 저 rpm에서 시작하여 고 rpm으로 가면서 변화가 생기는데 변화가 아주 많은 경우와, 변화가 있는데 감소하는 쪽으로 있는 경우를 감안하여 5단계로 구분하였다. 각 단계마다의 변화는 -15 bar 이하로 변하면 아랫단계로, +15 bar 이상으로 변하면 윗단계로 이동한다. 그래서 만약에 상기 이하나, 이상으로 변하지 않으면 현재 상태 그대로 유지한다. 압력은 rpm 마다 LO, ML. MH, HI 의 기준이 바뀌는데 이것은 엔진 성능 곡선과 관계가 있다. 퍼지 제어 출력은 퍼지 제어기를 통해 결정되며 퍼지 제어기는 아래와 같은 제어 규칙과 언어 변수에 의해서 근사화된다.

If 압력(P) = LO and 압력 변화량(dP) = PB then 퍼지제어출력 = PS

If 압력(P) = LO and 압력 변화량(dP) = PS then 퍼지제어출력 = PS

: :

If 압력(P) = HI and 압력 변화량(dP) = NB then 퍼지제어출력 = NS

상기 규칙에 대하여 예를 들면, 압력이 LO이고 압력변화가 극심한 경우에는 부하가 많이 걸린다는 것이다. 그러나 압력이 가장 낮은 상태이므로 작은 부하에서도 많이 걸릴 수 있으므로 부하지수를 PS로 설정한다. 압력이 HI이고 압력변화가 PB인 경우에는 부하가 많이 걸리기는 하지만 제어 범위가 상당히 높은 위치에 있기 때문에 엔진에 무리가 갈 수 있으므로 PS로 설정한다. 이런 방법으로 압력과 압력 변화량을 상황에 맞게 설정할 수 있다. 또한 과부하가 연속적으로 PB이면 압력조절보다는 엔진의 회전수를 증가시켜야 하므로 엔진을 조절하여 rpm을 상승시킨다.

과부하에 따른 제어방법은 전 영역에서 연속적으로 정격속도를 변화시키는 방법과 불연속적으로 변화시키는 방법을 모두 병행할 수 있다. 전 영역에서 연속적으로 정격속도를 변화시키는 방법은 과부하가 PB이면 정격속도를 40s% 업(UP)시키고, 과부하가 PS이면 정격속도를 20% 업시키며, 과부하가 NS이면 정격속도를 20% 다운(DOWN)시키고, 과부하가 NB이면 정격속도를 40% 다운시킨다. 1속, 2속, 3속에 대한 속도를 기준으로 불연속적으로 정격속도를 변화시키는 방법은 각 파워모드에서 해당 정격속도를 중심으로 상하영역에 대해 퍼지화를 하는데, 과부하가 순 PB이면 정격속도를 상승(1→2, 2→3속)시키고, 과부하가 순 NB이면 정격속도를 하강(3 →2, 2→1속)시킨다.

도 6은 본 발명에 따른 전체 시스템의 제어 순서도로서, 초기화부에서 정해진 시간간격마다 인터럽트를 발생하기 위한 인터럽트 초기화와 퍼지 제어를 위한 부하 추론값 테이블을 설정하고, 초기화시(91) 컨트롤러 밖으로부터의 입력을 처리하는 I/O 입력처리부(92)와 현재의 상태를 나타내기 위한 표시장치와의 통신부(93), 각종 제어 알고리즘(94) 및 출력부(95)가 있다. 이러한 루틴들은 연속적으로 폴링(Pooling)하면서 인터럽트 발생시 인터럽트 서비스를 실행한다. 추론값은 -10부터 +10까지 20단계로 나누어서 0 일 경우에는 정부하, -10이면 과출력 상태, +10이면 과부하 상태로 도 5의 테이블의 PB에서 NS까지를 초기화시 미리 테이블에 설정해 놓고 상태 판정시마다 필요한 값을 이용할 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 굴삭기 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하기 위한 순서도로서, 먼저 일정한 인터럽트 발생시마다 굴삭기 펌프 입력값과 엔진 속도값을 측정하여(110), 측정된 입력값과 속도값의 변화량을 계산한다(120). 그런다음, 상기 계산결과에 따라, 부하의 퍼지 모델링을 이용하여 제어기가 실시간으로 부하의 경중을 판단하게 되는데(130), 판단결과에 따라서 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하게 된다(140).

도 8은 본 발명에 따른 굴삭기 펌프 입력값과 엔진 속도값을 측정하는 순서도로서, 먼저 일정한 인터럽트 발생시마다 펌프 압력값을 측정하여(111), 측정된 압력값을 아날로그-디지털 컨버터를 통해서 디지털 값으로 변환시킨다(112). 그리고 일정한 인터럽트 발생시마다 엔진이 회전하는 펄스 신호를 측정하여(113), 디지 털 속도값으로 변환시킨다(114).

도 9는 본 발명에 따른 측정된 압력값과 속도값의 변화량을 계산하는 순서도로서, 먼저 디지털 압력값에 측정하는 센서마다의 옵셋에 따른 적당한 게인(Gain)값을 곱하여 유효한 압력값을 구하여(121), 이전의 유효한 압력값에서 현재의 유효한 압력값을 차감하여 압력 변화량을 구한다(122). 그런다음 압력값이 350 bar 이상이면 기준범위를 초과한 잘못된 입력이므로 350으로 제한하고, 압력의 변화가 한 샘플 타임당 ±100이상이면 ±100으로 제한하여 정상범위 이내로 조정한다(123). 그리고 굴삭기 특성에 맞도록 기설정된 오버로드(Overload) 테이블에서 압력(P)과 압력 변화량(dP)의 조합으로 지령치를 구한다(124). 테이블을 설정하는 실예를 들면, 테이블의 가로축은 ±15 bar의 변화에 대한 값에 0을 포함한 31개와 350 bar를 10으로 나눈값에 0을 포함하여 36개로 구분할 수 있다. 속도 변화량(dV)은 이전 속도값에서 현재의 속도값을 차감하여 구한다(125).

도 10은 본 발명에 따른 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 순서도인데, 압력의 변화가 높은 경우에는 엔진 rpm을 높여야 하므로 엔진 속도에 대한 PID 제어를 수행하고(141), 이 결과로 엔진 제어기에 속도 지령 및 비례 밸브에 지령을 내려 엔진 속도와 펌프 압력을 제어한다(142).

이상 설명한 바와 같이 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법은, 굴삭기 특성에 적합하도록 오버로드(Overload) 테이블과 부하 추론값 테이블을 설정하고 굴삭기 엔진 및 펌프의 제어 특성을 펌프의 토출 압력과 토출 변화율을 이용한 이산 화된 선형 펌프 모형으로부터 산술적으로 계산하여 퍼지 모델링을 이용함으로써, 적정 출력 시스템의 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 굴삭기 특성에 적합하도록 오버로드(Overload) 테이블과 부하 추론값 테이블을 설정한 퍼지 모델링을 이용하는 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법에 있어서,

   일정한 인터럽트 발생시마다 굴삭기 펌프 압력값과 엔진 속도값을 측정하는 단계;

   상기 측정한 펌프 압력값과 엔진 속도값의 변화량을 계산하는 단계;

   상기 계산한 펌프 압력값 및 엔진 속도값의 변화량으로 부하의 경중을 판단하는 단계; 및

   상기 판단한 부하의 경중에 따라, 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 단계를 포함하여 구성된 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 펌프 압력값과 엔진 속도값을 측정하는 단계는;

   일정한 인터럽트 발생시마다 펌프의 아날로그 압력값을 측정하는 단계;

   상기 측정한 아날로그 압력값을 디지털 압력값으로 변환하는 단계;

   일정한 인터럽트 발생시마다 엔진의 속도에 따른 펄스신호를 측정하는 단계; 및

   상기 측정한 펄스신호를 현재 디지털 속도값으로 변환하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 펌프 압력값과 엔진 속도값의 변화량을 계산하는 단계는;

   상기 디지털 압력값에 미리 규정된 게인(Gain)값을 곱하여 현재 유효 압력값을 계산하는 단계;

   이전에 측정된 유효 압력값에서 상기 계산한 현재 유효 압력값을 차감하여 압력 변화량을 구하는 단계;

   상기 현재 유효 압력값과 압력 변화량을 정상 범위이내로 조정하는 단계;

   미리 저장되어 있는 오버로드 테이블에서 상기 조정된 현재 유효 압력값과 압력 변화량에 해당되는 지령치를 구하는 단계; 및

   이전에 측정된 디지털 속도값에서 상기 측정된 현재 디지털 속도값을 차감하여 속도 변화량을 구하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 단계는;

   상기 판단한 부하의 경중에 따라 엔진 속도에 대한 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하는 단계; 및

   상기 비례-적분-미분 제어의 수행에 따라, 엔진 제어기에 속도 지령을 내리고 비례 밸브에 지령을 내려 엔진 속도와 펌프 압력을 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 굴삭기 엔진 및 펌프의 퍼지 제어 방법.

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