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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 유압·기계식 수문의 동조 제어를 위하여 PID 시스템 제어 이론에 대하여 살펴보고, FDC 시스템을 제안 및 설계하였다.
- 본 논문에서는 유압-기계식 수문 개폐를 위하여 FDC 시스템을 개발하고, 다중 유압실린더 수문 권양기의 동조 제어를 위하여 개발된 FDC 시스템을 구현하였다. 또한 동조 제어 실험을 위하여 FDC 모니터링 시스템을 개발하였고, 실험 장비로 혼합 수문 시스템을 제작하였다.
- 본 연구에서 구현된 FDC 시스템의 검증을 위하여 FDC 모니터링 시스템을 개발하였다. FDC 모니터링 시스템의 개발은 LS 산전의 InfoU 프로그램을 사용하였으며, 완성된 모니터링 시스템의 GUI는 다음 그림 3과 같다.
- 본 절에서는 수문의 개폐 시 작용하는 외부 하중으로부터 발생하는 불완전 동조를 개선하기 위한 방안으로 힘과 변위를 고려한 동조 시스템인 FDC 시스템을 설계하였고, 이의 구현을 위하여 PID 제어방법을 제시하였다.
제안 방법
- FDC 시스템의 검증을 위하여, 제작한 FDC 모니터링 시스템과 혼합 수문 제어 시스템으로 실험장비세트를 구성하였다. 다중 유압실린더 수문 모형은 주로 연직 상·하향 개폐를 하지만, 실험실의 여건 상 수평운동을 하도록 배치하였으며, 연직상태와 같은 효과를 주기 위하여 피스톤의 수직 방향으로 하중을 주어 실제 수문의 거동을 모사하였다.
- FDC 시스템의 검증을 위해 실험 장비 set의 혼합(유압-기계식) 수문 시스템을 설계 및 제작하였다. 설계된 혼합 수문 시스템은 수문을 개폐하는 다중 유압 실린더 수문 권양기와 수문의 상태를 계측하는 센서, 계측 된 결과에 따라 PID 연산을 통하여 유압 공급 장치(Hydraulic Power Pack)에 제어 신호를 공급하는 통제 장치 공급된 제어 신호에 따라 혼합 수문 시스템에 인가하는 유압을 조절하는 유압 공급 장치으로 구성 하였다.
- 본 연구에서 다중 유압 실린더 수문 권양기 시스템의 동조 제어를 위하여 실린더의 유압과 피스톤의 변위를 고려한 FDC 시스템을 설계하고, 이를 구현하기 위하여 PID 제어 기법을 적용하였다. LS 산전의 XG 5000프로그램의 PID 기능을 이용하여 FDC 시스템을 구현 하였으며, 구현된 FDC 시스템의 검증을 위하여 모니터링 시스템을 개발하고, 혼합 수문 시스템을 제작하여 FDC 성능 검증을 위한 실험 장비 set을 구성하였다.
- 기본 상태에서 우측 피스톤을 기준 변위 80 cm, 60 cm, 40 cm, 20 cm로 설정한 후 좌측 피스톤에 기준 변위에서 5cm의 오차를 준 상태의 개폐 운동 시 동조 제어 실험을 수행하였다. 각각 유압실린더는 수문 권양기의 권양 속도 기준인 0.3~2.0 m/min의 범위 안에서 운동하도록 하였다. 또한 유압실린더의 운동 시 각각 피스톤에 부착 된 스프링과 좌측 피스톤에 결속한 중량물로 유압실린더간의 조건을 달리 하였다.
- 또한 유압실린더의 운동 시 각각 피스톤에 부착 된 스프링과 좌측 피스톤에 결속한 중량물로 유압실린더간의 조건을 달리 하였다. 결과적으로 FDC 시스템의 동조 제어 실험으로부터 실험조건별 성능은 측정된 피스톤의 변위와 동조 제어 소요 시간을 바탕으로 평가하였다.
- FD값이 5 mm/m 이하인 경우 유압조절밸브의 상태를 그대로 유지하며, FD 값이 5 mm/m를 초과할 경우 aLo와 aLo 중 작은 값이 계측된 실린더에 유압을 집중 시킬 수 있도록 유압 조절밸브를 조절하게 된다. 결과적으로 두 개 피스톤의 위치 오차에 따라 유압조절 밸브를 제어함으로써 두 개의 유압 실린더 동조를 이루도록 하였다.
- FDC 시스템의 검증 실험은 수문이 완전히 닫혀 있는 상태인 좌·우측 피스톤의 변위 100 cm 상태를 기본 상태로 설정을 하였다. 기본 상태에서 우측 피스톤을 기준 변위 80 cm, 60 cm, 40 cm, 20 cm로 설정한 후 좌측 피스톤에 기준 변위에서 5cm의 오차를 준 상태의 개폐 운동 시 동조 제어 실험을 수행하였다. 각각 유압실린더는 수문 권양기의 권양 속도 기준인 0.
- 다중 유압실린더 수문 모형은 주로 연직 상·하향 개폐를 하지만, 실험실의 여건 상 수평운동을 하도록 배치하였으며, 연직상태와 같은 효과를 주기 위하여 피스톤의 수직 방향으로 하중을 주어 실제 수문의 거동을 모사하였다.
- 또한 동조 제어 실험을 위하여 FDC 모니터링 시스템을 개발하였고, 실험 장비로 혼합 수문 시스템을 제작하였다. 동조 실험 장비 set 를 이용하여 4가지 조건하에서 동조 실험을 실행하였다. 이를 통하여 구현된 FDC 시스템은 각각 유압실린더의 피스톤 위치 오차와 실린더 유압 차이를 획득하고 PID 제어를 통하여 통제 장치로 출력 신호를 보낸다.
- 또한 XG 5000프로그램의 PID 기능을 이용하여 FDC 시스템을 구현하였으며, 혼합 수문 제어 시스템과 FDC 모니터링 시스템을 제작·개발하여 구현된 FDC 시스템의 성능을 검증하였다.
- 본 논문에서는 유압-기계식 수문 개폐를 위하여 FDC 시스템을 개발하고, 다중 유압실린더 수문 권양기의 동조 제어를 위하여 개발된 FDC 시스템을 구현하였다. 또한 동조 제어 실험을 위하여 FDC 모니터링 시스템을 개발하였고, 실험 장비로 혼합 수문 시스템을 제작하였다. 동조 실험 장비 set 를 이용하여 4가지 조건하에서 동조 실험을 실행하였다.
- 0 m/min의 범위 안에서 운동하도록 하였다. 또한 유압실린더의 운동 시 각각 피스톤에 부착 된 스프링과 좌측 피스톤에 결속한 중량물로 유압실린더간의 조건을 달리 하였다. 결과적으로 FDC 시스템의 동조 제어 실험으로부터 실험조건별 성능은 측정된 피스톤의 변위와 동조 제어 소요 시간을 바탕으로 평가하였다.
- 피스톤의 변위를 나타내는 D는 실시간으로 데이터를 보일 수 있도록 하였고, 획득된 데이터를 저장할 수 있도록 하였으며, 각 피스톤을 다른 색으로 표시하여 두 피스톤의 변위를 한눈에 확인할 수 있도록 하였다. 마지막으로 유압실린더의 동조차를 나타내는 E는 실시간으로 변하는 두 유압실린더 간의 동조차를 그래프로 표현하였으며, 자료를 저장할 수 있도록 하였다.
- 설계된 FDC 시스템은 측정된 각 실린더와 피스톤의 계측 값에 따라 다중 유압 실린더 수문 권양기의 동조를 위하여 유압조절밸브를 조절하도록 이루어진 시스템이다. 본 논문에서는 그림 1과 같은 두 개의 유압 실린더를 이용하여 수문을 개폐하는 다중 유압 실린더 수문 권양기 시스템을 고려하였다.
- 본 논문에서는 설계된 FDC 시스템을 구현하고, FDC시스템의 성능을 4가지 위치에서 동조 제어 실험을 하였으며, 이때 획득된 피스톤의 변위와 동조 제어 소요 시간을 비교 하였다. 아래 그림 5는 동조 제어 실험을 통하여 획득한 동조 제어 그래프이다.
- 본 연구에서 다중 유압 실린더 수문 권양기 시스템의 동조 제어를 위하여 실린더의 유압과 피스톤의 변위를 고려한 FDC 시스템을 설계하고, 이를 구현하기 위하여 PID 제어 기법을 적용하였다. LS 산전의 XG 5000프로그램의 PID 기능을 이용하여 FDC 시스템을 구현 하였으며, 구현된 FDC 시스템의 검증을 위하여 모니터링 시스템을 개발하고, 혼합 수문 시스템을 제작하여 FDC 성능 검증을 위한 실험 장비 set을 구성하였다.
- 본 연구에서는 설계된 FDC 시스템의 구현을 위하여 PID 제어를 이용하였다. PID 제어란 제어 대상의 상태를 설정된 값(목표값, SV)으로 유지하기 위하여 검출부(센서)에서 측정된 값(현재 값, PV)과 미리 설정한 목표 값을 비교하여 두 값 사이에 오차(FD)가 존재하는 경우 제어기가 이 오차를 없애기 위해 출력(제어신호, MV)를 조정하여 현재 값이 목표 값에 도달하도록 하는 제어 방법이다.
- FDC 시스템의 검증을 위해 실험 장비 set의 혼합(유압-기계식) 수문 시스템을 설계 및 제작하였다. 설계된 혼합 수문 시스템은 수문을 개폐하는 다중 유압 실린더 수문 권양기와 수문의 상태를 계측하는 센서, 계측 된 결과에 따라 PID 연산을 통하여 유압 공급 장치(Hydraulic Power Pack)에 제어 신호를 공급하는 통제 장치 공급된 제어 신호에 따라 혼합 수문 시스템에 인가하는 유압을 조절하는 유압 공급 장치으로 구성 하였다. 다음 그림 4는 설계된 혼합 수문 시스템의 구성도와 실험실에 배치한 혼합 수문 시스템이다.
- 통제 장치(Control Panel)의 파워를 on/off 시키는 B는 통제 장치에서 중앙 통제로 설정하였을 때 사용이 가능하도록 조정하였다. 수동/PID제어를 선택하는 C는 수동의 경우 각각 피스톤의 위치를 임의로 설정 할 수 있도록 하였으며, 자동으로 설정 할 경우 PID연산의 결과에 따라 유압실린더가 서로 동조를 이룰 수 있도록 속도와 목표 값을 입력할 수 있도록 하였다. 피스톤의 변위를 나타내는 D는 실시간으로 데이터를 보일 수 있도록 하였고, 획득된 데이터를 저장할 수 있도록 하였으며, 각 피스톤을 다른 색으로 표시하여 두 피스톤의 변위를 한눈에 확인할 수 있도록 하였다.
- 이 때, 각각의 인양장치에 적정하게 힘을 분산시키고, 각 인양장치 마다 같은 인양속도로 반드시 동조를 이루어 중량물을 인양하여야만 그 중량물을 안전하게 이동시킬 수 있다. 이러한 다중 유압 실린더 수문 권양기의 동조 시스템 구축을 위하여 실린더의 유압과 피스톤의 위치를 동시에 계측할 수 있는 시스템인 FDC 시스템을 설계하였다. 설계된 FDC 시스템은 측정된 각 실린더와 피스톤의 계측 값에 따라 다중 유압 실린더 수문 권양기의 동조를 위하여 유압조절밸브를 조절하도록 이루어진 시스템이다.
- 수동/PID제어를 선택하는 C는 수동의 경우 각각 피스톤의 위치를 임의로 설정 할 수 있도록 하였으며, 자동으로 설정 할 경우 PID연산의 결과에 따라 유압실린더가 서로 동조를 이룰 수 있도록 속도와 목표 값을 입력할 수 있도록 하였다. 피스톤의 변위를 나타내는 D는 실시간으로 데이터를 보일 수 있도록 하였고, 획득된 데이터를 저장할 수 있도록 하였으며, 각 피스톤을 다른 색으로 표시하여 두 피스톤의 변위를 한눈에 확인할 수 있도록 하였다. 마지막으로 유압실린더의 동조차를 나타내는 E는 실시간으로 변하는 두 유압실린더 간의 동조차를 그래프로 표현하였으며, 자료를 저장할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 다중 유압실린더 수문 모형은 주로 연직 상·하향 개폐를 하지만, 실험실의 여건 상 수평운동을 하도록 배치하였으며, 연직상태와 같은 효과를 주기 위하여 피스톤의 수직 방향으로 하중을 주어 실제 수문의 거동을 모사하였다. FDC 시스템과 통제 장치는 실시간 통신을 통하여 데이터를 획득하였다.
- FDC 시스템의 검증 실험은 수문이 완전히 닫혀 있는 상태인 좌·우측 피스톤의 변위 100 cm 상태를 기본 상태로 설정을 하였다.
- 그림 4에서 A는 실제 수문을 모형화한 다중 유압실린더 수문 권양기 모형으로 각 유압실린더는 63*35*1000ST 크기의 HY'D(Hydraulic) CYLINDER와 변위를 측정하는 센서인 RHM 1000MD6101A01 LVDT(EMPO-RH)로 구성하였으며, 지그와 피스톤은 스프링으로 연결하여 유압 실린더의 개폐에 따라 실린더에 인가되는 외부하중이 증가·감소하도록 제작하였다.
성능/효과
- 출력 신호를 받은 통제 장치는 유압 공급 장치를 제어하여 유압실린더에 유입 되는 유압량을 조절하면서 다중 유압실린더 수문 권양기를 짧은 소요 시간에 동조를 이루도록 제어하는 것을 확인하였다. 이상의 결과로부터 개발된 FDC 시스템은 다중 유압실린더 수문 권양기의 동조 제어에 효과적임을 입증하였다.
- 이상의 결과로부터 스프링과 중량물의 차이로 인하여 구간 별 실린더에 가해지는 힘이 다름에도 불구하고, 7sec에서 ±2sec 사이의 소요 시간 안에 두 개의 유압실린더가 동조를 이루며 제어됨을 확인할 수 있었다.
- 또한 XG 5000프로그램의 PID 기능을 이용하여 FDC 시스템을 구현하였으며, 혼합 수문 제어 시스템과 FDC 모니터링 시스템을 제작·개발하여 구현된 FDC 시스템의 성능을 검증하였다. 최종적으로 본 논문에서 구현된 FDC 시스템은 다중 유압 실린더 수문 권양기의 동조 제어에 효과적인 시스템임을 입증하였다.
- 이를 통하여 구현된 FDC 시스템은 각각 유압실린더의 피스톤 위치 오차와 실린더 유압 차이를 획득하고 PID 제어를 통하여 통제 장치로 출력 신호를 보낸다. 출력 신호를 받은 통제 장치는 유압 공급 장치를 제어하여 유압실린더에 유입 되는 유압량을 조절하면서 다중 유압실린더 수문 권양기를 짧은 소요 시간에 동조를 이루도록 제어하는 것을 확인하였다. 이상의 결과로부터 개발된 FDC 시스템은 다중 유압실린더 수문 권양기의 동조 제어에 효과적임을 입증하였다.
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