[논문]분수차수제어기를 이용한 솔레노이드밸브 위치제어

강정욱; 전용호

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.1.101

초록
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본 연구는 산업현장에서 많이 사용되는 솔레노이드의 사용함에 있어서, 정밀한 위치 제어를 위한 제어기 설계의 방법을 제안한다. 먼저 관측기는 외란을 적극 반영하여 상태추정을 할 수 있는 루엔버거 관측기를 설계하고 적절한 이득을 설정한다. 관측된 상태를 바탕으로 분수차수 PD제어기를 설계하여, 위치제어에 적용한 결과 분수차수제어기는 목표량이 다르더라도 거의 동일한 제어성능을 얻을 수 있었다. 또한, 정상상태의 위치 오차가 0.1[%]이내이고, 기동시간이 약 0.05초 이내의 정밀한 위치제어성능 가짐을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a method of controller design for precise position control in the use of solenoid which is widely used in industrial field. First, we design a Luenberger's observer that can accurately estimate the disturbance and set the appropriate gain. Based on the observed state, a fractiona...

This study proposes a method of controller design for precise position control in the use of solenoid which is widely used in industrial field. First, we design a Luenberger's observer that can accurately estimate the disturbance and set the appropriate gain. Based on the observed state, a fractional PD controller is designed and applied to the position control. As a result, the fractional order controller can obtain almost the same control performance even if the target position is different. In addition, it was confirmed that the position error of the steady state is within 0.1 [%] and the rising time is within about 0.05 second.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가동철심의 정밀한 위치제어하기 위해 먼저 솔레노이드 밸브의 역학적 모델을 살펴보고 그에 따라 상태관측기를 설계하여 추정된 상태를 분수차수 PID제어기와 일반 PD제어기를 적용하여 그 성능을 비교 검토하고자 한다. 그 성능을 과도상태와 정상상태의 응답의 특성을 확인하고 가동철심의 외란에 대한 강건성에 대한 것으로 나누어 제어기의 성능 개선을 확인한다.

제안 방법

본 연구에서는 가동철심의 정밀한 위치제어하기 위해 먼저 솔레노이드 밸브의 역학적 모델을 살펴보고 그에 따라 상태관측기를 설계하여 추정된 상태를 분수차수 PID제어기와 일반 PD제어기를 적용하여 그 성능을 비교 검토하고자 한다. 그 성능을 과도상태와 정상상태의 응답의 특성을 확인하고 가동철심의 외란에 대한 강건성에 대한 것으로 나누어 제어기의 성능 개선을 확인한다. 먼저 2장에서는 분수차수의 미분에 대한 소개를 하고, 3장에서 솔레노이드밸브의 역학적 모델에 대한 루엔버거 관측기를 구성하여 상태를 추정하며 4장에서는 분수차수에 대한 PD제어기를 구성 이산화하여 설계하며, 5장에서 PID 제어기와 비교 분석하여 성능을 검토하겠다.
본 연구에서는 두 가지 제어기의 성능을 비교한 결과 분수차수 PD제어기가 레퍼런스 량이 변화하더라도 최적의 제어 값을 계산함으로 제어 성능이 크게 변화하지 않은 결과를 얻을 수 있었다. 분수차수 제어기는 이산화하여 차분방정식으로 변환하는 과정에서 오차를 포함하고 있지만 그 오차를 개선하기 위해 m을 6으로 하였다. 추후 분수차수 제어기의 구현에서 모델의 오차를 줄이는 방법과 적절한 제어이득과 분수차수의 선정 방법 등이 보완되어야 할 것이다.
솔레노이드 밸브는 전기적인 에너지를 공급하여 자기력를 발생으로 기계적인 변위를 만드는 가장 단순한 액츄에이터이다. 정밀한 제어기를 설계하기 위해 먼저 솔레노이드 시스템의 수학적 모델을 고려하고 그에 따라 상태관측기를 설계하여 계측이 어려운 상태변수에 대해 상태추정을 하겠다. ;

데이터처리

솔레노이드 밸브의 matlab에서 가상실험을 하였다. 위치제어의 성능을 살펴보고자 일반의 PI제어기와 α는 0.81, 0.71, 0.31의 분수차수를 갖는 제어기를 비교하였다.

성능/효과

분수차수 제어기는 실수범위에서 미분과 적분으로 확장을 하여 제어기를 구성하는 것이다. 본 연구에서는 두 가지 제어기의 성능을 비교한 결과 분수차수 PD제어기가 레퍼런스 량이 변화하더라도 최적의 제어 값을 계산함으로 제어 성능이 크게 변화하지 않은 결과를 얻을 수 있었다. 분수차수 제어기는 이산화하여 차분방정식으로 변환하는 과정에서 오차를 포함하고 있지만 그 오차를 개선하기 위해 m을 6으로 하였다.

후속연구

추후 분수차수 제어기의 구현에서 모델의 오차를 줄이는 방법과 적절한 제어이득과 분수차수의 선정 방법 등이 보완되어야 할 것이다. 또한 외란에 대해 강건한 제어기를 구성하는 방법도 연구되어져야 할 것이다.
분수차수 제어기는 이산화하여 차분방정식으로 변환하는 과정에서 오차를 포함하고 있지만 그 오차를 개선하기 위해 m을 6으로 하였다. 추후 분수차수 제어기의 구현에서 모델의 오차를 줄이는 방법과 적절한 제어이득과 분수차수의 선정 방법 등이 보완되어야 할 것이다. 또한 외란에 대해 강건한 제어기를 구성하는 방법도 연구되어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	범용의 ON/OFF 기능만을 갖는 솔레노이드 밸브는 진동과 과도한 개폐동작으로 인하여 내구성이 감소하며, 전기에너지의 손실이 발생하는 문제의 원인은?	범용의 ON/OFF 기능만을 갖는 솔레노이드 밸브는 전원의 단순 개폐동작으로 소음이 심하며, 진동과 과도한 개폐동작으로 인하여 내구성이 감소하며, 전기에너지의 손실이 발생하는 문제가 있다. 이는 단순히 개폐가 요구되는 곳에서 사용 시 제어의 비용이 증가하는 것을 우려하는 원인으로 판단된다. 하지만 장기적인 관점에서 제어기능의 부가로 소음과 진동, 내구성 등에 에너지 절감까지 장점이 크다.
	솔레노이드 밸브란?	솔레노이드 밸브는 유체의 압력, 유량 및 방향을 조절하는 장치로 산업현장 곳곳에서 유용하게 사용되고 있다. 일반적으로 솔레노이드밸브의 구조는 가동형 철심(Plunger)에 자기력을 생성하기 위해 코일을 감은 형태이다.
	일반적으로 솔레노이드밸브의 구조는 어떤 형태인가?	솔레노이드 밸브는 유체의 압력, 유량 및 방향을 조절하는 장치로 산업현장 곳곳에서 유용하게 사용되고 있다. 일반적으로 솔레노이드밸브의 구조는 가동형 철심(Plunger)에 자기력을 생성하기 위해 코일을 감은 형태이다. 코일에 전기를 흐르게 하면 발생된 자기력에 의해 가동철심 한 면에 장착된 스프링의 탄성을 이기고 움직이며, 전기를 흐르지 않게 하면 스프링의 복원력에 의해 원 상태로 복귀하는 동작을 한다.

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