[논문]궤도차량의 동적 궤도장력 조절시스템을 위한 유압시스템의 동적 모델링

허건수; 임훈기; 서문석

[국내논문] 궤도차량의 동적 궤도장력 조절시스템을 위한 유압시스템의 동적 모델링
Hydraulic System Modeling far Dynamic Track Tensioning System in Tracked Vehicles 원문보기

허건수 (한양대학교 기계공학부) , 임훈기 (한양대 대학원 정밀기계공학과) , 서문석 (국방과학연구소)

DTTS(Dynamic Track Tensioning System) system requires robust control performance for the various maneuvering tasks. However, it is very difficult to tune the controller gains in experiments. In this paper, the hydraulic unit is modeled and constructed into the DTTS control module in Matlab/Simulink The control module is interfaced to the vehicle dynamics module so that the control performance of the DTTS system can be evaluated in simulations. The dynamics data and control input data are exchanged between two modules at each control time-step. The gains in the fuzzy-logic controller are varied and the control performance is evaluated in simulations. The proposed simulation tool can be very useful for the gain tuning of track tension controller in bucked vehicles

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문제 정의

본 논문에서는 동적 궤도장력 조절시스템을 위하여 개발된 복동형 유압장치에 대하여 그 특성을 조사하고자 한다. 특히 궤도장력이 너무 크거나 작지 않도록 제안된 유압장치의 각 구성품을 소개하고 각각의 동적특성을 모델링하여 유압장치 모델을 구축하였다.
유압장치와 연계된 궤도장력 제어성능을 검토하기 위해서 차량의 주행상황을 기술하는 차량속도, 가속도, 노면상 시뮬레이션이 수행되도록 하였다. 장력제어 목적은 주행조건에 상관없이 아이들러와 스프로킷 장력 중에서 작은 값을 택하여 최소장력이 유지되도록 제어하는 것이다.

제안 방법

이에 Huh et al.^(3,4)은 아이들러 어셈블리의 기하학적 구조와 확장된 칼만필터 (Extended Kalman Filter, EKF)를 이용하여 궤도차량의 직진 주행시 실시간으로 주요 부위에서의 궤도장력을 추정하였다. 또한 감지된 궤도장력을 바탕으로 궤도장력을 직접 제어하는 방식을 제안하였다⁽⁵⁾ 제안된 동적 궤도장력 조절시스템을 실차에 적용하기 위해서는 궤도차량이 다양한 노면 주행시 제어기 설계에 필요한 여러 가지 정보를 얻을 수 있는 시뮬레이션 툴이 구축되어야 한다.
본 논문에서는 동적 궤도장력 조절시스템을 위하여 개발된 복동형 유압장치에 대하여 그 특성을 조사하고자 한다. 특히 궤도장력이 너무 크거나 작지 않도록 제안된 유압장치의 각 구성품을 소개하고 각각의 동적특성을 모델링하여 유압장치 모델을 구축하였다. 구축된 유압장치 모델을 궤도장력 제어용 모듈에 포함시키고 이 모듈을 또 궤도차량 동력학 모듈⁽⁶⁾로 연결시켜 동시에 같이 시뮬레이션이 되도록 하였다.
특히 궤도장력이 너무 크거나 작지 않도록 제안된 유압장치의 각 구성품을 소개하고 각각의 동적특성을 모델링하여 유압장치 모델을 구축하였다. 구축된 유압장치 모델을 궤도장력 제어용 모듈에 포함시키고 이 모듈을 또 궤도차량 동력학 모듈⁽⁶⁾로 연결시켜 동시에 같이 시뮬레이션이 되도록 하였다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다. 2장에서는 실제 궤도차량에 장착되어지는 유압시스템을 모델링하였고, 3장에서는 구성된 시뮬레이션 툴을 이용한 궤도장력 제어 시뮬레이션을 수행하였으며 동적 궤도장력 조절시스템이 실차에 적용되기 위해 필요한 제어 알고리즘을 시뮬레이션 분석을 통하여 검증하였다. 그리고 마지막 4장에서 결론을 맺었다.
1515m를 제어할 수 있고 서보밸브와 관로손실 등을 고려하여 28MPa로 설정되어 있다. 이 유압시스템은 궤도장력 조절시 장력조절 실린더의 팽창시에만 유압동력을 이용하고 수축시에는 궤도장력을 이용하는 방식을 사용하였다. 본 논문에서 사용된 유압시스템의 전체구성도는 Fig.
동적 궤도장력 조절기에 사용되는 실린더는 Fig. 4와 같이 일반적으로 사용되는 실린더와는 다른 구조를 가지고 있으며 실린더 압력이 항상 최소 2톤 또는 4톤의 하중을 보상할 수 있도록 설계, 제작되었고 일반적인 실린더에 챔버측을 추가하여 설계함으로써 정하중 보상을 수행할 수 있도록 하였다.
유압장치와 연계된 궤도장력 제어성능을 검토하기 위해서 차량의 주행상황을 기술하는 차량속도, 가속도, 노면상 시뮬레이션이 수행되도록 하였다. 장력제어 목적은 주행조건에 상관없이 아이들러와 스프로킷 장력 중에서 작은 값을 택하여 최소장력이 유지되도록 제어하는 것이다.
직진 주행은 정지(5초), 가속(10초), 등속(10초), 감속(10 초)의 속도입력과 다양한 기준장력 및 노면조건을 적용하였으며 조향 주행에서는 정지구간을 제외한 속도입력으로 시뮬레이션을 수행하였다.
궤도차량의 조향은 차량 좌우측의 스프로킷 회전차에 의해서 이루어지며 차량이 전진하며 우회전할 때 1F2R의 경우에 대해서 기준장력은 4ton, 차량의 중심속도는 10WA 가 되도록 시뮬레이션을 하였다. 여기서 F는 기어의 단수, R은 차량의 스티어링 휠각을 나타내며 왼쪽과 오른쪽 장력에 대한 시뮬레이션 결과를 Fig.
동적 궤도장력 제어기를 실차에 적용시키기 위해서 개발된 복동형 유압장치를 소개하고 그 특성을 모델링하였다. 유압장치 모델을 궤도장력 제어기와 함께 Matlab상에서 구성하고 RecurDyn상에서 구성된 궤도차량 동역학 모델과 연결하였다.
동적 궤도장력 제어기를 실차에 적용시키기 위해서 개발된 복동형 유압장치를 소개하고 그 특성을 모델링하였다. 유압장치 모델을 궤도장력 제어기와 함께 Matlab상에서 구성하고 RecurDyn상에서 구성된 궤도차량 동역학 모델과 연결하였다. 구성된 각 시스템이 유기적으로 결합하여 서로 정보를 주고받으며 시뮬레이션이 되게 하는 통합적 시뮬레이션 툴을 구성하기 위해서 Matlab-RecurDyn Interfacing 방식을 사용하였다.
구성된 각 시스템이 유기적으로 결합하여 서로 정보를 주고받으며 시뮬레이션이 되게 하는 통합적 시뮬레이션 툴을 구성하기 위해서 Matlab-RecurDyn Interfacing 방식을 사용하였다. 구성된 시뮬레이션 툴을 이용하여 궤도 차량이 다양한 상황에서 주행할 때 동적 궤도장력 조절시스템이 작동하는 것을 시뮬레이션 하였으며 이를 분석해서 퍼지 제어기의 입출력 게인과 적정 궤도장력 등의 실차 적용에 필요한 개별적 설계 변수들을 제시하였다.

이론/모형

유압장치 모델을 궤도장력 제어기와 함께 Matlab상에서 구성하고 RecurDyn상에서 구성된 궤도차량 동역학 모델과 연결하였다. 구성된 각 시스템이 유기적으로 결합하여 서로 정보를 주고받으며 시뮬레이션이 되게 하는 통합적 시뮬레이션 툴을 구성하기 위해서 Matlab-RecurDyn Interfacing 방식을 사용하였다. 구성된 시뮬레이션 툴을 이용하여 궤도 차량이 다양한 상황에서 주행할 때 동적 궤도장력 조절시스템이 작동하는 것을 시뮬레이션 하였으며 이를 분석해서 퍼지 제어기의 입출력 게인과 적정 궤도장력 등의 실차 적용에 필요한 개별적 설계 변수들을 제시하였다.

후속연구

^(3,4)은 아이들러 어셈블리의 기하학적 구조와 확장된 칼만필터 (Extended Kalman Filter, EKF)를 이용하여 궤도차량의 직진 주행시 실시간으로 주요 부위에서의 궤도장력을 추정하였다. 또한 감지된 궤도장력을 바탕으로 궤도장력을 직접 제어하는 방식을 제안하였다⁽⁵⁾ 제안된 동적 궤도장력 조절시스템을 실차에 적용하기 위해서는 궤도차량이 다양한 노면 주행시 제어기 설계에 필요한 여러 가지 정보를 얻을 수 있는 시뮬레이션 툴이 구축되어야 한다. 기존의 궤도장력 조절의 시뮬레이션⁽⁵⁾에서는 단동형 유압장치를 가정하여 제어성능을 검토한 바 있으나 궤도장력과 같이 매우 크고 급격하게 변화하는 경우에는 이런 유압 장치가 적합하지 않다.
본 논문에서 모델링 되어진 유압시스템과 구축된 시뮬레이션 툴을 이용하여 극한 상황에서 궤도차량의 동적 거동과 궤도이탈 현상들을 시뮬레이션을 통하여 분석함으로써 제어기 설계 및 검증을 용이하게 하고 실차실험의 위험성과 비용을 감소시키며 궤도차량의 기동성과 내구성 향상을 위한 적절한 궤도장력에 대한 연구를 수행하는데 있어서 시간과 비용을 단축시킬 수 있을 것이다.

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