초록 ▼

Ⅳ 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구결과
가. 종래의 연구
Plow작업기를 위한 위치, 견인력제어에 관한 연구는 주로 구미에서 많은 연구가 수행되었으며, 연구의 대부분은 제어시스템을 구성하고 있는 요소에 대한 이론적인 분석 또는 실험을 통한 성능평가 및 성능향상을 위한 개선.개량등에 관한 것이다. Rotary작업기용 경심 및 부하제어에 관한 연구는 경운작업을 위해 Rotary작업기를 주로 이용하고 있는 일본에서 많은 연구가 수행되었으며, 연구의 대부분은 경심에 관한 Feedback정보를 트랙터 본체측이 아

Ⅳ 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구결과
가. 종래의 연구
Plow작업기를 위한 위치, 견인력제어에 관한 연구는 주로 구미에서 많은 연구가 수행되었으며, 연구의 대부분은 제어시스템을 구성하고 있는 요소에 대한 이론적인 분석 또는 실험을 통한 성능평가 및 성능향상을 위한 개선.개량등에 관한 것이다. Rotary작업기용 경심 및 부하제어에 관한 연구는 경운작업을 위해 Rotary작업기를 주로 이용하고 있는 일본에서 많은 연구가 수행되었으며, 연구의 대부분은 경심에 관한 Feedback정보를 트랙터 본체측이 아닌 주로 Rotary Cover에 Hinge결합된 균평판의 움직임을 회전형 포텐쇼메타로 검출하는 Rotary Cover방식에 관한 것이다. 또한 선진국에서 수행되고 있는 연구의 대부분은 유압회로상의 비례제어밸브에 의한 유량제어에 관한 연구가 주류를 이루고있다.
나. 리프트암각, 차체 Pitching각과 Rotary작업기 경심사이의 관계 농용트랙터의 작업기에 의한 경운작업중의 경심(작업깊이)변화는 주로 불균일한 포장면, 차륜침하등에 의한 차체Pitching 및 지상고의 변화에 의해 발생되며, Rotary작업기와 직접 연결되어 있는 3점링크의 기구학적인 해석을 통해 Rotary작업기의 경심변화를 이론적으로 분석하였다. Rotary작업기에 의한 경운작업은 일반적으로 약10cm정도의 경심에서 행해지며, 분석결과로부터 차체Pitching이 발생하지 않은 경우의 경심 10cm에 대한 공시트랙터의 리프트암의 각도는 약0°이다. 또한 공시트랙터의 전.후륜의 침하차가 약15cm라고 가정할때의 차체Pitching각은 약±4.7°이며, 이 Pitching각에 의한 공시작업기의 경심변화는 약9.8cm이다. 따라서 제어시스템은 최소한 약9.8cm의 경심변화의 보상에 필요한 응답성을 확보할 필요가 있음을 알 수 있다.
다. 제어시스템의 개요
제어시스템은; 1)작업기에 의한 작업조건등의 설정 및 조작을 위한 설정 조작부, 2)작업기의 위치, 견인력, 경심 및 작업부하등의 검출을 위한 각종 센서로 구성되는 검출부, 3)센서로 부터의 신호를 입력보드(A/D보드)를 통해 읽어들여 각종 연산처리를 수행하고, 출력보드(D/A 및 D/O보드)통해 밸브구동회로에 제어신호를 출력하기 위한 마이크로컴퓨터 및 유압밸브의 구동을 위한 밸브 구동회로로 구성되는 전자제어부, 4)전자제어부로 부터의 제어신호에 의해 솔레노이드밸브를 간접제어함으로서 유압실린더의 작동을 위한 유압회로 및 실린더, 5)리프트암을 통해 유압실린더와 직접 연결되어 있는 3점링크 및 작업기의 5요소로 구성되어 있다. 또한, 제어시스템은 작업기에 따른 기본제어외에 운전자의 편의등을 고려하여 리프트암상한, 원터치상승, 전.후진상승 및 스티어링상승등의 부가제어가 가능하도록 설계되어 있다.
라. 제어시스템의 수학적 모델링 및 컴퓨터 시뮬레이션
설계된 제어시스템에 대한 실.내외 실험을 수행하기 전에 제어시스템의 수학적 모델링 및 컴퓨터 시뮬레이션을 행하였다. 스텝응답에 대한 시뮬레이션에서는 하강유량 41lpm에서 약3。의 오버슈트현상이 관측되었으며,이러한 현상을 방지하기 위해 하강유량을 조절할 필요가 있음을 알 수 있다. 실린더에의 입력유량 16lpm, 진폭±10。에 대한 주파수응답시뮬레이션의 결과로부터 입력주파수 1hz까지는 시스템이 잘 추종함을 알 수 있었다.
마. 제어시스템에 대한 실내에서의 응답특성실험
예비실험의 결과로부터 공시트랙터의 유압펌프의 토출유량은 엔진회전수와 함께 선형적으로 증가하며, 2500rpm에서의 토출유량은 약26lpm임을 알 수 있었다. 또한 엔진회전수의 변화(1500, 2000 및 2500rpm)에 따른 밸브블록의 P포트측에서 측정한 밸브의 압력손실은 저속의 경우 11, 17 및 23Kgf/cm2이고, 고속의 경우 17, 24 및 32Kgf/cm2이었으며, 공시트랙터의 유압탱크측(밸브블록의 T포트)에서 걸리는 배압이 2500rpm에서 약 9Kgf/cm2인 것을 고려하면 고속시의 엔진회전수 2500rpm에서의 밸브블록상의 밸브에 의한 순수 압력손실은 23Kgf/cm2이다. 중립시의 공시작업기에 의한 순수 실린더의 압력(A포트)은 약43Kgf/cm2이며, 공시트랙터에 의한 작업기의 작동을 위한 압력은 2500rpm에서 75kgf/cm2이상의 압력이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 유압회로에 사용된 유압밸브의 응답성(Open 및 return시간)은 상승 및 하강에 관계없이 약20 - 40msec이었다.
과도응답특성실험결과로부터 고속하강의 경우 과도상태에서 약간의 헌칭 현상이 관측되었으며, 상승의 경우 엔진회전수 1500rpm에서는 거의 헌칭 없이 안정된 특성을 보여주었으나, 2000 및 2500rpm에서는 엔진회전수와 함께 과도상태에서의 헌칭량도 증가하였다. 정상상태에서의 제어편차는 고속상승의 경우, 엔진회전수 1500, 2000 및 2500rpm에서 약1.1°, 0.3° 및 0.1°이며, 하강의 경우는 엔진회전수에 관계없이 약0.3°이었다. 저속의 경우는 엔진회전수 및 상.하강에 관계없이 과도상태에서 헌칭없는 안정된 제어특성을 보여주었으며, 정상제어편차는 엔진회전수에 관계없이 상승의 경우 약0.07°, 하강의 경우 약0.15°이다. 주파수응답특성실험결과에서는 고속작동의 경우, 입력주파수 0.9Hz까지는 엔진회전수 및 상.하강에 관계없이 리프트암이 설정치에 잘 추종하였으나, 1.0Hz에서는 약간의 위상차가 관측되었으며, 2Hz에서는 입.출력비(게인)의 감소와 함께 위상차도 크게 증가하였다. 저속작동의 경우는 입력주파수 0.5Hz까지는 엔진회전수 및 상.하강에 관계없이 리프트암이 설정치에 잘 추종하였으나, 0.7Hz에서는 약간의 위상차가 관측되었으며, 0.9Hz에서는 입.출력비(게인)의 감소와 함께 위상차도 크게 증가하였다. 고.저속절환특성실험결과에서는 상승 및 하강에 관계없이 리프트암은 고속으로 작동하다가 고속용밸브가 Off되면서 유압회로내의 순간적인 유량 Unbalance에 의한 리프트암의 멈춤현상없이 부드럽게 저속으로 작동하였다. 또한 고.저속절환특성은 변환각 및 저속유량에 크게 영향을 받지 않았다.
바. 공시트랙터에 의한 실포장에서의 성능실험
주행속도 1.3, 2.3 및 4.2Km/h에서의 위치제어실험의 결과, 상승의 경우는 주행속도에 관계없이 제어편차가 약0.3°로 리프트암이 위치레버에 의한 설정치에 잘 추종하였으나, 하강의 경우는 리프트암의 각도가 약-5°(경심 약17cm)까지는 리프트암이 위치레버에 잘 추종하였으나, 그 이하의 각도에서는 실험시기가 겨울철인 관계로 토양반력이 작업기의 자중보다 커서 추종하지 못하였다. 견인력제어실험에서는 견인력제어가 주행속도에 관계없이 잘 행해졌으며, 제어편차에 대한 표준편차는 주행속도 2.3Km/h에서 22.6Kgf이고, 4.2Km/h에서 24.5Kgf이었다. 부하제어실험에서의 부하제어는 주행속도에 관계없이 잘 행해졌으며, 제어편차에 대한 표준편차는 주행속도 1.3Km/h에서 171rpm이고, 2.3Km/h에서 164rpm이었다. 원터치,전.후진 및 스티어링상승제어의 부가제어성능실험에서는 작업중의 스위치 조작 및 센서신호에 의해 헌칭등의 이상현상없이 작업기를 운전자에 의해 설정된 상한설정위치 및 위치레버에 의한 설정위치까지 한번에 상승하거나 하강하였다.
이상과 같이, 본 연구에서 연구.개발된 작업기제어시스템은 높은 제어성능을 보여주었으며, 국내 농기업체와의 양산.개발을 통해 국내 농용트랙터에의 상품화 적용이 가능할 것으로 생각된다.
2. 활용에 대한 건의
본 연구에서 설계된 작업기(혼합) 제어시스템은 실내에서의 응답특성실험 및 실포장에서의 경운작업 성능실험을 통해 농용트랙터에의 적용가능성이 충분히 규명되었다. 또한 제어시스템의 일부분인 Plow작업기를 위한 위치 및 견인력제어시스템은 이미 양산개발을 완료하여 국내 T사의 농용트랙터에 장착되어 실제 농작업에 활용되고 있으며, L사와는 양산개발을 수행하고 있는중이다. 위치 및 견인력제어시스템의 양산개발 경험을 토대로 이미 연구개발이 완료된 Rotary작업기를 위한 경심 및 부하제어도 2003년부터 양산개발을 국내 농기메이커와 공동으로 수행할 예정이다. 향후, 콤바인의 예취부제어, 차체수평제어, 이양기의 식부수평 및 고저제어등과 같이 트랙터이외의 타 기종에의 적용을 위한 연구개발에 착수하려고 한다.
연구개발된 작업기제어시스템에 대한 국내에서의 신뢰성실험을 좀더 수행한 후에 국.내외 전시회 및 해외관련업체등을 통해 독자적으로 또는 국내 농용트랙터에 장착하여 해외시장으로 진출할 예정이다.

Abstract ▼

The objective of this study is to design the implement control system for agricultural tractors, to evaluate the performance of the control system through indoor and field experiments, and to review the possibility of application of the designed control system to agricultural tractors.
The contro

The objective of this study is to design the implement control system for agricultural tractors, to evaluate the performance of the control system through indoor and field experiments, and to review the possibility of application of the designed control system to agricultural tractors.
The control system was composed of four main units; 1)a detecting unit to measure the angle of a liftarm, the draft force, the tillage depth, the working load, and so on, 2)a controller, 3)hydraulic circuits to operate the three point linkage by the hydraulic cylinder, 4)a three point linkage and implements. The control system was designed to have such additional control mode as one touch up, back up and steering up control as well as such basic control mode as position, draft, tillage depth and working load control. The hydraulic circuits were composed of on/off solenoid valves and a valve block, and were designed that two kinds of flow rates were supplied into the hydraulic cylinder by on/off operation of the solenoid valve for low speed.
First of all, the theoretical analysis on the three point linkage was carried out to get the fundamental data which needs for design of the control system. the tilling work by rotary implements was generally carried out at 10cm of tillage depth. When the tillage depth was 10cm, the angle of liftarm of the tractor which was used for experiments was about 0 degree. If the difference of sinkage between the front and rear wheel is 15cm, the pitching angle of the tractor, which occurs due to the sinkage, is about ±4.7degree, and the variation in tillage depth is about 9.8cm.
Before indoor experiments, Preliminary experiments were conducted to investigate flow rates of the hydraulic pump, and the pressure drop by solenoid valves in accordance with variation of engine speeds. And then, experiments to investigate response characteristics of the control system were conducted in indoor. From results of preliminary experiments, the flow rate of hydraulic pump was about 26lpm, and pressure drop by the solenoid valve was about 23Kgf/cm2 at 2500rpm of engine speed. And also, the response time(open and return time) of solenoid valves was within the range of 20 - 40msec. In step response characteristic experiments, a little hunching phenomenon was observed in high speed operation, but hunching phenomenon was scarcely observed in low speed. The deviation of output from the set value was sufficiently small in the steady state. The results of the frequency response experiments, for low speed and amplitude of 12degree, showed that the control system followed well to the desired value within the range of 0.7Hz. However, the overall ascent trend and considerable phase lag of output of the control system were observed at the input frequency of 0.9Hz.
The field experiments in an actual field were conducted to evaluate the adaptability of the control system to the field under the condition of three kinds of ground speeds(1.3, 2.3 and 4.2Km/h). The results of the field experiments for basic and additional control mode showed that the control system followed well to the desired value, in spite of the variation in the ground speeds and desired values.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 14
• 제1장 서론 ... 16
• 제1절 종래연구의 개요 ... 17
• 제2절 연구의 목적 및 보고서의 구성 ... 24
• 제2장 이론적 고찰 ... 26
• 제1절 리프트암의 위치와 경심 사이의 관계 ... 27
• 제2절 차체 Pitching각과 경심 사이의 관계 ... 31
• 제3장 제어 시스템의 구성 ... 34
• 제1절 설정조작부 ... 35
• 제2절 전자제어부 ... 35
• 제3절 검출부 ... 43
• 제4절 유압회로 ... 64
• 제4장 제어시스템에 대한 시뮬레이션 ... 67
• 제1절 수학적 모델링 ... 67
• 제2절 컴퓨터 시뮬레이션 ... 75
• 제5장 제어시스템의 실내에서의 응답특성실험 ... 86
• 제1절 실험장치 ... 87
• 제2절 예비실험 ... 88
• 제3절 과도응답특성실험 ... 93
• 제4절 주파수응답특성실험 ... 96
• 제5절 고.저속 절환특성실험 ... 101
• 제6장 제어시스템의 포장에서의 응답특성실험 ... 106
• 제1절 실험장치 ... 107
• 제2절 기본제어에 관한 성능실험 ... 108
• 제3절 부가제어에 관한 성능실험 ... 112
• 제7장 결론 ... 118
• 참고문헌 ... 122
• 부록 ... 125
• 끝페이지 ... 125