비례제어밸브의 비선형 유량특성 보상에 의한 유압모터 구동장치 제어 성능향상에 관한 연구

Abstract

In a hydraulic motor drive system controlled by a proportional valve, a control error occurs due to the non-linear flow characteristics of the proportional valve. This nonlinear flow rate characteristic is caused by the existence of a deadband in which the spool is not fully opened even when a current is applied to the proportional valve. Errors occurring when controlling the hydraulic system have a risk of leading to a major accident. For example, the Emergency Shut-Down(ESD) valve system is a hydraulic motor driving system that prevents accidents by quickly shutting off and controlling abnormal LNG flow and pressure when it occurs. At this time, an accident may occur if the fluid is not blocked and controlled properly due to the non-linear flow characteristics of the proportional valve that controls the hydraulic motor. In this study, the control error caused by the nonlinear flow characteristics of the proportional control valve is compensated. The hydraulic system of interest is the ESD valve system described as an example. The flow rate supplied from the power source(hydraulic pump) rotates the hydraulic motor through the proportional control valve. Again, the hydraulic motor rotates the reducer, and the stem connected to the reducer rotates. The stem moves the globe valve disk up and down. As the disk moves, the flow rate of the globe valve is controlled. A Sliding Mode Controller(SMC) with robust performance against disturbance is designed and controlled so that control errors do not occur in factors other than the nonlinearity of the proportional valve. SMC is one of the fast and robust control methods in which the error converges to zero along the sliding hyperplane. In the case of the controller coefficient, it is first designed by calculating it mathematically, and then modified to a more reasonable value through simulation. In addition, a control error may occur due to vibration caused by internal noise of the controller. To solve this problem, the Sliding Mode Observer(SMO) is designed and used. These observers suppress internal vibrations in the controller and help stabilize the system. The stem displacement control experiment is conducted by dividing the nonlinear flow characteristics of the proportional valve into compensation and non-compensation. Root Mean Square Error(RMSE), which is a control performance evaluation index, is calculated to quantitatively compare how much control performance has been improved.

비례밸브로 제어되는 유압모터 구동 시스템은 비례밸브가 가지는 비선형 유량특성으로 인해 제어 오차가 발생한다. 이러한 비선형 유량특성은 비례밸브에 전류를 인가하여도 스풀(Spool)이 온전히 개방되지 않는 불감대(Deadband)가 존재하게 되어 발생한다. 유압 시스템을 제어할 때 발생하는 오차는 큰 사고로 이어질 위험성이 있다. 예를 들어, Emergency Shut-Down(이하 ESD) 밸브 시스템은 비정상적인 LNG의 흐름 및 압력이 발생했을 때 이를 신속히 차단, 제어함으로써 사고를 방지하는 유압모터 구동 시스템이다. 이때 유압모터를 제어하는 비례밸브의 비선형 유량특성으로 인하여 유체의 차단 및 제어가 제대로 이루어지지 않는다면 사고가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 비례제어밸브의 비선형 유량특성으로 인해 발생하는 제어 오차를 보상한다. 대상이 되는 유압 시스템은 예시로 설명한 ESD 밸브 시스템이다. 동력원(유압 펌프)으로부터 공급된 유량이 비례제어밸브를 거쳐 유압모터를 회전시킨다. 다시 유압모터는 감속기를 회전시키고, 감속기와 연결된 stem이 회전한다. stem은 글로브 밸브의 디스크를 상하로 움직인다. 디스크가 움직임에 따라 글로브 밸브의 유량이 제어된다. 비례밸브가 가지는 비선형성 이외의 요소에서 제어 오차가 발생하지 않도록 외란에 강인한 성능을 가지는 Sliding Mode Controller(이하 SMC)를 설계하여 제어한다. SMC는 오차가 슬라이딩 초평면을 따라 0으로 수렴하는 빠르고 강인한 제어방법 중 하나이다. 제어기 계수의 경우, 먼저 수식적으로 계산하여 설계한 다음 시뮬레이션을 통해 좀 더 타당한 값으로 수정한다. 또한, 제어기 내부 노이즈(Noise)로 인한 진동 때문에 제어 오차가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 Sliding Mode Observer(이하 SMO)를 설계하여 사용한다. 이러한 관측기는 제어기 내부 진동을 억제하고 시스템 안정에 도움을 준다. 비례밸브의 비선형 유량특성을 보상했을 때와 하지 않았을 때로 나누어 stem 변위 제어실험을 진행한다. 제어 성능평가 지수인 Root Mean Square Error(이하 RMSE)를 계산하여 정량적으로 얼마만큼 제어 성능이 개선되었는지를 비교한다.