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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 곽재호
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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열차의 탑승 높이를 낮추고 곡선부 주행성능을 향상하기 위한 독립차륜형 대차가 최근 저상트램에 많이 도입되고 있다. 독립차륜형 대차가 곡선부의 주행성능을 향상시킬 수 있지만 윤축의 제거로 사행동(복원력) 현상이 사라지면서 직선 구간에서는 오히려 주행안전성이 저하되는 문제점이 발생한다.
일반적으로 직진 주행 시에는 강체윤축형 차륜방식이 복원력 현상으로 주행안정성 확보에 유리하고, 급곡선의 경우에는 좌우독립형 차륜방식이 좌우 휠의 독립 회전을 허용함으로써 우수한 곡선 주행 성능을 발휘한다. 본 논문에서는 이러한 현상을 규명하고 좌우 독립형 차륜대차의 동적 성능을 예측하기 위한 개선된 운동방정식을 새롭게 개발하였다. 새로운 운동방정식을 통해 기존과는 다른 임계속도와 초기외란에 대한 특성, 곡선반경 및 현가특성변화에 대한 주행성능을 규명할 수 있었다. 또한, 개선된 운동방정식을 적용하여 플렌지 접촉과 궤도불규칙도가 적용된 트랙조건에서의 제어성능을 비교 평가함으로써 급곡선을 주행하는 독립차륜 방식의 최적 능동제어 방법을 결정할 수 있었다.
제어방법으로는 독립회전 차륜방식 차량의 횡방향 횡력제어, 요방향 토크제어, 좌우 토크차에 의한 요모멘트 제어와 요각을 줄이기 위한 요토크제어를 비교 분석하여 그 장단점을 도출하였다. 아울러 제어알고리즘으로써 PID, LQR, SMC, H∞제어기법을 적용하여 그 성능을 비교하여 제어알고리즘간의 장단점을 분석하고 최적의 알고리즘을 선정하였다.
제어값 결정을 위해, PID제어기의 경우 실수코딩 유전자 알고리즘을 적용하는 방법을 제안하였으며, 기존에 발표된 자동 게인튜닝, 반복법에 의한 최적화, MATLAB에서 제공하는 Optimtool을 이용한 최적화와 성능 비교를 통해 유전자 알고리즘 적용 최적화 기법의 우수성을 확인하였다. LQR제어와 H∞제어와 같은 상태방정식 기반 제어기의 경우 SISO타입 단일제어와 MIMO타입 개별제어 방식에 대한 성능평가를 수행하였으며 제어성능 확보를 위해 반드시 MIMO타입 개별제어기를 적용해야 함을 확인하였다. LQR제어기의 성능을 결정짓는 Q, R행렬 최적화를 위해 최적화된 PID게인의 스텝응답을 기준으로 Q, R행렬을 최적화하는 방법을 제안하였고, SMC의 경우 비선형 응답에 대한 최적화를 위한 유용한 방법으로 비선형모델의 스텝응답을 통한 제어변수 최적화 방법을 제안하였다. H∞제어기에서는 일반화된 가중함수 식의 결정인자에 대하여 스텝응답의 오차함수를 통해 최적화하는 방법을 적용하여 가중함수를 최적화 하였다. 독립구동 차륜을 적용한 모델의 횡변위 제어는 휠토크제어가 가장 우수함을 해석을 통해 입증하였으며, 외란이 없는 일반 트랙에서는 PID제어기가 제어성능 확보에 유리한 반면 궤도불규칙도와 같은 외란이 존재하는 트랙조건에서는 SMC와 H∞제어기와 같은 강인제어기가 제어성능 확보에 유리함을 비교평가를 통해 입증하였다. 제어기 구현을 위한 상태 추정을 위해 관측기 적용, 칼만필터, 기하학적 추정식 및 기타 추정방법에 대한 연구를 수행하였다. 끝으로 독립구동 모델의 최적 제어전략으로 확인 된 휠토크제어의 제어성능을 검증하기 위해 1/5스케일 H/W 축소모형을 제작하여 주행시험을 수행함으로서 이러한 모델개발 및 제어전략의 유용성으로 확인하였다.
일반적으로 직진 주행 시에는 강체윤축형 차륜방식이 복원력 현상으로 주행안정성 확보에 유리하고, 급곡선의 경우에는 좌우독립형 차륜방식이 좌우 휠의 독립 회전을 허용함으로써 우수한 곡선 주행 성능을 발휘한다. 본 논문에서는 이러한 현상을 규명하고 좌우 독립형 차륜대차의 동적 성능을 예측하기 위한 개선된 운동방정식을 새롭게 개발하였다. 새로운 운동방정식을 통해 기존과는 다른 임계속도와 초기외란에 대한 특성, 곡선반경 및 현가특성변화에 대한 주행성능을 규명할 수 있었다. 또한, 개선된 운동방정식을 적용하여 플렌지 접촉과 궤도불규칙도가 적용된 트랙조건에서의 제어성능을 비교 평가함으로써 급곡선을 주행하는 독립차륜 방식의 최적 능동제어 방법을 결정할 수 있었다.
제어방법으로는 독립회전 차륜방식 차량의 횡방향 횡력제어, 요방향 토크제어, 좌우 토크차에 의한 요모멘트 제어와 요각을 줄이기 위한 요토크제어를 비교 분석하여 그 장단점을 도출하였다. 아울러 제어알고리즘으로써 PID, LQR, SMC, H∞제어기법을 적용하여 그 성능을 비교하여 제어알고리즘간의 장단점을 분석하고 최적의 알고리즘을 선정하였다.
제어값 결정을 위해, PID제어기의 경우 실수코딩 유전자 알고리즘을 적용하는 방법을 제안하였으며, 기존에 발표된 자동 게인튜닝, 반복법에 의한 최적화, MATLAB에서 제공하는 Optimtool을 이용한 최적화와 성능 비교를 통해 유전자 알고리즘 적용 최적화 기법의 우수성을 확인하였다. LQR제어와 H∞제어와 같은 상태방정식 기반 제어기의 경우 SISO타입 단일제어와 MIMO타입 개별제어 방식에 대한 성능평가를 수행하였으며 제어성능 확보를 위해 반드시 MIMO타입 개별제어기를 적용해야 함을 확인하였다. LQR제어기의 성능을 결정짓는 Q, R행렬 최적화를 위해 최적화된 PID게인의 스텝응답을 기준으로 Q, R행렬을 최적화하는 방법을 제안하였고, SMC의 경우 비선형 응답에 대한 최적화를 위한 유용한 방법으로 비선형모델의 스텝응답을 통한 제어변수 최적화 방법을 제안하였다. H∞제어기에서는 일반화된 가중함수 식의 결정인자에 대하여 스텝응답의 오차함수를 통해 최적화하는 방법을 적용하여 가중함수를 최적화 하였다. 독립구동 차륜을 적용한 모델의 횡변위 제어는 휠토크제어가 가장 우수함을 해석을 통해 입증하였으며, 외란이 없는 일반 트랙에서는 PID제어기가 제어성능 확보에 유리한 반면 궤도불규칙도와 같은 외란이 존재하는 트랙조건에서는 SMC와 H∞제어기와 같은 강인제어기가 제어성능 확보에 유리함을 비교평가를 통해 입증하였다. 제어기 구현을 위한 상태 추정을 위해 관측기 적용, 칼만필터, 기하학적 추정식 및 기타 추정방법에 대한 연구를 수행하였다. 끝으로 독립구동 모델의 최적 제어전략으로 확인 된 휠토크제어의 제어성능을 검증하기 위해 1/5스케일 H/W 축소모형을 제작하여 주행시험을 수행함으로서 이러한 모델개발 및 제어전략의 유용성으로 확인하였다.
목차
Ⅰ.서 론 ················································11. 연구배경 ···············································12. 연구동향 ···············································2가. 독립회전 차륜방식 철도차량 연구·············2나. 독립회전 차륜 철도차량의 성능개선 연구4다. 자동차 분야에서의 독립구동 제어연구········133.연구의 목적 및 내용··································154.논문의 구성············································17Ⅱ.동특성 해석 모델 개발······························181.강체윤축과 독립회전차륜 해석모델개발············18가. 직선 평명 선로상의 윤축의 운동방정식·······18나. 곡선 경사 선로상의 윤축의 운동방정식·······282.해석모델 개발 및 성능개선 지표설정··············40가. MATLAB을 활용한 해석모델 개발···········40나. 성능개선 지표설정·······························41a. 주행안전성능 개선지표·························41b. 환경성능 개선지표······························423.주행성능 해석을 위한 해석조건 설정··············44가. 차량 특성··········································44나. 궤도 특성··········································45Ⅲ. 제어기 설계 ·········································511.성능개선을 위한 능동제어 전략·····················51가. 능동제어 방법 소개······························51나. 횡방향 힘제어와 토크제어의 성능 비교······532.PID제어기 설계·······································60가. PID제어기 소개 ··································60나. PID제어기를 적용한 해석모델 개발············61다. PID게인 최적화···································683.LQR을 활용한 최적제어기 설계····················75가. LQR제어기 소개··································75나. LQR제어기를 적용한 해석모델 개발··········75다. Q, R 행렬의 최적화······························864.슬라이딩 모드 제어기를 활용한 강인제어기 설계88가. SMC 설계·········································88나. SMC를 적용한 해석모델 개발··················89다. SMC의 설계 변수 최적화·······················945.H∞ 제어기를 활용한 강인제어기 설계·············99가. H∞제어기 설계····································100나. H∞제어기를 적용한 해석모델 개발············102다. H∞제어기에 적용한 가중 함수 최적화········1036.제어기 구현을 위한 상태 추정······················112가. 관측기 설계를 통한 상태 추정·················112나. 칼만필터를 활용한 상태 추정···················113다. 기하학적 추정식을 적용한 상태 추정··········115라. 기타 횡변위 추정 방법···························119Ⅳ.주행 성능 개선의 해석적 연구······················1251.해석 모델의 자유도별 특성 분석···················125가. 임계속도 해석·····································125나. 초기외란에 대한 응답 해석·····················129다. 곡선반경별 주행특성 해석·······················132a. 이상적인 노선에서의 주행특성 비교··········132b. 불규칙도 포한 노선에서의 주행특성 비교···1382.성능 개선을 위한 제어기 적용 해석···············143가. PID 제어기 적용 결과 분석·····················144나. LQR 제어기 적용 결과 분석····················148다. SMC 적용 결과 분석····························152라. H∞ 제어기 적용 결과 분석······················156마. 제어기 특성 비교 평가···························160Ⅴ. 축소형 시험기를 활용한 제어성능 검증··········1791.축소형 대차 및 주행시험대 설계 및 제작·········1802.축소형 독립구동 대차용 모터 및 인버터 제작····1823.축소형 주행시험대 성능 시험 결과 및 리뷰······186ⅤI.결 론 ················································1901. 제어특성 분석 및 제어 전략 제안··················1902. 결론 및 고찰···········································197참고문헌 ···················································199부 록 ················································ 210
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