Conventional hydraulic servo systems are inefficient in utilizing their power, since they generate a constant supply pressure from their power source regardless of load operating conditions. To improve the energy efficiency, a load-sensing hydraulic system has been developed, which has a sensing mechanism to detect the load pressure and feedback it to pump control element. Although the load-sensing system yields energy saving via this mechanism, the dynamic characteristics of this system are complex and highly nonlinear, and, furthermore, the dynamic stability is deteriorated due to the addition of the mechanism, which is critical to the performance of servo control. This necessitates an accurate evaluation of the dynamic characteristics and analysis of the system stability.
The objective of the thesis is to provide a basis for the design and the control of the load-sensing hydraulic system. To achieve this a nonlinear dynamic model was formulated based upon the flow-pressure relationship. Based upon this model, theoretical investigations were made for the analysis of the system dynamics and stability, and for the design of a feedback control algorithm for a load velocity control. The results obtained from these theoretical developments were verified by a series of experiments. The thesis is composed of the three main parts. Firstly, the effects of the parameter variations on the dynamic model of the load-sensing pump was investigated via sensitivity analysis. The results of this analysis shows that the dynamic model of the pump can be simplified to a second-order model from the original fourth-order model. This reduced order model simplifies the analysis and the controller design of the load-sensing hydraulic system. Secondly, based upon the reduced order model, the stability characteristics of the load-sensing hydraulic system was theoretically analyzed via the Routh-Hurwitz criterion, and the results were confirmed by experiments. The load-sensing hydraulic system was found to be highly unstable due to the load-sensing mechanism and mechanical resonance between the pump dynamics and the load dynamics. Finally, a suboptimal control which is suitable for control of the load-sensing hydraulic servo system was suggested and its effectiveness was verified by comparing suboptimal responses with nonoptimal responses.
부하 감지 유압 서보 시스템은 종래의 유압 서보 시스템들이 에너지 이용의 효율이 낮은 단점을 개선하기 위하여 개발된 에너지 절약형 유압 시스템으로써, 에너지의 효율면에 서는 우수한 특성을 갖지만 유압 서보 시스템의 동특성은 오히려 복잡해지고 저하되어지는 단점을 가진다. 그러한 이유로써 고정 토출 펌프나 단순한 가변 토출 펌프를 사용하는 종래의 유압 시스템에서는 펌프측의 동적 특성이 서보밸브와 유압구동부품, 부하관성질량 등으로써 구성되어지는 부하측의 동적 특성에 미치는 정도가 미약한데 반해서, 부하 감지형 가변 토출 펌프를 사용하는 부하 감지 유압 시스템에서는 부하 감지 메카니즘으로 인하여 펌프측의 동특성이 부하측의 동특성에 심각하게 영향을 미치기 때문이다. 본 논문의 목적은 이러한 부하 감지 유압 서보 시스템의 동특성에 관하여 해석하고, 에너지 절약 효과와 우수한 제어 성능을 동시에 추구할 수 있는 제어기의 설계 방법을 개발하는 것이다.
부하 감지형 가변 토출 펌프는 부하 감지 유압 서보 시스템의 구성에 있어서 가장 핵심적인 부품으로써, 전체 서보 시스템의 동특성에 크게 영향을 미치기 때문에 부하 감지형 가변 토출펌프의 동특성에 관한 해석이 선행되었는데, 해석 방법으로써 매개 변수 민감도 해석의 방법을 사용하였다. 이러한 해석의 결과로써 부하 감지형 가변 토출 펌프의 동특성에 중대하게 영향을 미치는 매개 변수들을 규명하였고, 서보 시스템의 특성 해석과 제어기 설계에 편리함을 도모할 수 있는 가변 토출 펌프의 단순화된 수학적 모델을 구하였다. 이러한 단순화된 모델은 종래의 연구에서 사용되었던 4차 모델과 비교할때 차수면에서 2차로 감소하였고, 펌프의 동특성에 영향도가 작은 부분은 무시되었다.
매개 변수의 민감도를 해석한 결과에서 얻은 단순화된 펌프 모델을 사용하여 부하 감지 유압 서보 시스템의 동특성에 관하여 해석하였는데, 부하 감지 유압 서보 시스템은 종래의 유압 서보 시스템과 비교할때 불안정해지는 특성이 강하게 부각되었다. 이러한 불안정 특성에 대한 정성적인 이유는 부하 감지 서보 메카니즘이 구조적으로 양의 복귀 폐회로 (Positive Feedback Loop)를 형성하기 때문이다. 즉 부하 감지 메카니즘은 부하 질량을 구동하는 부하 압력이 증가하면 펌프로 복귀하는 압력이 증가하고, 따라서 펌프의 토출 압력이 증가하게 되고, 펌프의 토출 압력이 증가하면 다시 부하 압력을 증가시키는 효과를 가지게 되는데, 이와같이 부하 압력의 증가가 더욱더 부하 압력의 증가를 유도하는 효과를 가지는 양의 복귀 폐회로 구조가 전체 서보 시스템의 불안정 특성을 초래하게 된다. 서보 밸브의 열림량과 펌프에 부착된 압력보상기에 설정한 압력의 크기, 부하 질량의 크기 등과 같은 주요 매개 변수들이 앞에서 설명한 불안정 특성에 미치는 효과를 Routh-Hurwitz 안정도 해석 방법을 이용하여 정량적인 분석을 수행하였다. 그 결과로써 서보밸브의 열림량이 가장 크게 영향을 미치며 서보 밸브의 열림량이 증대할수록 불안정해지고, 또한 압력보상기의 설정압이 증가할수록 불안정하게 되었다. 부하 질량에 관해서는, 주어진 부하 질량에 대해서 결정되어지는 부하측의 고유 주파수가 펌프측의 고유 주파수에 가까와질수록 공진 현상이 나타나게 되며, 이 공진 효과가 양의 복귀 폐회로 효과에 중첩되어서 더욱더 불안정 효과를 가중시켰다. 이상의 해석 결과는 실험과 컴퓨터 가상수행( Computer Simulation) 을 통하여 입증되었다.
부하 감지 유압 서보 시스템에 대한 제어기의 설계는 이상에서 설명한 불안정 특성을 완화시켜서 시스템이 안정화될 수 있도록 해야 하는데, 유압 서보 시스템은 비선형 시스템이기 때문에 작용접 (Operating Point)이 변환됨에 따라 그 특성도 변화하게 된다. 그러므로 제어기의 설계 입장에서 본다면 시스템이 작동하는 전 영역에서 불안정 특성이 가장 강한 최악조건 (Worst Condition) 을 구하고, 그 최악조건에서 시스템이 안정화될 수 있는 제어기가 설계되어야 한다. 또한 서보 시스템의 제어기는 시스템을 안정화 시키는 것과 아울러 에너지 절약 효과와 빠른 응답 특성을 얻을 수가 있어야 하는데, 에너지 절약 효과와 응답특성은 상호 보완적인 관계를 가진다. 즉 에너지 절약 효과만을 추구하면 응답 특성이 느려지고, 빠른 응답 특성만을 추구하면 에너지 절약 효과가 저하된다. 본 논문에서는 이와같은 에너지 절약효과와 우수한 제어 성능을 동시에 얻을수가 있는 제어기의 설계 방법으로써 부최적 제어 방법을 제시하였으며, 이러한 제어기의 성능을 실험과 컴퓨터 가상수행을 통하여 평가하였다.
