로프구동 고속예인전차의 균일속도를 위한 시스템 모델링 및 제어

Abstract

최근 들어 고속선의 수요가 늘어남에 따라 예인 전차의 속도를 높이는 것이 지속적으로 요구되고 있다. 예인수조의 길이가 한정되어 있기 때문에 고속 실험을 하기 위해서는 가속도를 높여주어야 한다. 따라서 구동모터와 제어장치의 육상 설치가 가능한 와이어-드럼 구동 방식을 사용하게 된다. 하지만 고속 예인전차는 급가속시 와이어로프의 탄성변형으로 인하여 속도의 주기적 진동 현상이 발생하게 된다. 본 논문은 로프구동 고속예인전차의 균일 속도 제어를 위한 방법을 제안하고 있다. 제어시스템의 분석과 검증을 위하여 서울대학교 예인수조에서 운용 중인 고속예인전차를 활용하였다. 서울대학교에서 사용하고 있는 로프 구동식 고속예인전차의 실험을 통하여 속도의 진동현상을 확인하고, 문제의 원인을 집중 분석하였다. 고속예인전차의 시스템을 연립 선형 상미분방정식으로 구성을 하여 운동방정식을 모델링하였다. 모델링한 운동방정식을 바탕으로 고속 예인전차의 기존 구동 제어 방식과 본 연구에서 새로이 제안하는 구동 방식을 각각 시뮬레이션 한 후, 그 결과를 비교 분석하였다. 고속 예인전차의 기존 제어방식은 모터의 각속도와 제어기의 피드백으로 구성이 되어 있는데, 이를 전차 속도와 제어기의 피드백하는 개선방안으로 제시하여 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과 기존 방식보다 개선 방안이 정속 구간에 도달했을 때 속도 진동 현상이 줄어듦을 확인하였다. 개선 방안이 기존 방안에 비해 최대오버슈트가 약 60%정도 줄어들었고, 정속구간의 1% 오차로 도달하는 시간이 약 4.5초정도 앞당겨진 것을 확인하였다. 시뮬레이션을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 속도 제어 방식을 바꾸어 실제 고속 예인전차에 적용한다면 속도 진동 현상이 줄어들 것으로 기대된다.