슬라이딩 모드 제어 기반 트랙터용 반능동 캐빈 현가장치 제어 알고리즘 개발

Abstract

트랙터는 불균일한 지면을 주행하며 부하변동이 큰 농작업에 주로 사용된다. 이로 인해 발생하는 트랙터의 승차진동은 작업자의 건강에 위협이 되고 있다. 때문에 트랙터 캐빈의 승차진동을 저감할 수 있는 여러 방안들이 제안되었으나, 아직도 국제적 기준량을 넘는 승차진동이 발생하고 있다. 승차진동을 효과적으로 저감하는 방안으로 캐빈 현가장치가 주목을 받고 있다. 캐빈 현가장치로 사용될 수 있는 수동(passive), 반능동(semi-active), 능동(active) 현가장치 중에서 동력 손실이 적으면서도 승차진동 저감 성능이 뛰어난 반능동 현가장치에 대한 연구들이 수행되어 왔다. 반능동 현가장치를 제어하기 위한 연구들은 승용차를 대상으로 주로 진행되었다. 스카이훅(skyhook), 최적제어, 퍼지 로직, 슬라이딩 모드 제어 등의 다양한 제어 기법을 통해 효과적으로 승용차의 승차진동을 저감한 연구 사례가 다수 수행되었다. 그러나 현가상 질량이 현가하 질량보다 큰 승용차는 시스템 구조적으로 트랙터와 다르기 때문에, 트랙터 구조를 고려한 연구가 필요한 실정이다. 반능동 현가장치가 장착된 트랙터를 대상으로 한 연구는 최적제어 기법을 이용한 연구에 머물러 있다. 그러나 최적제어 기법은 트랙터의 복잡한 시스템을 정확하게 구현하지 못함으로 인해 발생할 수 있는 시스템 모델의 불확실성과 작업 환경이 외란에 노출되기 쉬운 환경이라는 점 때문에 제어 성능이 저하될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 트랙터 구조를 고려한 1/2(half-car) 트랙터 동역학 모델을 개발하고 반능동 현가장치의 특성과 비례제어밸브 전류의 동특성을 구현하여 모델의 정확도를 높였다. 개발된 동역학 모델을 대상으로 강인 제어 기법인 슬라이딩 모드 제어를 이용하여 반능동 현가장치 제어 알고리즘을 개발하고 시뮬레이션 결과를 비교하여 제어 알고리즘의 성능을 평가하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면 고무마운트를 장착한 트랙터에서 발생하는 캐빈 수직 가속도보다 반능동 현가장치를 장착한 트랙터에서 발생하는 캐빈 수직 가속도가 입력 노면 조건이 계단 입력인 경우 55% 감소하였고, ISO8608 노면 등급인 경우 41% 감소하는 것을 확인하였다. 개발된 제어 알고리즘의 실시간성을 검증하기 위하여 제어기를 대상으로 Hardware-in-the-Loop 시뮬레이션을 진행하였고 노면 조건과 상관없이 캐빈 수직 가속도에서 큰 변화가 나타나지 않아 실시간성을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

Tractors travel on uneven ground and are mainly used for agricultural work with large load fluctuations. The resulting ride vibration of the tractor poses a threat to the health of the worker. Therefore, several studies have been done to reduce the ride vibration of the tractor cabin, but there are still ride vibrations that exceed the international standard. Cabin suspension is drawing attention as a way to effectively reduce ride vibrations. Among passive, semi-active, and active suspensions that can be used as cabin suspension, studies have been conducted on semi-active suspension because of its low power loss and excellent ride vibration reduction performance. Studies to control semi-active suspension were mainly conducted on passenger cars. There are many research cases that effectively reduce ride vibration of passenger car through various control techniques such as skyhook, optimal control, fuzzy logic, and sliding mode control. However, since tractor is systematically different from passenger car of which sprung mass is greater than the unsprung mass, research considering the tractor structure is needed. Research on tractors equipped with semi-active suspension remains in research using optimal control techniques. However, the optimal control technique may deteriorate control performance due to the uncertainty of the system parameter that may arise from the failure to accurately measure the complex system of the tractor and the fact that the working environment which is easily exposed to disturbance. Therefore, in this study, a half-car tractor dynamic model considering a tractor structure was developed, and the accuracy of the model was improved by reflecting the dynamic characteristics of the semi-active suspension and the proportional control valve current. And a semi-active suspension control algorithm was developed and applied to the dynamic model, using sliding mode control which is one of the robust control technique. The performance of the control algorithm was evaluated by comparing the simulation results. According to the simulation results, it was confirmed that the vertical acceleration of the cabin in the tractor equipped with the semi-active suspension decreased by 55% when the input road condition was a step input and decreased by 41% when the ISO8608 road level. And Hardware-in-the-Loop simulation was conducted on controllers to verify the real-time property of the developed control algorithm.