플랩제어시스템 주제어밸브의 모델기반 설계 및 성능해석

조현준,안만진,주춘식 항공우주시스템공학회 2019 항공우주시스템공학회지 Vol.13 No.4

The design of the main control valve, which is the main component of the flap control system, was based on actual manufacturing experience on the basis of trial and error method. In this paper, a model-based part design method is proosed. The flap control system consists of a main control valve, fail-safe valve, solenoid valve, LVDT and force motor. The main control valve consists mainly of a spool and slot. The important design parameters of the main control valve are the slot width, overlap and clearance. AMESim is linked to the model and it analyzes the flow path of the main control valve. Applying the proposed design procedure, it was confirmed that the required performance was satisfied within the allowable machining error range. 플랩제어시스템의 주요 구성품인 주제어밸브의 설계는 실제 제작 경험을 바탕으로 반복-오차 방법에 의존하여 수행하였다. 본 논문에서는 모델 기반의 부품 설계 방법을 제안하였다. 플랩제어시스템은 주제어 밸브, 고장-안전 밸브, 솔레노이드 밸브, LVDT, 구동 모터 등으로 구성된다. 주제어밸브는 주로 스풀과 슬롯으로 구성된다. 주제어밸브의 중요한 설계변수는 슬롯의 폭 (Slot Width), 오버 랩(Overlap) 및 간극(Clearance)이다. AMESim을 활용하여 주 제어 밸브의 유로를 모델링하고 해석하였다. 제안된 설계 절차를 적용한 결과 허용된 가공오차 범위 내에서 요구 성능을 충족함을 확인하였다.

대용량 비례 유량제어밸브 동특성 분석

정규홍 사단법인 유공압건설기계학회 2010 드라이브·컨트롤 Vol.7 No.1

Electromagnetic control valves have been used for almost 20 years. As the solenoid modulating technology advances, its applications are extending to various industrial fields such as nuclear and fossil fuel power plants, chemical plants and refineries. Proportional solenoid valve for large flow control is designed with two-stage configuration to meet the required actuating force on the main disc and its position is stabilized by the self-controlled system. In this research, main disc dynamics is analyzed with linearized system model which is derived from the mathematical equations describing its nonlinear behavior. Major design parameters of the valve control system that affect the response and stability are also studied with root locus method. The linear dynamic analysis results are verified with simulations in time-domain. 비례제어밸브는 코일에 흐르는 전류에 비례하여 발생되는 전자기력(electromagnetic force)을 이용해서 밸브를 작동시키는 구조를 갖으며, 고압 대용량의 공정유체를 제어하는 경우에는 압력과 유체 흐름에 의하여 밸브에 작용하는 외력을 보상할 수 있는 큰 구동력의 증폭을 위하여 파일럿 밸브를 이용하는 2단 밸브 형태로 설계된다. 대용량 비례유량제어밸브는 솔레노이드가 밸브에 내장되므로 공압작동밸브(air-operated valve)나 모터작동밸브(motor-operated valve)와 달리 파일럿 밸브를 작동시키기 위하여 외부와 연결되는 액추에이터가 없어 패킹이 필요 없는 밀봉된 설계와 구동부의 소형화가 가능하다는 구조적인 특징 외에 동적 작동성능이 우수하고 사용시간에 따른 성능저하가 상대적으로 작으므로 유지보수비용이 절감되는 장점으로 인하여 화력 및 원자력발전소, 정유공장에서의 긴급급수밸브 등과 같이 위급한 상황에서 작동되어야 하는 분야에 점차 적용이 확대되고 있다. 특히 비례제어밸브 제어기(positioner)는 파일럿 밸브 변위를 선형변위계로 측정하여 피드백하는 폐루프 제어시스템을 통하여 밸브의 빠른 응답성과 히스테리시스(hysteresis)가 거의 없는 정밀한 위치제어가 가능할 뿐만 아니라 마이크로 컨트롤러를 이용한 디지털 방식의 전자제어를 활용해서 전원, 센서, 솔레노이드 코일 등의 단선과 단락 등을 검출하는 자기진단기능과 디지털 통신을 이용한 원격제어 및 모니터링 기능이 구현된 스마트밸브로 개발되고 있다. 2단 비례유량제어밸브는 유체가 흐르는 유로단면적을 조절하는 기능의 메인 밸브와 메인 밸브변위를 조절하는 기능의 파일럿 밸브로 구성된다. 파일럿 밸브는 솔레노이드에서 발생되는 전자기력으로 변위가 제어되고 메인 밸브는 파일럿 밸브에 대한 상대변위에 따라 자체적으로 조절되는 제어체임버 압력에 의하여 파일럿 밸브를 추종하는 자력제어시스템(self- controlled system)의 구조를 갖는다. 따라서 메인 밸브의 응답성과 안정성은 자력제어시스템의 기계적 설계인자에 의하여 결정된다. 본 논문에서는 연구대상 대용량 비례유량제어밸브의 구조와 작동원리를 파악하였으며, 정상상태 작동특성에 대하여 수행된 연구결과를 바탕으로 자력제어시스템의 동특성을 고찰하였다. 동적해석은 비선형 수학적모델을 선형화해서 유도된 전달함수를 이용하였고 설계인자 변화에 대한 극점(pole)의 변화로부터 응답성능과 안정성을 해석하였으며 선형해석 결과는 비선형 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.

유량 제어용 Cylinder-in-Ball 타입 밸브의 형상개념설계 및 유동해석을 통한 성능평가

한승호(S. H. Han),고한별(H. B. Ko),강효림(H. L. Kang),박형준(H. J. Park),정호(H. Jeong),최해룡(H. L. Chol) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

제어 밸브는 다양한 공정라인에서 유량과 압력을 정교하게 조절하는 목적으로 다양하게 활용되고 있다. 그중 제어 밸브의 고유유량 특성에서 밸브의 개도율에 따라 등비율 특성을 갖는 글로브 밸브는 개폐가 신속하고 유량조절이 정교해 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 글로브 밸브의 경우 유로의 변화가 심한 단점을 갖고 있어, 유로와 구조가 단순한 볼 밸브가 제어밸브로 주목받고 있다. 볼 밸브는 개도가 유로의 측면에서 시작되어 유동 및 유속이 급격하게 변화하며 와류와 공동현상 등이 발생한다. 본 연구에서는 볼 안에 실린더가 삽입된 Cylinder-in-Ball 타입 밸브를 제안하여 개도 시 유로가 중앙에서 시작할 수 있도록 하였다. 또한 유동해석을 수행하여 밸브의 성능을 평가하였다. 해석 결과 밸브의 20%, 50% 및 100% 개방에서 유량계수가 1.05, 10.95 및 110.50 으로 나타났으며, 개방이 커질수록 유량계수가 지수함수적으로 증가하여 등비율의 고유유량특성을 갖는 것을 확인하였다. 아울러 기존의 V-Port 볼 밸브와의 유량계수 비교를 통해 제어 밸브로서 적합함을 검증하였다. The control valve is used for precisely controlling the flow rate and pressure in various process lines. Among the control valves, globe valve is widely used because it allows quick opening and closing and precise flow control. The globe valve has inherent flow characteristics such as an equal percentage of flow coefficient that are found in typical control valve. However, during operation, the flow path changes rapidly due to the complex internal structure of the valve, which can cause severe vortex and cavitation. For this reason, the use of ball valves with a relatively simple internal structure and flow path as control valves is increasing. When the opening angle is small, however, the opening starts at the side of flow path so that the flow changes severely, and the vortex, vibration and cavitation can occur. In the present study, a Cylinder-in-Ball type valve was proposed, which was capable opening starts at the center of flow path. This valve was implemented by using the outer ball and inner cylinder rotating in opposite directions. The CFD analysis was carried out to evaluate the flow performance, in which the flow coefficient C_v at the opening ratio of 20%, 50% and 100% were estimated as 1.05, 10.95 and 110.50, respectively. The opening rate of the Cylinder-in-Ball valve increased, and then the C_v increased exponentially. These showed that the Cylinder-in-Ball valve provided equal percentage inherent flow characteristics. In addition, the comparison of experimental results obtained from a commercially used V-port ball valve provided that the Cylinder-in-Ball type valve can be available for the purpose of precise flow control.

솔레노이드 밸브를 이용한 극저온유동의 압력제어

이중엽,한상엽 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

데드밴드 제어는 아무런 제어가 일어나지 않도록 무시하는 방법이다. 실제 고 신뢰도를 요구하는 시스템의 경우 온도 및 압력 변화에 민감한 압축성 유동을 간단히 Dead Band 제어를 통해 압력제어를 실현하게 된다. 압력조절계를 이용한 압력제어 실현은 고성능의 솔레노이드 밸브와 최적의 제어를 위한 알고리듬 및 제어기가 무엇보다 요구되는 시스템이다. 본 논문에서는 기 구축된 솔레노이드 밸브 제어기를 통해 극저온 유동 상태 하에서 솔레노이드 밸브의 제어를 수행하고, 모듈화 된 장치를 이용하여 압력제어 및 유동 개폐의 특성 시험을 수행했다. 솔레노이드 밸브 제어기를 이용한 밸브의 제어를 위해 데드밴드 제어를 제안했다. 데드밴드 제어는 제어 성능뿐만 아니라 시스템적인 응용의 가능성을 실험적 결과를 통해 고찰했다. The dead band control is method disregard so that control may not happen in the band to reduce disturbance and error. A compressible flow is sensitive to temperature and pressure change, enables to pressure preservation using dead band control. The pressure control realization which use pressure control system need controller to use solenoid valve and optimized control of high efficiency. The dynamic characteristics of a solenoid valve module, which play an important role in the pressure control and shut off of cryogenic flow, have been experimented by test facilities. The dead band control was proposed for the control of the solenoid valve equipped with a solenoid valve controller. The experimental results reviewed the feasibility of systematical application as well as the performance of the dead band control.

트랙터 전후진 자동변속기용 비례 제어 밸브의 전류 제어 모델 개발

안다빈,김경대,유지훈,김수철,이진웅,박영준 경상국립대학교 농업생명과학연구원 2020 농업생명과학연구 Vol.54 No.3

본 연구의 목적은 전후진 자동변속기가 장착된 트랙터의 변속 충격을 모사하기 위한 시뮬레이션 모델에 적용될 비례 제어 밸브의 전류 제어 모델을개발하는 것이다. 전류 제어 모델을 개발하기 위하여 시험 장치를 구성하여 밸브의 정특성 시험과 계단 응답 시험을 수행하였으며, 시험 결과를 토대로전류 제어 모델을 검증하였다. 비례 제어 밸브의 전류 제어 모델은 밸브의 전류-압력 선도, PID 제어기, 펄스폭변조 신호 발생기와 밸브 모델로구성하였다. 전류 제어 모델에 사용된 데이터는 시험을 통하여 도출된 값과 대상 트랙터에 적용된 값을 사용하였다. 전류 제어 모델 검증을 위해계단 입력 신호에 대하여 전류 특성 시험을 수행하였고, 실제 전류 시험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 시험 결과와 시뮬레이션 결과에 대한전류 특성을 비교해 보면, 상승 시간 오차는 0.0074초, 첨두치 시간의 오차는 0.0065초, 오버슈트 오차는 0.06%로 나타났다. 따라서 개발된 비례제어 밸브의 전류 제어 모델은 실제 제어기의 전류 제어 특성을 제대로 반영할 수 있으며, 추후 변속 충격 모사를 위한 트랙터 시뮬레이션 모델에서비례 제어 밸브의 전류 제어 모델로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. This study has developed the current control model for proportional control valve (PCV) to be applied in simulation models for simulating the shift impact of tractor with power shuttle transmission. In order to develop the current control model, the test equipment was constructed to perform a static characteristic test and step response test of the PCV, and compared to the simulation results using current control model to validate the model. The current control model of the proportional control valve consists of the current-pressure curve of the PCV, PID controller, pulse width modulation signal generator and PCV model. The data used in the current control model were derived from the test and used values applied to the target tractor. The current characteristics test was performed on the step input signal, and the actual current test results were compared the simulation results to validate the current control model. The rise time error was 0.0074 seconds, the peak time error was 0.0065 seconds, and the overshoot error was 0.06%. Thus, the PCV current control model developed in this study can be confidently used to predict the current control characteristics of the actual controller, and it can be used as a current control model of the PCV in a tractor simulation model for simulating the shift impact in the future.

동축 반전 볼 밸브의 형상개념설계 및 유동특성 분석

고한별(Han Byeol Ko),강효림(Hyo Lim Kang),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.4

다양한 공정 라인에서 유량 및 압력을 조절하는 목적으로 제어 밸브가 활용되고 있다. 글로브 밸브는 제어 밸브의 고유유량특성에서 밸브의 개도율에 따라 유량계수가 등비율로 나타나며 개폐의 신속성은 물론 정교한 유량조절도 가능하여 광범위하게 사용되고 있으나, 낮은 개도율에서 유로의 변화가 심한 단점을 갖고 있다. 이를 보완하기 위해 구조가 단순하고 스템의 1/4 회전으로 완전 개폐가 기능한 볼 밸브가 제어 밸브로 주목받고 있다. 그러나 볼 밸브는 개도가 유로의 측면에서 시작되고, 고유유량 특성이 등비율로 나타나지 않아 정교한 유량조절이 어렵다. 본 연구에서는 동축 반전 장치가 삽입된 볼 밸브를 제안하였으며, 형상개념설계를 통해 개도 시 유로가 중앙에서 시작할 수 있도록 하였다. 아울러 전산유체해석을 통해 제어 밸브에서 요구되는 개도율에 따른 등비율의 고유유량특성을 만족하는지 여부를 확인하였다. 해석 결과 개도율 20~100% 변화에 따라 유량계수 C<SUB>v</SUB>는 1.05~110.49 범위에서 지수함수적으로 증가하여 등비율 특성이 나타났다. 또한 유량제어용으로 사용되는 기존의 V-port 볼 밸브와의 C<SUB>v</SUB> 비교를 통해 유량제어 밸브로서의 가능성을 검토하였다. A control valve that can precisely control flow rate and pressure is used in various process lines. The globe valve has been widely applied as a control valve owing to fast opening, closure, and precise flow control. Furthermore, an equal flow coefficient percentage of a globe valve can be provided as the inherent flow characteristics required for a typical control valve. The flow path, however, changes rapidly at a low opening rate. Recently, a ball valve was considered as a control valve owing to its simple structure and requires only a quarter-turn of the stem to be fully opened and closed. There are disadvantages to these characteristics, such as opening starting at the side of the flow path, and the inherent flow characteristics do not appear in an equal flow coefficient percentage. In the present study, a coaxial counter-rotating ball valve was proposed through a structure conceptual design, in which opening can start at the center of the flow path. The computational fluid dynamics analysis was carried out to assure whether the equal percentage of flow coefficient was satisfied due to change of the opening rate. The flow coefficient C<SUB>v</SUB> with a range of 1.05~110.49 was increased exponentially at the opening rate of 20~100%. In addition, the availability of the proposed vale as a flow control valve was reviewed by comparing C<SUB>v</SUB> with a V-port ball valve commercially used.

비례유량제어밸브 위치제어기 자동조정

정규홍(Gyu Hong Jung) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.7

비례솔레노이드밸브는 코일전류에 비례하는 전자기력을 이용하여 밸브 변위를 연속적으로 가변시키는 밸브이다. 대용량 비례유량제어밸브는 발전소나 화학 플랜트에서 물, 스팀, 가스 등과 같은 공정유체의 대용량 유량제어에 사용되며 공압이나 모터를 이용하는 밸브에 비하여 우수한 응답성능과 소형화의 장점을 가진다. 본 연구에서는 비례제어밸브를 대상으로 밸브의 동적 특성을 식별한 후 목표 성능이 만족되도록 위치제어기의 비례적분이득을 자동으로 조정하는 기능을 설계하였다. 동특성 식별은 릴레이피드백을 통하여 한계 안정 상태에서의 임계이득과 임계주기로 파악하였으며, 비례적분이득 결정에는 Ziegler-Nichols 방법을 적용하였다. 구현된 기능은 시험을 통하여 성능을 검증하였으며 밸브 작동점과 릴레이 제어기 변수가 자동조정에 미치는 영향을 분석하였다. Proportional solenoid valves are a modulating type that can control the displacement of valves continuously by means of electromagnetic forces proportional to the solenoid coil current. Because the solenoid-type modulating valves have the advantages of fast response and compact design over air-operated or motor-operated valves, they have been gaining acceptance in chemical and power plants to control the flow of fluids such as water, steam, and gas. This paper deals with the auto tuning of the position controller that can provide the proportional and integral gain automatically based on the dynamic system identification. The process characteristics of the solenoid valve are estimated with critical gain and critical period at a stability limit based on implemented relay feedback, and the controller parameters are determined by the classical Ziegler-Nichols design method. The auto-tuning algorithm was verified with experiments, and the effects of the operating point at which the relay control is activated as well as the relay amplitude were investigated.

속도제어기법을 이용한 로켓엔진 제어밸브의 동특성

이중엽(Joong-Youp Lee),이수용(Soo-Yong Lee) 한국항공우주연구원 2008 항공우주기술 Vol.7 No.2

추력제어를 목적으로 제작된 제어밸브를 AMESim 시뮬레이터를 통해 모델링을 수행했다. 제어밸브와 유사하게 모델링하여 여러 물리적인 동특성을 시뮬레이션을 통해 예측했다. BLDC 모터를 이용하는 제어밸브 제어를 위하여 속도제어기법을 제안했으며, 시뮬레이션 및 시험을 통해 그 성능을 증명했다. 제어밸브에 대한 2차 필터(Pre-Filters)를 사용하여 적절한 안정성 이득을 확보 했다. BLDC 모터의 속도제어 기법을 이용하는 제어밸브는 PI 게인 스케줄링 기법 보다 시스템 활용 시 용이하고, 유량제어 시험결과를 통해 시스템에 적용 가능성을 시사했다. Dynamic characteristics of a control valve, which plays an important role in thrust control of liquid rocket engines, have been analysed by AMESim simulator modeling. A speed control method has been proposed for the control of the valve equipped with a BLDC motor and the performances of this control method have been proved in making a comparison between the predictions of simulation and experimental results. Moreover, it is shown that a control valve with a second pre-filter is enough stable to the flow disturbances. The speed control method for BLDC motor is more simpler than PI gain scheduling method for the application in complex flow system.

솔레노이드 밸브 제어를 위한 제어기 소개

이중엽,이수용 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

데드밴드 제어는 아무런 제어가 일어나지 않도록 무시하는 방법이다. 실제 고 신뢰도를 요구하는 시스템의 경우 온도 및 압력 변화에 민감한 압축성 유동을 간단히 Dead Band 제어를 통해 압력제어를 실현하게 된다. 압력조절계를 이용한 압력제어 실현은 고성능의 솔레노이드 밸브와 최적의 제어를 위한 알고리듬 및 제어기가 무엇보다 요구되는 시스템이다. 본 논문에서는 기 구축된 솔레노이드 밸브 제어기를 통해 Dead Band 제어를 위한 제어기를 구성했으며, 제어기박스의 하드웨어적 특징 및 제어기 운용을 위한 전반적인 사용 목적, 적용/시험 계획에 대해 다루었다. 제어기는 National Instrument 사의 Compact RIO와 Labview로 구성되어 있으며, 특히 솔레노이드 밸브만을 국한하지 않고 하드웨어의 성능이 수 ㎑ 이상의 Sampling 및 Digital Output 제어, Sequence 제어 등의 특징을 보이도록 설계되어 있다. Dead band control is method disregard so that control may not happen in the band to reduce disturbance and errore. Compressible flow is sensitive to temperature and pressure change, enables to pressure preservation using dead band control. Pressure control realization which use pressure control system need controller to use solenoid valve and optimized control of high efficiency. This paper designed controller for dead band control using controller for control of solenoid valve. And it was wrote about hardware composition characteristics and general use of controller for application and test plan. The controller consist of Compact RIO and Labview software of the National Instrument. Specially, performance of hardware designed so that is shown characteristic of AI Sampling more than 1 ㎑, application about digital output and sequence control.

비례제어 릴리프 밸브의 압력제어시스템의 동특성 해석

박재필(Jaepill Park),이대섭(Daesuep Lee),최종민(Jongmin Choi),김현욱(Hyunwook Kim),진식(Sik Jin) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2012 No.11

Hydraulic press is the mechanism which causes plastic-deformation for materials using by hydraulic. The method of control can be classified by pressure, displacement and speed control. Among these methods, it is focus on the analysis of pressure characteristics for the pressure control system in this paper. To control pressure of cylinder, a general relief valve, a proportional control relief valve and a servo valve are used in general. But, the general relief valve is impossible for feedback control and the servo valve is not a economical control system. Therefore, in this paper, the proportional control relief valve which is a comparable price and excellent for pressure control is used for pressure control. In this paper, it is identified the characteristic of pressure control system by AMESim, and it has been confirmed the usefulness of AMESim modeling by comparison between AMESim simulation results and experimental results.