KR970002218B1 - 회전축의 목표회전 속도 제어방법 - Google Patents

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Description

회전축의 목표회전 속도 제어방법

제1도는 본 발명의 방법을 실행하는 속도감지 및 조절 시스템과 결합되고 부하장치를 구동하는 전형적인 엔진의 설명도.

제2도는 시간에 대하여 어느 특정순간의 엔진크랭크 샤프트의 속도를 표시하며, 변동 가능한 실제속도가 반복 측정되고 신호화되는 타이밍 관계를 이해하는데 도움이 되는 그래프.

제3도는 제1도에 도시한 디지탈컴퓨터의 데이타 메모리내의 어드레스 또는 워드의 부분설명도.

제4도는 예시적인 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 방법에 적용하기 위하여 디지탈컴퓨터의 프로그램 메모리내에 로드된 속도 감지 및 조절프로그램 서브 루틴의 상세를 표시하는 플로차트.

제5도는 엔진-부하 결합을 위한 동작설명도로서 인용되며, 후술되는 속도조절 시스템에 의하여 제어되는 전형적인 엔진-부하장치의 속도부하 특성의 그래프.

제6도는 데이타 메모리내에 소정의 가변상수를 저장하기 위하여 제1도에 도시한 디지탈컴퓨터의 프로그램 메모리내에 로드된 키보드 서비스프로그램 서브루틴의 단순화한 형태의 플로챠트이다.

본 발명은 일반적으로는 회전축의 속도 감지 및 조절에 관한 것이며, 특히 반복절차 및 계산에 의하여, 바람직하게는 프로그램된 디지탈컴퓨터에 의해서 실제속도가 측정되고 정확하게 복귀되는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 다른 응용에서 유용한 용도를 찾을 수 있으나 다실린더 엔진의 속도조절용 시스템으로 고안되고 채택된 것이다. 이와같은 시스템에 있어서, 속도조절을 위한 폐쇄루프동작은 엔진 출력축의 실제의 회전속도를 감지하고 신호화하는 것과, 임의의 속도 오차의 표시 및 크기를 측정하기 위하여 신호화된 조정가능한 설정점 속도와 실제 속도를 감산적으로 비교하는 것과, 속도오차의 기능에 따라서 변화하는 엔진으로의 연료 입력비율을 위한 명령신호를 만드는 것과, 엔진부하나 설정점에 돌연한 큰 변화가 일어날 때 본질적으로 영(0)으로 복귀하거나 임의의 속도오차를 지지하기 위하여 명령신호에 따라서 연료입력 비율을 설정하거나 조정하는 것을 포함한다. 일반적인 종류로서, 이와같은 속도조절 시스템은 폐쇄루프제어이다. 즉, 명령신호의 정확한 조정과 연료 입력비율이 속도오차의 비례-적분-미분 (PID) 기능으로서 실행되도록 배열된다. PID 특성동작을 속도오차에 제공하므로서, 부하변동으로 인한 일시적인 이탈의 크기나 기간은 특정엔진 및 제어되고 있는 부하장치의 고유전달기능(게인, 상지체 및 대기시간)을 위하여 최소한 대강이라도 최적화(감소)될 수 있다. 이것은 (i) 개인이 너무 높을때에 발생할 수 있는 진동이나 불안정성의 회피와 (ii) 임의의 일시적인 속도오차의 늦거나 부진한 제거(이것은 게인이 극히 낮을 때 불리한 조건임) 사이의 최상의 타협을 제공하기 위하여 조절기 게인, 안정성 및 보정인자들을 동조하거나 맛추는 것을 포함한다.

감지된 실재속도와 소정의 속도설정점간의 차이 (오차)에 기초를 둔 반복계산에 의하여 명령신호를 발생하는 프로그램된 디지탈컴퓨터를 사용하는 속도조절 시스템에 있어서, 샘플링시간' 또는 반복율의 선택은 모두 바람직하지 않은 타협이나 대안들을 부과하기 위하여 PID기능의 선택된 게인과 서로 작용한다. 컴퓨터가 명령신호를 짧은 반복간격으로 새롭게 하기 위하여 그 조절프로그램을 통하여 반복한다면, 감지된 속도신호는 비틀린(또는 유사한) 즉각적인 속도변동을 반영할 것이고 속도오차는 엔진축의 1회전 기간을 주기적으로 변환할 것이다. 정확한 동작의 게인이 높게 만들어지면, 조절제어기는 연료-결정작동기에 평균속도가 실질적으로 일정한 때일지라도 현저한 양까지 그 위치를 변화하도록 지시할 것이며, 연료-비율 조정기구는 휠씬 짧은 임의의 합리적인 사용수명까지 그 자신을 소모해버리는 범위까지 기계적으로 진동 또는 요동할 것이다. 게인이 이와같은 파괴적인 기계적 진동을 실질적으로 제거할 수 있도록 감소되면, 평균축 속도에서의 일시적 오차에 의한 정확한 반응은 지나치게 늦어지게 된다.

반면에, 컴퓨터가 그 조절프로그램을 통하여 긴 반복간격으로 명령신호를 새롭게 하는 것을 반복하면, 평균 속도의 변화는 그 변화가 발생하기 시작하는 오랜후까지 보이지 않을것이며 만일 정확한 동작의 게인이 지연을 위한 메이크 엎(makd up)을 위하여 높게 만들어지면, 정확한 동작은 불안정과 지속적인 진동을 쉽게 발생시킬 수 있는 상지체를 가질 것이다.

엔진연료 입력비율을 정확하게 조정하기 위하여 실시간(real time) 디지탈컴퓨터 프로그램의, 선택된 후 고정된 비율로, 정기적인 반복은 평균엔진축 속도가 그 동작범위의 낮은 영역에 있을 때 비틀어지게 유도된 속도 변동을 보기에 너무 짧을 것이고, 그러나 평균축 속도가 그 동작범위의 높은 영역에 있을 때 늦은 또는 완만한 반응을 일으키기에는 너무 길수 있다.

본 발명의 일반적 목적은 비툴리게 유도된 속도변화와 같은 즉각적인 속도변동으로부터 야기되는 문제들을 극복하는 속도오차를 제거하기 위한 반복 교정작업과, 속도의 반복측정을 위한 방법을 제공하는 것이다.

더 상세히 말하면, 본 발명의 주요목적은 회전축 속도의 실제값과, 축회전 주파수와 같거나 또는 배수인 주파수에서 반복적으로 발생하는 즉각적인 속도변동(다실린더 엔진에서의 비틀림속도 변동과 같은것)으로부터 아무런 영향없이 그리고 전적으로 무감각(blimd) 한 실제속도 신호를 반복적으로 측정하고 또 신호화하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 후자의 관점에 있어서, 다른 본 발명의 목적은 다실린더엔진의 속도의 측정 및 제어에 있어서 임의의 약하고 무기력한 실린더의 유해한 효과를 제거하는 것이다.

또다른 목적은 (i) 기계적진동과 연료율작동기의 부당한 마모를 피하고 (ii) 속도오차를 제거하는데 있어 용인할 수 없는 지연을 제거하기 위하여 합당한 높은 게인의 사용을 허용하는 엔진속도를 측정하고 조절하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 엔진의 실제속도를 감지하고 신호화하는 방법을 제공하는 것이며, 정기적인 순간에 서 뿐아니라 엔진속도가 증감함에 따라 증감하는 반복비율에서도 임의의 속도오차의 정확한 조정을 반복하는 것이다. 따라서 제어된 엔진속도 변화로서 반복율의 영향이 속도오차의 불안정성 및 완만한 교정을 모두 피하는데 도움이 된다.

또한, 본 발명의 목적은 프로그램된 디지탈컴퓨터의 도움으로, PTD 작동으로 주어진 부하장치를 구동하는 주어진 엔진의 속도를 조절하기 위한 방법을 제공하는 것으로, 여기에서 적분 게인, 안정성 및 보상인자들은 그 속도-부하 특성들의 상이한 영역에서 제어된 실체(엔진 및 부하장치)가 동작할 때 개방루프 적용작용에 의하여 자동적으로 조정된다.

본 발명의 다른 목적은 그 지시가 상당히 짧고 단순하여 비교적으로 작은 컴퓨터 시간의 소모로 수행할 수 있는 프로그램된 서브루틴의 반복된 실행에 의하여 전술한 것을 달성하는 것이다. 폐쇄루프 속도조절 시스템은 제1도에 개략적으로 도시되며 가변토오크를 제공하는 부하장치(11)를 구동하기 위하여 결합된 다실린더 내연기판(10)상에 작용한다. 단순히 일예로서, 엔진을 4실린더, 2싸이클 디젤기관이라고 가정하고, 부하는 배를 움직이고 추진하기 위하여 물속에서 작동하는 조정가능한 피치 프로펠터에 의하여 구성되었다고 가정한다. 일반적인 의미에서 전진은 부호 C로 특징지워지고 C는 2싸이클의 범주이면 실린더의 수와 동일하며, 4사이클의 범주이면 C는 실린더의 수의 2분의 1과 동일하다. 양자에 있어서 하나의 실린더은 선행 실린더의 점화시로부터 크랭크샤프트가 360°/C 만큼 회전했을 때 즉각 점화한다.

제1도에 도시된 바와같이, 엔진(10)은 연료랙(fuel rack) (12)을 직선적으로 이동함으로서 제어되고 연료랙(12)의 위치는 각 실린더와 연결된 단위 인젝터에 의하여 공급되는 연료비율을 결정한다. 연료랙(12)은 가변직류전압 Vf을 수용하기 위하여 연결된 권선(14a)을 가진 직선 전자기 작동기(14)에 의하여 여러 가지 위치로 이동된다. 전압Vf는 합개회로(summing circuit) (13)로 부터의 출력이며 그것은 (i) 전위차계(potentiometer)(17)로부터의 유휴전압 또는 최소연료와 (ii) 디지탈-아나로그 변환기 (15)로부터의 출력을 수용한다. DAC(15)는 프로그램되고 계속적으로 실행하는 디지탈 마이크로컴퓨터 (16)의 포트 2로부터 멀티비트 2진 디지탈 출력신호(F) (이것은 그의 수치에 의하여 연료입력비율을 명령한다)를 수용한다.

조절기 시스템의 목적은 실제엔진속도(5)를 설정점이나 소정속도(Sd)와 동일하게 유지하기 위한 것이고 -부하의 변동이나 속도설정점이 속도오차의 상승을 초래할 때, 조속히 (최소지연으로) 그리고 불안정성이나 난조없이 동등성을 회복하기 위한 것이다. 설정점 (Sd)은 입력/출력포트 3에 결합된 키보드 및 CRT 디스플레 이유니트(18)를 통한 엔트리(entry)에 의하여 마이크로 컴퓨터내의 메모리의 워드내로 공급된다. 설정점은 소정의 속도를 매분당 회전수나 매초당 회전수로 표시하며 공지된 종래의 방법으로 키보드에 의하여 타자해 넣을 수 있다.

엔진의 실제속도(S)는 크랭크 샤프트의 실제속도로 정기적인 관계로 회전하는 일정한 엔진부분과 관련된 변환기에서 시발하는 신호로부터, 설명될 방법으로, 컴퓨터(16)내에서 측정된다. 이로부터 알수 있듯이, 기어(20)가 크랭크 샤프트(10a)에 설치되고, 자기픽업(21)이 바퀴주변근방에 배치된다. 각 치가 통과할 때, MPU(21)는 1펄스를 발생하며, 이와같이 출력펄스들(22)의 트레인은 실제엔진속도에 비례하는 공칭주파수와 그 속도에 반비례하는 계속되는 펄스들간의 주기를 갖는다. 2진 계수기 (24)는 펄스들 (22)을 수신하고 주파수 분리기로서 작용한다. 기어(20)가 M개의 치를 갖으며 카운터가 P펄스을 수신할때마다 그 출력신호(25)에 양(+)의 파두(wavefront)를 발생하도록 진행할 경우, 펄스 트레인(22)의 공칭주파수는

f₂₂=MS(여기에서 S는 회전수/초) (1)

이고 카운터 출력(25)의 공칭주파수는

커운터의 출력(25)은 유극전압미분기(26)를 통해 보내져 출력파(25)의 주파수와 주기에 상당하는 청예펄스(27)의 트레인을 발생시킨다.

신호(27)는 마이크로 컴퓨터의 단일비트 입력포트(Pl)에 인가되고 후술하듯이, 조절기 서브루틴이나 알고 리즘으로 개입중단(interrupt) 또는 점프를 유발하는 역할을 한다.

기어의 치수(M)와 주파수 분리요소(P)는 디자인 선택의 문제로서 임의의 고정값들이 주어질 수 있다. 그들은 각도변위(△θ)를 측정하고 그를 통하여 크랭크 샤프트는 두 개의 연속적인 펄스들(27)사이의 간격내에서 회전한다 즉.

그러나, 후술하는 바와같이, 카운터(22)를 생략할 수 있으며 △θ의 연속적인 값을 기어(20)상의 단 몇 개의 치의 각도간격에 상당하도록 할 수 있다. 설명이 진행됨에 따라 명백해지는 바와같이, 그리고 본 발명의, 하나의 관점에 따르면, 크랭크샤프트(10a)가 완전히 1회전(360°)하는 동안의 경과시간(Tcr)은 반복적용의 기초위에 디지탈신호값(이하 'Tcr'이라 함)에 의하여 수자적으로 표시된다. 특정 유니트와 척도인자가 소망대로 선택되어도 Tcr이 초단위이면, Tcr의 역수는 매초당 회진수의 단위로 가변치 (S)이다.

Tcr 및 S를 위한 값은 모두 펄스(27)의 출현에 따라서 새로이 신호화된다. 그러나 경과시간(Tcr)은 최종수신 펄스(27)와 Q차 선행펄스간의 간격에 상당하며, 여기에서 Q는 크랭크 샤프트의 1회전 중에 발생하는 펄스(27)의 양이다.

마이크로 컴퓨터(16)는 종래의 것(후에 처리된 부하된 명령프로그램을 제외함)이며 일반적인 용어이상으로 설명할 필요가 없다. 그것은 프로그램메모리(32), 데이터메모리(34), 및 멀티비트포트 1,2 및 3으로 통하는 복합 어드레스 및 데이터 버스(31)에 결합된 마이크로 프로세서(30) (도시되지 않은 CPU, 명령어드레스 카운터 및 클록을 가짐)로 구성된다. 단일 비트입력포트(Pl)는 마이크로프로서신상의 인터럽트 단자(INT)로 통한다.

키보드 및 CRT 디스플레이 유니트(18)는 보통의 방식으로 연결되고 기능한다. 프로그램 메모리 (32)는 서로 다른 식별가능한 서브-루틴들간의 개입중단 및 점프들로 시분할 함으로서 수행된 몇 개의 타스크를 포함할 수 있는 명령프로그램으로 로드된다. 조절작용과 관련된 서브-루틴만이 이 경우에서 고려된다.

제2도는 곡선(40)으로 개략적으로 도시되며, 그것은 4실린더 및 2실린더 엔진에 있어서 시간에 대한 즉각적인 엔진속도의 값의 곡선이다. 주기(Tc1 내지 Tc4)의 각각의 시초는 한 개의 실린더가 점화하는 순간을 표시하고, 그에 의하여 순간속도가 급격히 상승한 후 다음 실린더가 점화할때까지 하강한다. 점화순간(FI)은 크랭크샤프트 회전각

의 끝에서 일어나지만, 연속적인 점화시간 간격(Tc)의 길이는 안전상태의 조건들이 지배적이고(부하 및 연료 입력율이 일정) 완전히 1회전하는 동안의 평균속도(AVE)가 일정한 때일지라도 반드시 동일할 필요는 없다. 이것은 제2도에서 알수 있듯이 제3실린더는 제2실린더보다 점화하기에 어렵기(보다 낮은 압축의 예로 인한) 때문에 주기(Tc3)는 주기(Tc1또는Tc2) 보다 더 길게 된다. 물론, 엔진이 가속되고 있으며, 선 AVE는 위쪽으로 경사질 것이고, 주기(Tc1 내지 Tc4)의 각각은 점진적으로 짧아질 것이지만, 순간 속도는 한 개의 실린더 점화간격동안(즉 크랭크 샤프트의 회전각 90) 도시된 바와같은 보통 방법으로 계속 요동할 것이다.

순간속도의 요동은 비틀림진동 또는 발진으로 호칭되는데 각 실린더가 점화할 때 토오크 및 속도는 잠깐 상승한 다음 평균속도보다 떨어지기 때문이다. 푸리에(Fourier) 해석으로 분석하면, 비틀림 속도요동은 점화주파수에서 강한 기초적 만곡 성분을 갖을 것이며 크랭크 샤프트 회전주파수에서 비교적 강한 제4저조파(Subharmonic) 성분을 갖을 것이라는 것을 제2도로부터 가시적으로 그리고 직관적으로 볼 수 있을 것이다. 이와같은 주파수는 모든 평균속도가 증감함에 따라 같이 증감한다. 즉, 그것은 주기 (Tcr 및 Tc1 내지 Tc4)가 속도증감과는 역으로 증감하는데 따른 것이다.

부호 0로 크랭크샤프트의 회전각 위치를 지정하면, 순간속도는 곡선(40)으로 표시되듯이

로 나타낸다. 주어진 미소 각도(△0)를 통한 크랭크샤프트의 회전은 다음 점화순간 직전보다 각 점화순간(FI) 직후에 더 작은 시간을 요한다. 두 개의 각각 동일한 각도(△0)를 통하여 크랭크샤프트가 회전한 동안의 시간간격(△θ₁및 t₂)을 제2도에 표시한 바와같이 비교한다. 따라서 식(1) 및 (2)로 주어진 공칭주파수(f₂₂및 f₂₅)는 평균속도가 일정할 때 균일하지 않다. 즉, 공칭주파수(f₂₂및 f₂₅)는 곡선(40)에서 나타나는 같은 진동으로 요동한다. 만일 속도가 펄스(22또는 25)의 주파수로부터 감지되고 숫자적으로 측정되거나, 주기(Tcr및 Tc)와 관련하여 짧은 기간에서 감지되고 숫자적으로 측정되면, 비틀림적인 진동의 효과는 후속하는 예에 가하는 반영될 것이다. 폐쇄루프 시스템에서 디지탈제어기의 주성분으로서의 실시간으로 프로그램된 컴퓨터를 채용하는 간단한 보통의 실행에 있어서, 제어 알고리즘 또는 프로그램은 정기적 기초위에 입력되고 실행된다. 즉, 컴퓨터는 프로그램 속으로 점프하고 제어된 물리적 매개변수(예를들어, 속도 등)의 감지값을 받아들이고, 매개변수-관련된 물리적 변수(예를들어, 엔진의 연료 입력비율등)를 결정하는 최종출력신호의 새로운 값을 계산한다. 종래의 시기가 규칙적인 기술에서, 속도는 △θ의 크기를 측정하고 △θ/△t로 표시되는 속도를 계산하므로서 결정되고 여기에서 △t는 상수이다. 이것은 매 16ms(미리세컨드), 10ms 또는 8ms마다 행하여진다. 이것은 설계자에 의하여 결정되는 규칙적 반복비율이다. 일반적으로 말하면, 시간지체를 줄이기 위하여 가능한한 짧고 균일한 인터럽트 기간을 만드는 것이 바람직하다. 만일 기간이 길면 (예 : 4ms에 비하여 16ms), 제어된 매개변수에서의 임의의 오차에 대한 응답 특성은 완만하다. 이것은 그 값이 정확하게 조정할 목적으로 감지되고 측정될 때 외부 영향들은 제어된 매개 변수의 값이 순간들 사이속에서 상당히 변화를 초래할 수 있다는 이유 때문이다.

그러나, 비교적 낮은 속도범위(예:20내지 500r.p.m)로 동작하는 다실린더 엔진의 속도를 제어하기 위하여 정기적인 인터럽트 기술의 사용은 두 개의 단점중의 하나로 귀착된다. 만일 샘플링 및 교정간격이 제2도의 간격진 순간들(INST)로 표시된 것과 같이 짧게(정상적으로 소망된 선택) 만들어지고, 또한 제어기의 게인특성이 상당히 높게 만들어진다면, 제어기는 AVE 크랭크샤프트 속도로부터 크게 상이한 감지속도의 준-순간값을 나타낼 것이다. 이와같은 경우 작동기(14)는 실린더와 점화들 사이의 시간간격 동안에 실제적으로 랙의 위치(먼저 한 방향으로 다음에 다른 방향으로)를 조정할 것이다. 작동기 (14) 및 랙 (12)의 급속하고 계속적인 진동은 기대하는 사용 동작수명의 몇분의 일내에 작동기(14) 및 랙(12)을 마모시켜 버릴 것이다. 한편 만일 작동기 및 랙의 이와같은 진동이 게인을 줄임으로서 또는 샘플링 순간들을 더 큰 간격들로 띄워 놓음으로서 회피된다면, 시스템은 늦고 완만하게 된다. 즉, 부하변동으로 발생된 속도오차들의 교정을 위한 과도현상은 만족스럽지않게 될만큼 길 것이다. 양 경우에서, 속도곡선(40)에 대한 샘플링 순간들의 위상은 알려지지 않고 계속적으로 변동하고 있기 때문에 랙 위치의 잘못된 교정동작이 발생하게 된다.

후술할 신규의 속도감지 및 조절시스템에 있어서는, 정기적인 인터럽트 기술은 사용되지 않으며, 그의 결점은 회피된다. 그 대신에, 현존속도의 샘플은 크랭크샤프트가 소정의 각도 변위(△θ)를 통하여 회전한 각각의 시간이 숫자적으로 측정되고 신호화되며, 경과시간도 숫자적으로 신호화된다. 이와같이 속도(S)의 값은 △θ? △t의 값을 측정함으로부터 찾아내며, 여기서 △θ는 기지의 일정치이고 △t는 측정치이다. 또한, 이 접근법과 관련하여 디지탈 제어기는 그 교정작업을 반복하는데, 정기적인 순간들로서가 이나라, 평균속도가 증감함에 따라서 짧아지거나 길어지는 순간들(△t)에서 반복한다.

△θ가 작게 선택되면 결점이 있고 △θ가 크게 선택되면 또 다른 결점이 있다. 이와같은 결점들은 엔진이 (i) 비교적 작은 실린더수를 갖을 때, 및/또는 (ii) 엔진이 비교적 낮은 속도범위로 작동되고 작동하도록 설계되었을 때 더욱 심하다.

가변피치 프로펠러 구동용 선박 디젤엔진은 종종 그런 특성이다. 많은 선박엔진들은 2내지 6개의 실린더를 갖으며, 예를들면 최소 20r.p.m(유휴시) 내지 최대 100r.p.m(최고속도시)의 범위내에서 작동된다. 제1도의 엔진(10)이 4-실린더, 2-사이클 엔진이고, 20r.p.m의 일정한 평균속도로 작동한다고 가정하면, 제2도의 주기 (Tc)는 공칭 750ms이며, 100r.p.m의 일정한 평균속도로 작동한다고 하면 주기(Tc)는 공칭 150ms이다.

엔진이 가속 또는 감속되고 있으면, 크랭크샤프트 1회전의 간격동안 4개의 연속적인 시간간격들(Tei-3, Tei-2, Tei-1 및 Tei)의 각각은 점진적으로 짧아지거나 길어질 것이다. 또한, 상기와 같이, 점화하기 어렵거나 무기력한 실린더는 AVE 속도가 일정할 때 안정상태 조건하일지라도 그들 시간간격들 중의 하나를 다른것보다 용이하게 더 길게 만들 것이다.

두 개의 대안중의 첫째것을 생각한다. 만일 식(3)에서 비율 P/M을 선택하고 그렇게하여 △θ0가 크게 (말하자면 P/M=1 그리고 △θ=360) 되므로서 기간(Te)의 새롭거나 갱신된 값이 일단 메 샤프트 회전마다 발견되면, 기간(Te) 동안의 수치는 사실 사용될 수 있는 시간에 의하여 낡은 것이며 임의의 속도오차를 가장 잘 제거하기 위한 새로운 연료비율을 결정하는데 유효하다. 만일 엔진이 3/4회전동안에 감속되었다면 360회전에 해당 하는 기간(Te)은 펄스(27)가 나타날 순간에서의 실제속도를 반영해야 할 때보다 더욱 짧게 될 것이다. 감지된 속도정보는 묵은것이고 0.6내지 3초 먼저 조재했던 순간 속도치만큼 잘못 계량된다고 말할 수 있다. 폐쇄루프제어 이론에 따르면 매우 큰 지체 또는 상손실은 각도(△θ)의 소정값이 클 때 발생한다.

두 개의 대안중의 둘째것을 생각한다. 가령 식(3)에서 P/M비율을 선택하고 △θ를 작게(말하자면 P/M=1/30 그리고 △θ=12) 선택한다면, 퍼스 트레인(27)내의 각 연속주기(Te)의 길이는 △θ(여기에서는 12°)의 마지막 회전동안에 물리적으로 존재했던 순간속도외 평균을 반영한다. 그리고 후속하는 펄스(27)는 더 빈번하게 일어난다(20r.p.m에서 OH 100ms마다 또는 100r.p.m에서 매 20.Oms마다) 이와같이, 비교적 작은 지연이 있다. 즉, 각 신형파형기간(Te)은 새롭고 정확하다. 또한, 20ms보다 상당히 짧은 기간들에서 영속적인 신호들의 처리는 현재 사용가능한 마이크로컴퓨터로 전적으로 실행가능하다.

그러나 P/M및 △θ를 작게 만드는데 따른 어려움은 속도에 역비례하는 각 기간(Te)이 마지막 작은 각 회전(즉 12) 동안의 평균속도를 표시한다는 사실로부터 나온다. 기간(Te)의 연속수치들은 속도의 비틀림요동으로 인한 크기로 널리 변화하거나 점프할 것이다. 이것은 제2도로부터 명백해진다. 즉, 만일 하나의 증가각 회전(△θ1)이 변화하는 순간속도곡선(40)의 정점 근방에 취해졌다면, 결과의 기간(△θ1)은 아주 짧지만, 다른 증가각회전(△θ2)이 계곡근방에 취해진다면, 결과의 기간(△t1)은 상대적으로 대단히 길어질 것이다. 감지된 속도의 수치는 이와같이 경과시간(Te)의 계속적으로 측정된 값들에 의하여 표시되듯이 평균속도 주위로 가볍게 흔들릴 것이다. 또 이것은 정확하게 엔진연료입력비율을 조정하려고 하는 작동기의 급속한 기계적 진동을 일으켜 마모와 단명을 초래할 것이다. 또한 하나 또는 두 실린더가 다른 것들에 비하여 약하다면 평균속도가 일정하다할지라도, 작동기는 각각 약한 실린더가 점화한 후에 연료 랙 위치의 교정을 시도함으로써 계속적으로 신호된 평균속도의 값으로 사이클 오차를 발생할 것이다.

이와같은 어려움을 덜기 위하여, 여러 샘플들의 운전 평균을 계산하고 사용하기 위하여 기술의 실행이 행해진다. 즉 마지막 열번의 주기 (△t1)의 값들을 취하여, 그들을 합산하고 10으로 나눈다. 평균(△t1)의 역수는 이와같이 마지막 10개의 각 증가(△θ1) 동안의 순간속도의 평균이다. 이것은 여과효과를 발생하나 제어시스템을 완만하게 만드는 시간지체나 위상의 악조건을 부과한다. 이것은 또 합산된 값들의 더많은 것이 계곡영역(또는 역도 같음)에 상당하는 것들보다 곡선(40)상의 정상영역에 상당하므로 속도의 계산된 평균이 시간평균을 정화하게 표시하지 않기 때문에 오차가 많은 평균을 발생할 수 있다.

본 발명에 의하면, 크랭크샤프트가 순간적인 속도에서 비틀림 요동을 나타내는 다 실린더 엔진은 (1) 크랭크샤프트가 완전한 1회전(360)하는 동안에 경과된 시간(Tcr)의 값을 반복적으로 측정하는 감지수단 및 (2) 매 크랭크회전에 대한 Tcr Q번의 새로운 값을 발생하는 수단(여기에서 Q는 1보다 큰 정수임)에 의하여 그 평균속도가 정확하게 조절된다.

후에서 명백해지듯이, 이것은 비틀림 속도요동을 단순하게 나타낼 수 없고 연속적으로 신호화된 Tcr의 값들에 반영되지 않는 이점을 가진다. 작동기(14) 및 랙(12)은 비틀림 요동주파수에서 기계적으로 진동하지 않으며, 따라서 과도하게 마모되지 않는다. 그러나 Tcr의 새로운 값이 매회전마다 그리고 주기 (Tcr)보다 더 짧은 시간간격에서 Q번 측정되기 때문에, Tcr(그리고 그의 역수 S)의 최신값은 안정하지 않다. 즉, 감지속도의 위상지체 및 교정연료 비율은 Tcr 및 S가 매회전마다 한번씩 새롭게 측정되면 경험했던 지체에 비하여 1/Q의 인자만큼 감소된다.

이들 결과를 달성하기 위하여, 제1차신호(예:펄스들(27) 중의 하나)는 소정의 연속적인 각 변위(△θ1, △θ2‥‥‥△θq)를 통하여 크랭크샤프트(10a)가 회전했을 때 각 순간에서 생성된다. 여기에서 Q는 1보다 큰 정수를 선택하며, 또한,

기호 Q 및 q는 동일한 정수로서 상호교환적으로 사용된다. 식(4)는 아마 그의 대체형으로 더 잘 이해될 수 있을 것이다.

△θ1+△θ2····+△θq=360° (4a)

크랭크샤프트의 완전한 1회전이 Q 각도를(그것은 서로 반드시 동일할 필요는 없다)로 분할되고, 임의의 특정 각(△θx)을 통하여 변위의 끝에서 나타나는 제1차 신호들은 크랭크샤프트가 완전한 1회전을 하는 동안의 주기(Tcr)와 동등한 시간간격을 갖는 필요요건을 간단하다.

일예로서, Q는 3으로 선정되고 △θ_1,θ_2,및 △θ₃는 110, 130및 120로 각각 선정된 것으로 가정한다. 이것을 실시하기 위하여, 제1도의 장치는 카운터(22)를 생략하고 기어(20)가 110°, 130° 및 120°씩 간격진 3개의 이빨만으로된 것을 채용하도록 변경되어서 MPU(21)의 출력은 미분기(26)로 공급되고 매 크랭크샤프트 회전마다 3개의 펄스(27)를 발생한다. 이러한 치들중에 주어진 하나에 의하여 발생된 펄스(27)는 간격(Tcr)에 의하여 시간적으로 간격질 것이다. 그러나 모든 펄스(27)들은 연속하는 펄스(27)들간의 시간 간격들은 크랭크샤프트 110°, 130° 및 120°의 연속적인 각도들을 통하여 회전할 때 평균속도에 역비례하는 흐름을 형성할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 소정의 연속적 각 변위 (△θ₁....△θq)는 아래와 같이 서로 모두 동일하다.

그리고, 본질적이진 않으나, Q는 360의 정수 약수로서 미리 선택되는 것이 좋으며, 그러므로서 선택된 Q값과 M/P비율을 동일하게 만든M 및 P(커운터(22)가 채용된 경우)의 값을 빼내기 편리하게 한다. 모든 각 변위들(△θ₁‥‥△θq)이 동일할 때 펄스(27)들은 본질적으로 동일 시간간격으로 간격질 것이며 (제2도에서 간격들(Tei-3내지 Tei 참조) 마이크로 프로세서(20) (제1도)로의 인터럽트는 본질적으로 균일한 비율로 자리 잡을 것이다.(그러나 평균속도가 커지거나 작아질 때 증감한다), 예를들면 Q가 3이면 3개의 연속되는 △θ들은 120°로 만들어질 것이고, Q가 4이면 4개의 연속되는 △θ들은 90°로 만들어질 것이다. 제1,2 및 4도에 표시한 예에 대하여, 미리 선택된 Q의 값은 4이고 4개의 △θ들을 각각 90°이다.

제1도의 기어(20)와 카운터(24)를 가지고 있고 기어 (20)상에 동일하게 간격진 치의 수 M이 카운터 분할인자 P의 정수배이라고 가정하면, M 및 P의 선택은 펄스(27)에 적용 가능한 Q의 값을 결정한다. 즉

특정예로서, M이 256 그리고 P가 64이면, Q는 4가 될 것이고 펄스(27)들 중 하나는 크랭크샤프트가 90의 각각 연속적인 △θ변위를 통하여 회전하는 동안에 각각의 시간 간격의 끝에서 나타날 것이다. 그러나 기어(20)를 단순히 그 외주주위로 90°간격진 4개의 치로 구성하고, 카운터(24)를 제거하며, 펄스(27) 대신에 첫째신호로서 MPU 출력펄스를 사용하므로서 같은 결과를 얻을 수 있다는 것이 명백하다. 상기 후자의 경우에 M은 4, P는 1 그리고 Q는 4이다.

어느 경우에 있어서나, 그리고 식(4) 및 (4a)에 의하면 주어진 첫째신호(Fsi) 예:한 개의 펄스(27)의 출현과 Q차의 선행 첫째신호(FSi-q) 사이의 시간간격이 크랭크샤프트가 완전히 1회전하는 동안에 경과한 시간(Tcr)임을 알 수 있다. 연속적인 펄스(27)들간의 결과시간(Te)은 △θ 각도들에 따르면 바람직한 배열에서(△θ₁, △θ₂, ‥‥△θq가 모두 동일한 경우) 크랭크샤프트가 360/Q를 회전한 경과시간과 일치한다.

또한 본 발명에 의하면, 디지탈 신호(Tcr)는 첫째신호가 나타날매마다 첫째신호의 현재출현과 Q차의 선행 첫째신호의 출현 사이의 경과시간을 숫자적으로 표시하도록 생성된다. 연속적인 펄스(27)들이 나타나는 순간(ti-3, ti-2, ti-1, ti)들에서 끝나는 제2도의 경과시간(Tei-3, Tei-2, Tei-1, Tei)들을 참고한다. 순간(ti)에서 신호(Tcri)는 1회전 동안의 시간을 숫자적으로 표시하도록 생성되며, 그것은 제2도의 상단에서 Tcr 치수선으로 표시한 간격이다. 순간(ti-1)에서 신호(Tcri-1)는 순간(ti-1)과 순간(ti-5) (후자는 제2도에 표시되지 않음) 사이의 시간간격을 숫자적으로 표시하도록 생성되었을 것이다. 그러나 시간간격(Te)에서 새로운 부호Tcr은 사실 Q선행시간 간격(Te)의 합계인 시간의 숫자 값을 표시하도록 생성된 것임을 이해할 수 있을 것이 다(제2도에서 Q=4, 모든 △θ는 90°인 경우 참조),

신호(Tcr)의 숫자값은 완전한 1회전 동안의 평균속도에 역비례할 것(속도에서 비틀림요동의 모양이나 상태, 또는 각 실린더에 의하여 생성된 비틀림 요동의 모양 및 크기가 서로 상이하다 할지라도 상관없음) 이라는 것을 제2도로부러 주의하여야 한다. 만일 평균속도가 일정하면(즉, 정상상태 조건인 경우) Tcr의 연속적인 값은 동일한 것이다. 그러나 엔진이 시간간격 (Tei-2) 바로후에 가속하기 시작하면(부하로 토오크가 갑자기 낮아졌다고 가정함), 기간(Tei-1 및 Tei)은 표시된 것보다 짧아질 것이며 이것은 분류 표시된 시간간격(Tcr)이 짧아지고, 숫자값 Tcri이 첫째로 설명한 것보다 낮아지고 가속이 시작되었다는 사실을 반영할 것이다. 만일 크랭크샤프트 평균속도가 최초값으로부터 변화하기 시작(또는 변화중) 하면, 하나의 Te기간보다 더 많은 시간이 그 변화(적어도 부분적으로)를 반영하는 Tcr값의 다음 갱신전에 경과하지 않는다. 이와같이, 매회전당 1 샘플 절차의 시간지연 또는 지체는 경감된다.

산술적 절차의 문제로서, 출력이 현재시간을 표시하기 위하여 계속적으로 변화하는 계속적으로 가동하는 정밀한 디지탈 클록(clock)이 있다고 가정한다. 각 순간들(ti, ti-1....)에서 클록은 당시 현존하는 시간의 수치를 포착하기 위하여 판독된다.

이와같이 포착된 숫자는 여기에서는 기호 클록으로 지정될 것이다. 이제 각 순간(t)에서의 Tcr의 수치를 얻기 위하여, 감산이 수행되는데 :

Tcri=클록 i - 클록 i-4 (7)

그리고 값(Tcri)은 제2도의 상단에서 Tcr로 표시된 치수를 숫자적으로 표시한 것이다. 연속적인 순간(t)들간의 경파시간의 수치들을 신호함으로서 값은 결과를 얻을 수 있으며, 그들을 합산한다. 즉,

Tcri = Tei + Fei-1 + Tei-2 + Tei-3 (8)

Tcri = (클록 i - 클록 i-1) + (클록 i-1 - 클록 i-2) + (클록 i-2 - 클록 i-3) + (클록 i-3-클록 i-4) (9)

제2도의 예에서, Q는 4이고 △θ는 90°이다. 그러나 일반적 또는 총제적 경우를 표현하기 위하여, 식(7)이 다음과 같이 표현될 수있다. 즉,

Tcri = 클록 i = 클록 i -q (10)

그리고 소정의 연속적인 △θ들의 동일성 또는 크기는 그다지 중요하지 않다. 식(9)의 일반적 경우에 대한 표현은 다음과 같다.

Tcri = (클록 i - 클록 i-1) +.... (클록 i-q-1 - 클록 i-q) (11)

모든 경우에서, Tcr의 값을 얻었을 때, 샤프트 속도(S)는 역수로서 숫자적으로 발견될 것이다. 즉,

주기적으로 갱신한 Tcr 값과 감지된 엔진속도(S)를 얻을 수 있도록 이 절차를 수행하기 위한 장치의 바람직한 실시예로서, 마이크로 컴퓨터(16)가 정민한 수정 펄스발진기(46)로부터 입력펄스들에 의하여 계속적으로 구동되는 외부카운터(45)와 결합된다. 카운터에 의하여 신호화된 2진수는 포트 1을 통하여 단순히 메모리 워드인 것과 같이 그 포트를 어드레스 함으로서 마이크로컴퓨터 내에서 취해질 수 있다. 카운터 (45)는 용량이 큰 것이 바람직하며, 예로 32비트 용량이 좋고, 따라서 각 롤오버(rollover)전에 큰 숫자 내용까지 실행하도록 한다. 마이크로프로세서 (30)와 데이터버스가 8비트 용량인 때에는 필요하면, 카운터 수는 포트1을 구성하고 산술적 처리를 위하여 별도로 판독되는 3분리 8비트 포트까지 바이트로 사용될 수 있다. 마이크로 프로세서 및 데이터 버스는 32비트 용량이고 설비(도시않됨)는 카운터가 그 내용이 판독되기 전에 설정되었다고 가정하여 간단화한다.

물론, 적당한 용량을 가진 마이크로 프로세서에 있어서, 카운터(45)는 마이크로컴퓨터의 내부 발진기로부터 계속적으로 증가된 메모리의 워드로서 구체화 될 수 있다.

프로그램 메모리(32)는 (i) 실제속도에 대하여 최후에 감지된 값을 표시하는2진 워드신호(S)를 발생하여 갱신하고, 그리고 (ii) 작동기(14)에 전기를 가하기 위해 사용되는 신호(F)를 결정하여 출력하고, 그러므로서 연료랙(12)의 위치와 엔진(10)으로 공급하는 연료의 비율을 결정하기 위하여 알고리즘의 반복된 실행을 초래하는 명령 프로그램으로 로드된다. 이 프로그램의 후자의 부분은 설정검속도값(sd)과 감지된 실재속도(S) 사이에 존재하는 임의의 오차에 대하여 비례, 적분, 미분(PID)특성을 생성한다. 전체 프로그램은 제4도의 플로챠트로부터 이해될 수 있을 것이며 다음에 상세히 설명한다.

변화가능한 수치들을 표시하는 일정한 워드들은 데이터 메모리 (34) 속의 특정 어드레스 위치들에 배치된다.

설명의 편의상, 이 워들은 메모리 (34)의 부분적 맵(map)으로서 제3도에 표시된 기호들로 배치되었다. 프로그램메모리(32)내에 저장된 연속적인 명령들의 실행에 의하여 마이크로 프로세서는 메모리로부터 임의의 데이타숴드를 판독할 수 있고 피연산함수(operand)로서 다른 것과 함께 취해진 숫자워드에 대한 일정한 산술적 연산을 수행한 후, 메모리내의 같은 또는 상이한 자리에 그 결과를 다시 기록한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 멀티비트포트들은 마치 그들이 데이타메모리의 워드들인 것과 같이 판독가능 또는 기록가능하다.

실제속도(S)를 신호화하고 연속적인 펄스들(27)이 인터럽트단자(INT)에 인가되는 것을 조회하는 문제로 먼저 돌리면, 마이크로컴퓨터는 그 펄스들(제2도에서 경과시간(Te)에 의하여 분리됨) 중의 하나가 나타날때마다 제4도의 서브 루틴내로 점프한다. 이것은 제4도의 단계 (SP1)에 표시되고, 카운터 (45)로부터 신호화된 진행번호(그리고 그것은 디지탈타임클록의 출력과 같다)가 포트 1을 통하여 취해지고 클록 데이타메모리 어드레스에 저장되는 단계 (SP2)에 의하여 이어진다. 이와같이 클록신호는 본질적으로 최후출현 펄스(27)의 순간(ti)에서의 시간의 최근값을 표시한다. 상이한 메모리 어드레스들에 신호들(클록 i-1 - 클록 i-2, 클록 i-3, 클록 i-4)이 포착되는데, 그것은 서브 루틴 및 세이브된 것을 통하여 4개의 선행패스들의 단계(SP2) 동안에 카운터(45)로부터 취해졌던 것이다. 그러므로 최근 펄스(순간 ti에서)와 그것에 선행하는 넷째것 사이의 경과시간(Tcr)의 실제기간은 다음 감산연산에 의하여 SP3 단계에서 계산된다.

Tcr = 클록 - 클록 i-4 (13)

이 감산은 순간(ti-4)에서의 한개의 판독과 순간(ti)에서의 그후의 판독 사이에 카운터(45)에서 롤오버가 있었다 할지라도 정확한 답을 얻을 수 있도록 바람직하게는 2개의 보충 2진 산술의 공지방식으로 수행된다.

단계 (SP3)에서 발견되어 저장된 신호(Tcr)는 크랭크샤프트의 최근의 전회전 동안에 그리고 최후 수신된 펄스(27)가 나타난 순간에 끝난 기간동안에 경과된 시간을 숫자적으로 표시한다. 단계(SP4)에 이르기에 메모리워드들(클록 i-1, 클록 i-2, 클록 i-3, 클록 i-4)은 프로그램을 통하여 첫번째 선행, 두번째 선행, 세번째 선행 및 네번째 선행의 패스들의 단계 (SP2)에서 카운터(45)에 의하여 신호화된 상당 수치들을 포함한다. 이와같이 단계 (SP4)가 실행되면, 이 내용들은 전송에 의하여 모두 1단계를 움직인 것이며 (4숫자중의 가장 오래된 것은 지워짐) 클록 최극값은 메모리위치(클록 i-1)내로 전송된다. 이것을 다른 방법으로 말하면, 단계(SP4)의 4개의 전송이 완료된 다음에 클록 i-4은 단계(SP3)의 다음 패스실행을 위하여 감수(subtrahend)를 포함한다.

클록 i-3은 단계 (SP3)의 두번째 다음 패스실행을 위하여 감수를 포함한다.

클록 i-2은 단계(SP3)의 세번째 다음 패스실행을 위하여 감수를 포함한다.

클록 i-1은 단계 (SP3)의 네번째(Q차) 다음 패스실행을 위하여 감수를 포함한다.

단계 (SP5)에서, 컴퓨터는 식(12)에서 지정한 계산을 수행한다. Tcr의 역수는 신호(S)를 생성하여 저장하기 위하여 계산된다. 그것은 조절기 시스템 프로그램의 잔여부를 통하여 현재패스의 나머지 동안에 엔진의 실제속도로서 사용될 것이다.

본 발명의 독특하고 유리한 특징은 Tcr(완전한 1회전의 샤프트 회전에 대한 시간간격)의 새로운 값이 마지막 4개의 선행경과시간(Tei 내지 Tei-3) (제2도 참조)의 합계를 표시하기 위하여 각 프로그램 반복동안에 계산된다는 사실에 있다. 프로그램은 인터럽트펄스(27)가 나타날 때 연속적인 순간들에서 반복되며, 따라서 임의의 패스상에 Tcr의 계산된 수치가 전적으로 실린더 점화주파수에서 비틀림속도 요동들 또는 크랭크 회전 주파수에서의 비틀림요동들과 관계없이 면제되도록 한다. 1회 반복동안에 발견된 R의 역수로서 계산된 S의 값은 마지막 Q인터럽트들의 개개의 것과 크랭크샤프트의 완전한 1회전 사이에 걸쳐서 존재하는 순간속도의 평균을 표시한다.

그러므로 엔진이 가속 또는 감소하고 있으면, 연속적인 패스들 상의 Tcr의 계산된 값은 증가 또는 감소할 것이며 패스들간의 시간간격은 마찬가지로 증가 또는 감소할 것이다. 정상상태 속도가 비교적으로 더 높거나 더 낮을때(예:100 또는 20r.p.m) Tcr의 계산된 값 및 반복율은 더 낮거나 더 높을 것이다. 반복율은 상수 Q를 위하여 선택된 값에 의하여 1회전 비율에 직접 관련된다. 특히 이들은 매 크랭크샤프트 회전당4도의 서브루틴을 통하여 Q인터럽트들 및 Q반복들이며, 이와같이 1회 반복과 다음번 반복 사이의 거리는 두개의 펄스들(27)간의 결과시간과 동일하게 될 것이다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 개개의 각도(△θ)는 모두 동일하며 [식(5) 참조], 경과시간(Tei 내지 Tei-3) (제2도)은 거의 동일한 기간일 것이다. 이와같이 제4도의 서브루틴 내로의 엔트리를 위한 인터럽트들은 순간들(ti-4.... ti)에서 발생하지만, 인터럽트들 간의 시간의 양적측정으로서, 인터럽트들이 동일하게 또한 회전시간(Tcr)의 1/Q차인 간격에 의해 간격지워졌다고 추정하는 것은 상당히 정확하다. 즉, 실제로 제4도의 서브루틴을 통한 연속적인 패스들간의 샘플링 시간 T는 다음과 같다.

여기에서 Q는 제2도의 예에 대하여 4이다. 이와같이 일단 Tcr의 값이 알려지면 연속적인 반복들 간의 시간(T) 을 위한 공칭 및 효과적 수치(가변임)을 알 수 있다. 평균속도가 100r.p.m이면, Tcr은 매회전당 0.600초가 될 것이고 T는 0.6/Q=0.6/4=0.150초가 될 것이다. 그러나 평균속도가 20r.p.m이면, Tcr은 3.0초 그리고 T는 3/Q=3/4=0.750초가 될 것이다. 이것이 뜻하는 것온 엔진속도(S)가 더욱 빨라지고 더욱 급속히 변화할 수 있을 때, 감지된 속도(S)의 갱신에 더욱 빈번히 발생하는 것이고 따라서, 감지된 속도에서의 변화들은 더욱 빨리 나타난다(수 s내에 반영된다).

본 시스템에서 발생된 폐쇄 루프 속도 조절작용으로 돌리기 전에, 상이한 부하 장치들을 구동하는 상이한 엔진들의 속도-부하 특성들은 매우 상이할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 부하는 속도와 함께 변하는 토오크의 값을 부과할 수 있고 부하장치 자체는 그 상태가 변화될 수 있으므로 부하 토오크는 주어진 일정 평균속도에서 일지라도 상이할 수 있다.

제5도는 특정부하를 구동하는 특정엔진, 말하자면, 가변피치 선박프로펠러를 구동하는 일정한 4실린더 디젤엔진의 부하-속도관계를 특정지우는 특정예이다. 만일 프로펠러 피치가 최소로 그리고 거의 0으로 설정되면, 20%에서 100%까지의 엔진속도 범위내의 임의의 값에서 정상상태 속도를 유지하기 위하여 필요한 토오크는 곡선(50)을 따를 것이다. 한편, 프로펠러 피치가 최대로 설정되면 임의의 정상상태 속도에서의 토오크는 곡선(51)에 의하여 표시될 것이다. 양곡선은 모두 비-직선적이지만, 일반적으로(주어진 피치 설정에 대하여) 토오크는 정상상태속도의 제곱으로 증가한다. 최소와 최대간의 피치 설정들에서 모든 곡선들중에서 상이한 것들(예를들어 52및 53)이 사용가능하게 되는데, 비직선인 곡선의 간격을 가지고 있다. 임의의 주어진 정상상태 속도에서 프로펠러에 의하여 주어진 부하 토오크는 프로펠러 피치의 제3동력으로서 본질직으로 증가할 것이다.

부하 토오크는 부하장치의 조건(피치설정)과 또 속도에 의존하나, 엔진출력 토오크는(부하 토오크) 임의의 설정환경하에서 엔진으로의 연료입력의 비율에 비례한다고 근사적으로 말할 수 있다. 그러므로 그 휴지 위치로부터의 랙(12)의 변위나 위치와 디지탈신호(F)의 값은 부하 토오크를 표시하는 것으로 사용될 수 있다.

주어진 부하장치에 결합된 주어진 엔진이 주어진 폐쇄 루프 제어기 또는 속도조절기와 먼저 결합된 때, 엔진 및 부하장치에서 전달기능들 및 시간지체들은 알려지지 않는다. 오차교정 작용이 제어기의 PID 특성들에 의하여 속도오차에 대하여 획득된다면 비례, 적분 및 미분효과(조속하 특성을 최적하게 그러나 주기적 회전기복 또는 불안정 없이 제공하기 위한 것임)에 대한 게인 인자들 및 시정수들이 역시 알려지지 않는다. 엔진 및 부하장치의 전달 기능 및 시간지체는 동작점예 제5도의 곡선(50) 및 (51)에 의하여 경계진 영역내에서 상이한 위치로 움직일 때 변화한다는 사실을 또한 피할 수 없다. 동작점이 바뀔때(속도 설정점 및/또는 프로펠러 피치가 변화함에 기인함) PID제어기 내에서 그리고 그를 위하여 게인 인자들 및 시정수들은 불안정성을 방지하기 위하여 그리고 적어도 근사한 최적의 특성을 지키기 위하여 변화되어야 한다. 이것은 엔진 및 부하 특성들이 변화할 때 PID 제어기의 게인들과 시정수들을 자동적으로 조정하는 여러가지 형의 정교하고 복잡하며 적합한 시스템을 제안하여 실제로 사용하기 위하여 폐쇄루프 제어의 기술을 촉구하였었다.

본 발명에 의하면, PID 속도조절제어기는 개방루프 적합조정 또는 게인 및 시정수의 재조정(대단히 짧고, 간단하며 각 반복을 위하여 매우 작은 컴퓨터 시간을 소모하는 컴퓨터프로그램)을 제공하기 위하여 마이크로 컴퓨터 내에서 창출되었다. 이 속도조절 프로그램은 제4도의 단계(SP5)에서 속도 표시신호(S)를 반복적으로 얻기 위하여 전술한 방법 및 장치와 상호작용하고, 조절프로그램의 반복들이 되풀이 된다는 사실에 의하여 특징지워진다. 이는 종래 기술에서 표준실행이었던 일정 또는 클록된(정기적인 인터럽트) 비율에서가 아니고 대신에 엔진속도에서의 변화와 역으로 변화하는 비율에서이다. 환언하면, 프로그램 루틴의 반복주파수는 제어된 속도가 증감함에 따라 증감한다.

임의의 주어진 부하장치에 결합된 임의의 주어진 엔진은 제1도에 도시된 제어시스템을 구성하는 다른 구성부품들에 먼저 걸렸을 때, 3개의 중요한 수치들이 즉각 알려진다.

엔진이 그 이상으로 작동되어서는 안되는(미세한 일시적인 행정을 제외함) 최고율속도(여기에서 S_R호칭)는 우선 엔진 제작자의 시방서나 또는 부하장치의 상태에 의하여 부과된 어떤 최고한도로부터 알려진다. 예를들면, 일정한 선박추진력 응용에 있어서, 최고비율속도(S_R)는 100r.p.m이라고 하고 그 값이 설명목적으로 가정된다. 이해를 돕기 위하여 더 구체적인 예를주면, 기어 (20)는 600개의 치를 가지고 있고, 카운터(24) (제1도)는 150으로 나누고, 따라서 식(6) 및 (5)로부터 다음과 같이 된다.

일반적기호 △θ는 제4도의 예를 설명하는데 있어 90°각도로 사용될 것이다.

S 및 S_R을 표현하는데 r.p.m 단위보다는 회전/초의 단위로 하는 것이 유효할 것이다. 이는 경과시간(Tcr) 단계 (SP3)은 크랭크 샤프트가 1회전 하는 동안의 시간이고 속도(S)는 매초당 회전수의 단위라는 것이 단계(SP1 내지 SP6)로부터 명백할 것이기 때문이다. 물론, 다른 단위들 및 척도 인자들도 선택에 따라 채택될 수 있다. 그러나 본 예에서, 최고율 속도가 100r.p.m이면, 최고율속도는 다음식으로부터 알게 된다.

S_R은 알려졌기 때문에, 경과시간(Te) (△θ를 통한 회전에 필요함. 여기에서는 90°)의 이상화된 값도 역시 알려진다. 이와같이 연속적인 펄스들(27)간의 공칭시간 주기와 최고율속도에서의 연속적인 인터럽트들간의 간격들은 기호 T_R에 의하여 지정될 수 있고, 다음식으로부터 알게된다.

식 (14)는 최고율속도 및 S가 1.666회전/초와 동일 때 단순히 식(13)의 특별한 경우이다.

셋째로 알려진 수치는 제5도에서 최고율속도의 20%가 되도록 가정한 휴지속도를 위한 연료입력 비율 이상으로, 연료입력의 최대가능 비율이다. 최대연료비율은 제1도에서 랙 (12)의 최대 연료 위치로서 (유지위치로부터 측정됨). 적합한 척도인자와 함께 그리고 디지탈 신호(F)의 최대실효치로 표시된 것으로 생각된다. 이 값 Fmax는 DAC(15) 및 작동기 (4)의 특성으로부터 숫자적으로 알려진다. 즉, 그것은 랙 (12)이 최대연료입력 비율을 위한 위치를 초래하는 F의 값이다. 알려진 값 Fmax는 일반적으로 최대 엔진토오크에 비례한다.

주어진 부하장치에 결합된 주어진 엔진이 제1도의 나머지 제어시스템 구성부품에 먼저 걸리게 되었을 때, 엔진은 시동되고 제5도의 곡선(50) 및 (51)에 의하여 경계진 영역내에서 선택된 참조점에서 작동하도록 수동적으로 제어된다. 예를들면, 부하장치는 최소토오크부하(프로펠러의 경우에는 최소 또는 영(0)피치)로 조정되고 엔진은 최고속도(S_R)로 작동된다.

엔진/부하는 제5도의 참조점(RP)에서 최소부하 및 최고속도로 작동하게 될 것이다. 이들 경우에 있어서, S는 S_R과 동일하게 될 것이고 T(인터럽트간의 간격)는 T_R과 동일하게 될 것이다. 이제 엔진은 속도 및/또는 부하 과도현상에 지배되고 적분, 비례 및 비분작용을 위한 게인 및 시정수는 근사-최적 특성, 즉 안정성 및 최단 일시회복 시간을 마련하기 위하여 조정된다. 이것은 최상의 절충이 절단 및 시도 절차에 의하여 달성되도록 다른 작동특성에 영향을 주는 1인자내의 변화와 함께 조정을 위한 공지기술이다. 그러나 엔진 및 부하 장치가 참조점(RP)에서 그들의 고유의 전송 기능 및 지체를 표시할 때 적분, 비례 및 미분작용을 위하여 가장 적합한 상수들(I_R, B_R및 D_R)을 위한 값의 발견 및 저장을 초래할 것이다. 이 참조값들(I_R, B_R및 D_R)의 중요성은 다음의 설명에서 더 잘 이해될 것이나 키보드(18)를 통하여 타자쳐 넣으므로서 이 수치들은 데이터 메모리(34)의 해당 워드내에 상수로서 저장된다(메모리의 상수워드들이 작은 4각 울타리로 구별된 제3도 참조)는 것이 이해될 것이다.

S_R, T_R및 Fmas에 대하여 알려진 수치들은 역시 메모리의 상당 워드내로 엔터된다. 이와같이 최초설정 및 참조점(RP)에서의 조정후에, 마이크로 컴퓨터 메모리내에 저장되고 사용가능한 6개의 상수가 있다. 그들은 S_R, T_R, Fmax, I_R, B_R및 D_R이다.

명령메모리 (32)내에 로드된 속도조절 프로그램을 설명하기 전에, 비례, 적분, 미분제밀기의 기본원리를 이해하는 것이 도움이 될 것이다. 실제로 감지된 속도값과 설정점이나 소망속도 사이에 임의로 존재하는 오차에 대한 특성은 다음과 같이 표현된다.

식중에서 Sd는 소정의 또는 설정점 속도; S는 실제속도; I는 적분작용 게인; B는 지체-유도작용을 위한 시정수로서 안정인자라고 호칭됨: D는 지체-유도작용을 위한 시정로서 보상인지라고 호칭됨; F는 속도 S를 발생하는 입력매체 (연료)의 비율을 결정하는 출력신호; 그리고 S는 보통 미분 방정식에서 적용된 통상의 미분 연산자(differential operator)이다.

기호 S는 미분

를 위한 둥치(equivalent)라는 것이 이해될 것이다. 수학적으로 역수

은 적분함수를 나타낸다.

방정식(15)이 임의의 속도오차에 대하여 비례, 적분 및 미분 특성을 위해 제공한다는 것을 쉽게 알수 있도록 하기 위하여, 상기 방정식에서 우측 인자는 실로 속도오차 E라는 것을 주목한다. 즉,

E=S_d-S (16)

이것을 예(15)에 대입하고 대수학적 연산으로 전개하면 다음과 같다.

식(19)의 첫째항은 I(B+D)의 게인 인자와 함께 오차(E)에 비례하며, 제2항은 I의 게인인자와 오차(E)의 적분으로써 변화하고, 제3항은 IBD의 게인인자와 함께 오차(E)의 미분으로써 변한다는 것을 쉽게 알 수 있다.

방정식(15)는 아날로그 형이다. 즉, 그것은 계속적으로 그리고 시간이 경과함에 따라 무한히 작은 단계로 변화 할 수 있는 변수들을 예상케 한다. 이것은 디지탈 컴퓨터에서 수행될 수 있는 반복점 차에서 유한시간 간격(T)에 의하여 간격진 순간들에서 수행되는 식으로 전환될 수 있다. 이와같은 변환은 미분 연산자(S)를 반복절차 등식으로 대치하므로서 얻어진다:

식중 T는 반복들 사이의 시간간격이고 기호 Z^-1는 선행값에 표시한다. 만일 반복적으로 갱신된 변수가 통상적으로 Ui-1, Ui, Ui+l,.... Ui≠n으로 표시된다면, 같은 기입법이 U_Z ^-1, U_Z, U_Z ², U_Z ³....U_Z으로 표현될 수 있다.

식(20)으로부터 식(15)속으로 대입하면 다음이 된다.

후자의 식에서, 물리량 T는 상수지만 본 발명의 실행에서는 그것은 전술한 바와같이 변수이다. 그것은 매 △θ당 시간이고 식(13a)에 의하여 충분히 근사하다. 더구나 식(14)에서 표현하듯이 속도(S) (회전/초)에 관한 것이다.

식(21)에서 적분 게인은 물리량 I에 의하여 구성되고, 안정인자는 물리량 B에 의하여 구성되고, 보정인자는 물리량 D에 의하여 구성된다. 이들은 정상적으로 상수로 생각된다. 즉, 첫째것은 적분작용 게인에 영향을 주고 반면에 3개 모두는 비례 및 미분작용 게인 모두에 영향을 준다(그러므로 절충조정이 필요). 그러나 I, B 및 D는 제어기의 매칭(matching)을 제어된 실체 (여기에서 엔진 및 부하장치)의 전달기능 및 기체로 양향을 주어 결정하는 물리량들이다. 그리고 전술한 바와같이 제어된 실체의 이들 후자의 특성은 제5도의 곡선 (50)과 (51)사이의 영역에서 시스템이 하나의 동작점으로부터 다른 동작점으로 이동함에 따라서 변화한다.

트랙에 대한 일반적 근사값이 제어된 엔진 및 부하장지의 전송기능 및 지체에서 변화하기 때문에, 적분 게인값(I)은 동작속도(S)의 제곱과 같이 증가하여야 하며 부하 토오크와 함께 거의 직선적으로 증가하여야 한다. 환언하면, 속도와 부하는 시시각각으로 상이한 값을 취하기 때문에, 임의의 시간에서의 물리량 Ii의 값은 다음과같은 기지의 출발값 I_R에 관련되어야 한다.

식중 Li는 부하토오크의 현재 값을 표시한다. 그러나 Fi가 부하토오크의 표시자라고 가정하면, 변화 토오크의 영향은 다음 형태로 식(22)를 다시 쓰므로서 표현할 수 있다.

식중 Fi-1은 출력신호 F의 마지막 사용가능 값이고, Fmax는 전술한 기지의 일정값이다. 물리량 출력신호(Fi-1)가 영(0)에서 Fmax까지 변화함에 따라서 1.0에서 2.0까지 변화하는 괄호들이라는 것을 알 수 있다. 이와같이, 물리량 Ii는 부하 토오크가 최소에서 최대값까지 증가함에 따라서 거의 직선적으로 증가된다.

물리량

은 공칭속도의 제곱이다. 만일 속도가 최대속도의 20내지 100퍼센트 사이에 놓일 수 있으면, 그 물리량은 속도가 20r.p.m의 최소로부터 100r.p.m의 최고비율값까지 증가함에 따라 0.04부터 1.0까지 증가할 것이다.

식(21)은 두(2)인자식 IT을 필요로 하고 사용하는 다음식을 생각한다. 식(23)은 양변에 모두 T를 곱한 식으로 바꿀수 있다 :

그러나 S 및 T는 역으로 변화하기 때문에 그들의 곱은 일정하다는 것은 자명하다. 즉

식중 S_R및 T_R은 기지의 상수들이고, 전자는 회전/초의 단위로 보이고 후자는 매 △θ당 초의 단위로 보이며 여기에서 연속적인 △θ들은 동일하거나 대략 동일하다. 식(25)로부터 Ti를 식(24)의 우변에 대입하면 다음과 같다.

방정식(26)은 2개의 변수(Si) 및 (Fi-1)만을 포함한다. 즉, 그것은 I의 유효값이 속도의 제곱과 같이 그리고 부하와 함께 거의 직선적으로 자동적으로 변화할 것이라는 결과와 함께 식(21)의 IT로 사용될 수 있는 식이다. 식(26)의 괄호안의 물리량은 부하장치(11)에 의하여 부과된 부하토오크의 변화를 보정하는 부하인자(LOADFAC)으로서 표시할 수 있다. 즉, 이 보정인자는 주어진 특정예와는 상이하나 부하토오크의 변화와 함께 직선적으로 변화하는 특정형태를 취할 수 있다.

식(21)에서 안정성 인자(B)는 속도가 증가함에 따라 직선적으로 감소하도록 그 유효값을 변화시키는 것이 바람직하다. 엄밀하게 직선이 아닌 역함수로 시작하면, 엔진 속도(S)가 증가함에 따라 안정성인자(B)는 감소하여야 한다는 것을 알 수 있고, 또는

예를들면, 만일 S_R이 100r.p.m(1.666회전/초)이고 최소 또는 휴지속도가 20% 또는 2or.p.m이면, 분모는 속도가 증가함에 따라 0.2에서 1.0까지 변화할 것이며, 속도가 20에서 100r.p.m까지 증가함에 따라 Bi는 5B_R에서 IB_R까지 변화할 것이다. 이와같이 상기 변화는 포함된 간격내내 대략 직선적인 역관계가 될 것이다.

식 (21)은 비율

을 필요로 하여 사용한다는 것을 알아야 한다. 식(27)은 양변을 T로 나누는 식으로 바꿀수 있다 :

식(25)으로부터 S:T: 의 대입에 의하여 다음과 같이 된다

놀랍게도, 결과 B_R/T_R은 일정하다. 왜냐하면 B_R및 B_R및 T_R은 모두 기지의 상수들이기 때문이다. 그리고 이것은 만일 상수 B_R/T_R이 식(21)에서 대신에 사용되면(여기에서 T는 변수) 결과는 마치 B의 유효값이 속도가 증가하고 T가 감소함에 따라 거의 직선적으로 감소하도록 변화되었던 것과 같을 것이라는 것을 의미한다.

식 (21)에서 보정인수(D)는 속도가 증가함에 따라 직선적으로 감소하도록 그 유효값 내에서 변화하는 것이 바람직하다. 인자(B)에 관하여 전술한 이유의 트레인에 의하여, 이것은 다음과 같이 표시될 수 있다.

또한 식(21)에서 나타나는 비율 D/T을 위한 식으로 바꾼다. 즉

식(23)으로부터 Si Ti를 대입하면 다음과 같이 유도된다.

여기에서 D_R/T_R이 상수임을 알수 있다. 그리고 이 상수가 식(21)의 D/T에 대해 사용되면 D의 유효값은 속도가 증가함에 따라 거의 직선적으로 감소하는 결과임이 명백하게 된다.

그러므로, 식(21)을(i) 유효적분 게인(I)은 동작속도(S)의 제곱과 같이 증가하고 또한 부하와 함께 직선적으로 증가하며, (ii) 유효 안정성 인자(B)는 속도가 증가함에 따라 거의 직선적으로 감소하고, (iii) 유효 보정인자(D) 역시 속도가 증가함에 따라 직선적으로 감소하는 방식으로 실행하기 위하여, 식(26), (29) 및 (32)으로부터 식(21)으로 대입이 이루어져서 다음과 같이 된다:

반복간격(T)가 근사값으로서 T_cr/Q와 동일하다는 가정에 따르면, 이 최종 방정식(33)은 T와 관계없다고 보여진다(그것은 식(21)에서 나타난다). 그 이유는 T의 변화 가능한 값은 S의 변화값과 S_R, T_R, I_R, B_R및 D_R에 대한 앞서 결정한 상수값에 의해 변하여 설명된다.

연료비율신호(F)의 반복적으로 갱신된 값에 도달하기 위한 식(33)의 반복된 풀이는 연속적인 단순계산을 포함하는 연쇄순서로 연산을 분석하므로서 디지탈 컴퓨터내에서 수행될 수 있다. 이것은 통상적인 표기법으로 표시되는데 여기에서 밑에 쓴자(subscript) (i)는 이번 반복을 표시하고 밑에 쓴자(i-1)는 선행 반복을 표시한다. 전제로서, 식(33)은 5개의 식에 의하여 특정지워지며, 다음과 같다.

여기서 V 및 W는 편의상 사용된 중간값이며, K₁, K₂및 K₃는 다음과 같은 다른 기지의 상수들로부터 결정된 합성상수들이다.

속도조절명령 프로그램을 상세히 설명하기 전에, 키보드 보조 서브루틴의 일부분은 제6도와 관련하여 처리된다. 주어진 설비가 설정되고 있을때는 언제나, 여러개의 상수들의 적절한 값들을 찾아내어 컴퓨터의 데이터메모리내로 엔터된다(부분적으로 제3도에 도시됨). 키보드 보조 서브루틴은 정기 인터럽트 상에 엔터된다(그러나 제4도의 서브루틴이 실행되고 있지 않는 기간동안 뿐임). 단계(STP1)에서, 컴퓨터는 셋업모드가 호출되었는지 측정한다(예를들면 글자(SU)를 타자함으로써 행해짐). 그렇다면, 컴퓨터는 적절한 프리픽스(prefix) 코드 및 숫자디지트의 수신을 대기한다(적절한 메모리 위치 (S_R, T_R, I_R, B_R, D_R및 Fmax) (제3도 참조)에 저장되는 각각의 값) S_R, T_R및 Fmax의 값은 전술한 바와같이, 제1도의 하드웨어 구성부품의 특성으로부터 알려진다. l_R, B_R및 D_R의 값은 정격 최고속도(S_R) 및 최소부하에서의 엔진동작(제5도의 참조점 RP)과 함께 최적의 절충조정에 의하여 발견되고, 다음에 속도 및 부하과도 현상에 지배된다(역시 전술한 바와 같음) 이와같이 발견된 I_R, B_R및 D_R의 값은 단계 (WIP2)에서 메모리의 해당워드속에 저장된다.

단계 (STP3)에서, 편의 상수들은 식(39) 내지 (41)에 따라서 새롭게 계산되며 위치 (Kl, K2, K3)에 저장된다.

속도설정점값(S_d)는 역시 키보드 보조 루틴을 개재하여 어느때라도 엔터 또는 변동된다. 제6도에 도시된 바와같이, 설정모드가 호출되지 않으면, 프로그램은 새로운 설정점 프리픽스가 엔터되고 있는지 검출하기 위하여 단계 (STP1)로부터 단계 (STP4)까지 진행한다. 그렇다면, 새로운 숫자값은 단계(STP5)에 의하여 메모리위치 (Sd)내로 엔터되며, 그렇지 않다면, 시스템은 단순히 서브루틴으로부터 나간다.

이와같이, 메모리 워드(제3도의 사각형으로 표시됨) 속의 상수(조정가능함) 값들은 속도 조절시스템의 정규의 역할을 하기 이전에 발견되고, 엔터되며 이용할 수 있게 만들어진다.

본 발명은 엔진(10)이 최초로 시동되고 휴지 또는 일정한 다른 최기속도까지 이르른 특정조건과 관련되지 않기 때문에, 제4도의 프로그램 플로 챠트는 초기 엔진시동에 사용할 수 있는 임의의 특별프로그램 연산을 포함하지 않는다. 엔진이 가동하고 있고 부하장치가 주어진 조건(프로펠터피치 설정)에 있으며 컴퓨터 (16)는 제3도에 도시된 것과 같이 사용가능한 데이터 메모리의 워드(다른 것들 중에서)와 함께 연속적인 기초위에 작동하고 있다고 가정된다.

각펄스(27) (제1도)가 나타나듯이, 그것은 제4도의 서브루틴으로 인터럽트 또는 점프를 야기하는데 여기에서 단계 (SP1) 내지 단계 (SP5)를 통한 진행은 갱신된 실제속도신호(S)의 계산 및 저장을 하게 된다. 이와같이 인터럽트는 엔진속도가 상승 또는 하강함에 따라 감소 또는 증가하는 시간간격 (Te)과 함께 발생하며 실제로, 최근의 4기간들(Te)의 합계는 각 인터럽트가 유발된 다음에 거의 사소한 시간지체 및 상수로 값 Tcr로서 발견되고 신호된다.

단계 (SP5) 후에 컴퓨터는 단계(SP6)로 진행하고 여기에서 상기 식(34)에 표시하듯이에서 S를 뺀 것은 속도 오차(E)에 대한 새로운 값을 저장하게 된다.

단계 (SP7)에서, 변수(V)는 현재의 오차(E)는 먼저부터 현재 반복까지의 오차의 변화를 더함으로써 계산된다. 이것은 선행반복에서 세이브된 선행값(Ei-1)을 포함한다.

단계 (SP8)에서, 곱 IT의 현재값은 식(36)에 따르는 산술적 연산에 의하여 계산되어 기억된다. 산술적 처리는 극히 간단하지만, 이것은 엔진속도의 제곱 및 부하토오크와 거의 직선적으로 잗오적으로 변화하는 적분계인 계수(I)를 만드는 것과 동등한 순수효과를 갖는다는 것을 식(21) 및 (33)으로부터 상기할 수 있다.

중간변수(W)는 식(37)에 따라 값 V 및 IT를 사용하는 단계(SP9)내의 산술적 연산에 의하여 새로운 값으로서 발견되어 기억된다. 변수(W)는 합계(V) (IT)에 의하여 위쪽으로 또는 아래쪽으로 증가되고 이것은 적분작용을 생성한다. 값 wi-1은 선행반복으로부터 세이브 되었었다.

단계(SP10)에서, 최종출력신호(F)는 식(38)을 따르고 상수 K₂을 사용하는 산술적 계산에 의하여 계산되어 기억되며, 이렇게 보정인자(D)에 의하여 영향을 받는다. 명백히, 일시적인 오차를 야기하는 부하토오크 또는 설정점(sd)의 임의의 변화가 이어지는 속도오차(E)를 거의 영(0)으로 되돌리기 위하여 엔진연료입력 비율이 증가 또는 감소되어야 할 때 신호(F)는 점진적으로 증가 또는 감소할 것이다.

단계 (SP11)에서, 연료신호(F)의 현재값은 포트2에서 판독되어 기억된다. DAC(15) (제1도)로부터의 출력전압은 이와같이 갱신된다. 즉, 만일 변동되면, 작동기(14)는 연료입력비율을 명령된 값으로 물리적으로 바꾸기 위하여 랙(12)을 변동시킨다.

최종적으로, 단계 (SP12)중에, F, W 및 E의 현재값은 선행값 메모리 위치 (Fi-1, Wi-1 및 Ei-1)내로 전송하고 여기에서 그들은 세이브되고 다음에 이어지는 반복동안에 사용하기 위해 사용가능하게 만들어진다.

여기에 기술된 프로그램 서브루틴에 관한 컴퓨터내의 산술적 계산들은 단순한 선택의 문제로서, 적절한 척도인자로 배열되며 상이한 차원단위를 채용할 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 또한, 선택의 문제로써 실제값보다 더욱 표준화된 것을 표시하는 신호들이 일정한 경우에는 사용될 수 있다.

(1) 빈번히 그리고 지나치게 큰 위상지체없이, 그러나 작동기 및 랙을 기계적으로 진동 및 마모하게 하는 경향이 있는 비틀림 속도요동을 차폐시킴으로서 속도의 실효값을 얻고 (2) 임의의 속도 오차의 PID 교정들을 생성하기 위한, 명령프로그램은 다른 컴퓨터화 된 속도조절제어 시스템들과 비교하여 놀랍게 간단하고 짧다는 것을 할 수 있을 것이다. 제4도와 관련하여 설명되고 컴퓨터 메모리 내로 로드된 간단한 프로그램 서브루틴에 의하여, 임의의 속도오차 과도현상들은 상당히 빠른 특성(높은 게인)으로 그러나 낮조의 불안정성이 없이 게거된다. 이것은 극단적인 단순성의 알고리즘을 통하여 적분게인, 안정성 및 보상인자들의 자동적 개방루프 적응가능 조정에 의하여 달성된다. 요컨데, 그것은 마치 적분게인(I)이 속도의 제곱과 같이 그리고 부하와 직선적으로 증가된 것과 동일한 결과를 달성하기 위하여 속도(S) 및 부하(Fi-1) (식(36) 참조)의 변화들에 따라서 조정한다. 그것은 마치 안정성 인자(B)가 속도의 직선적 역함수로 변화되었던 것과 같은 결과를 달성하기 위하여 하나의 동작점에서의 초기 회전으로부터 획득한 상수(식(35)에서

)를 채용하며,그것은 마치 보상인자(D)가 본질적으로 속도의 역함수로 변화되고 있었던 것과 같은 결과를 달성하기 위하여 하나의 작점에서의 초기 회전으로부터 획득된 상수(

)를 채용한다.

제4도의 전체 서브루틴은 컴퓨터 타임 (일반적으로 약 5 또는 10ms)의 매우 짧은 량을 합산하여 수행된다. 20 내지 100r.p.m의 속도범위 및 90과 동등한 △θ에 의한 엔진작동을 위하여, 서브루틴은 공칭 약 750ms 내지 150ms로 간격지워진 간격에서 인터럽트들에 의하여 엔터된다. 이것은 다른 제어 및 데이터 기록 또는 디스플레이 타스크(task)들을 수행하기 위하여 이용가능한 컴퓨터 시간의 매우 큰 양을 남겨둔다. 1000r.p.m 또는 그 이상의 속도에서 작동하는 엔진을 가진 전술된 실시간 작동을 수행하기 위하여 서브루틴을 실행하는 것이 전적으로 가능하다. 이와같은 경우들에 있어서, 신호(Tcr)가 완전한 단일회전(360°)을 위한 경과시간을 표시하는 것과 갱신프로그램 서브루틴을 매 단일 회전마다 Q번 반복하는 것은 필요하거나 바람직하지 않다. 같은 뜻에서 삼각함수들이 360°의 배수들에 의하여 증가된 각도들을 위한 동일한 값을 갖는 것(예:sin=sin(α+n 360°) 여기에서는 임의의 정수)과, 앞서의 설명 및 첨부된 청구범위 속의 1회전 또는 360라는 언급들은 총체적으로 n회전 또는 n360° (여기에서 n은 영이 아닌 임의의 정수)와 같은 값을 지정함을 이해하여야 한다.

개관하면, 기계적 진동에 의하여 그 자체가 마모되는 작동기 (14) 및 연료랙(12)의 문제는(비틀림 속도요동 때문에 외견상 존재하는 속도오차로 인한 실린더 점화간의 연료비율을 정확하게 조정하도록 시도함으로서) 본 발명에 의하여 극복되었다. 실제속도의 갱신된 연속적인 값을 감지하고 생성하는 방법 및 장치는 갱신된 실제속도 신호가 임의의 비틀림 속도의 효과 또는 약한 실린더로 인한 속도요동까지도 반영하는 것을 불가능하게 한다.

제4도의 예시된 프로그램에 의하여 주된 부분으로 구성된 PID제어시스템은 비틀림 속도 요동이 감지된 속도 신호(S)와 속도오차(E)에 반영되어 있는 경우보다 불안정성을 나타냄이 없이 비교직 더 높은 적분 개인으로 작동될 수 있다. 그러나 매 크랭크샤프트 회전당 단 한 번만 갱신하므로서 일어나는 위상지연과 신호(S)를 발생하기 위하여 피드백 된 정보의 낙음은 감지된 속도값을 매회전마다 Q번(Q=2,3,4...) 갱신하므로서 회피된다. 반면에 각각 갱신된 값(S)은 크랭크 샤프트의 완전한 1회전을 위한 시간을 기초로 한다. 후자의 양상은 모든 작은 속도요동들을 자폐하고 1회전의 기간에 대한 순간속도의 평균을 표시하는 S의 각각의 값을 결합하므로서 불안정성 없는 게인이 사용될 수 있다. 후자의 양상은 수용할 수 없는 큰 위상지체와 일시적 속도오차의 완만한 변동을 제거한다.

넓은 의미로 볼 때, 본 발명은 크랭크샤프트의 매회전당 경과시간의 Q번 갱신된 간을 획득하므로서 실행될 수 있으며, 각각의 이와같은 값은 서로 동일할 필요는 없으나 그들의 합계는 일회전(360)과 동일한 연속적인 소정의 각변위(△θ₁, △θ_2···△θ_q)들을 통하여 크랭크 샤프트가 회전된 바로 직후에 완전한 1회전에 대하여 발견된다. 1회전주기 (Tcr)는 식(10)의 예로 표시되듯이, 각도증가분(△θ_x)중 하나가 완료된 순간과 동일한 각도증가분(△θ_x)이 다음번에 완료된 순간 사이의 경과시간으로서 발견된다. 이것으로부터, 속도(S)의 갱신된 값은 식(12)의 역수계산에 의하여 용이하게 발견된다.

그러나, Tcr 및 S의 측정은 매회전마다 Q번 새롭게 행해진다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 소정의 각들(△θ₁, △θ₂....△θ_q)은 모두 동이하게 만들어지고 360의 정수약수인 범위이다. 상기 특정예에서 Q는 4로 선택되고, △θ₁=△θ₂=△θ₃=△θ₄=90°이다. 이것은 공칭적으로 동일한 경과시간(Te)에 의하여 간격지워지고 크랭크 샤프트 회전의 각도 90후의 순간에 나타나는 Tcr의 새로운 측정을 초래하는 인터럽트를 만든다.

Q에 대하여 선택된 값과 매회전당 실린더 점화의 양을 특징지우는 수사이에는 바람직한 관계가 있다. N개 실린더의 2-실린더의 2-사이를 엔진에 대하여, 매회전당 C번 점화가 있으면 C=N이다. N개 실린더의 4-사이클 엔진에 대하여 C번 점화가 매회전당 있으면 C=N/2이다. 점화주파수는 크랭크 샤프트 회전 주파수의 C배이다. 임의의 주어진 엔진에 대하여, Q는 C와 동일하게 선택된다(설명한 예시에서 C=Q=4). 이것은 감지된 속도신호(S)와 연료비율신호(F)를 갱신이 가장 짧은 간격에서 발생하기 때문에 최소한의 위상지체를 제공한다. 만일 Q가 C보다 자고 1보다 큰 정수로 선택되면, 위상지체 매회전마다 한번의 갱신을 위한 것보다 작지만 Q=C인 것보다는 클 것이다. 한편 Q가 C보다 크도록 선택되면, 갱신은 Q=C인 경우보다 빈번할 것이고 신호 F는 더욱 빈번하게 그리고 보다 작은 위상지체로 연료랙을 재조정할 것이다. 그러나 이와같은 경우에 실린더내로의 연료주입의 순간들은 이와같이 실린더들이 점화하는 순간과 동일한 비율로 일어나기 때문에 이것은 실제로 실린더에 공급된 연료의 비율에 더욱 빈번한 변화를 초래하지는 않을 것이다. 연료주입의 순간들간의 연료랙의 위치는 중요치 않으며, 실린더 점화율보다 더욱 빈번히 연료랙 위치를 조정하는 것은 연료입력 비율을 제어하는데 있어서 이익이 없다. 각 갱신되고 감지된 속도값(S)의 정확성은 놀랄만한 상태인 것이 사실이고, 크랭크회전 주파수보다 큰 임의의 주파수에서 순간 속도 요동의 면제는(i) 점화순간(FI) 및 비틀림 진도파형(40) (제2도)과 (ii) 펄스(27)가 값S의 갱신을 유발하기 위하여 출현할 때의 순간 사이의 위상각에 의하여는 전적으로 영향을 받지 않는다. 임의의 속도오차를 제거하기 위한 PID 작용용 서브루틴은 속도감지 방법 및 장치와 상승적으로 협력한다. 후자는 크랭크 샤프트가 각 회전의 소정의 △θ를 완료하는 순간들 사이의 경과시간을 발견하는데 기초를 두며, 그 순간들은 큰 동작범위간의 속도변화만을 넓게 변화하는 간격(Te)에 의하여 간격진다. 서브루틴은 이들 각 순간에서 또는 매우 짧고 일정한 지체후에 S의 새로운 값을 발생하여 이용한다. 이와같이, 연료비율의 PID 교정의 샘플링 및 반복비율은 정기적인 인터럽트와는 달리 변수이고 이것 때문에, 소정의 상수를 사용하는 매우 간단한 프로그램 단계들이 개방루프 적응조정의 순수효과를 생성하기 위하여 가변비율로 반복될 수 있다. 즉, 실제로 엔진 및 그 구동된 부하장치의 동작영역(제5도)내에서 넓게 변화하는 속도 및 부하로서 I, B 및 D를 정화하게 변화시킨다.

Claims (2)

1. 가변성 있는 부하를 구동하는 엔진에서 그 둘레에 다수의 표시마크가 배치된 회전축의 목표회전속도(Sd)를 제어하는 방법으로서, 기준점을 지나는 각 표시마크의 전체 회전에 대한 시간주기를 판정하고, 소정의 시간 주기(T) 동안 평균시간주기를 판정하고, 평균시간주기를 기초로 회전축의 실제 속도(S)를 추출하고, 상기 회전축의 회전속도(Sd)와 실제속도(S) 사이의 오차에 관한 관계식으로서,

   

   로 정의되는 PID(비례·적분·미분) 함수로부터 각 표시마크에 관한 출력신호(F) 값를 발생하는 것을 포함하고 출력신호(F) 값에 따라서 회전속도를 제어하고, 각 표시마크의 전체 회전마다 출력신호(F)를 갱신하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전축의 목표회전속도 제어방법
2. 제1항에 있어서, z^-1은 수학적 연산자(演算子)를 나타내고, I_R은 적분게인 인자를 나타내는 소정의 상수이며, 각각의 T_R은 길고 속도에서 표시마크의 전체회전에 관한 시간주기를 나타내는 소정의 상수 또는 실제 속도에 역비례하는 변수이고, 각각의 S_R은 회전축의 최고속도를 나타내는 소정의 정수 또는 실제 속도(S)를 나타내는 변수이며, F_i-1은 출력신호(F)의 선행값으로서, 부하토크에 실질적으로 비례하며, F_max는 출력신호(F)의 최대값을 나타내는 소정의 상수이고, B_R은 안정계수를 나타내는 소정의 상수이며, D_R은 보상계수를 나타내는 소정의 상수인 것을 특징으로 하는 회전축의 목표 회전속도.

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