초고속 승강기 진동제어에 따른 과학

흔들림 없는 편안함!

초고속 승강기 진동제어에 따른 과학

예전에 침대 광고에서‘흔들림 없는 편안함, ○○침대’‘침대는 가구가 아닙니다, 과학입니다’라는 카피가 눈길을 끈 적이 있었다. 침대만 그런 것은 아니다.초고속 승강기 또한 진동 없이 편안한 운행을 위해서는 그 안에 액티브 가이드롤러(Active Guide Roller)라는 꽤 섬세한 과학이 숨어있다.초고속 승강기진동제어에 따른 과학흔들림 없는 편안함!

글 김영수(한국승강기대학교 교수)

초고속엘리베이터의 등장

최근에 초고층 빌딩이 랜드 마크로 전국 곳곳에 설치되고 특히 서울 잠실에 설치되고 있는 잠실롯데타

워는 조만간 서울의 스카이뷰를 한층 더 높일 것 같다. 초고층 빌딩이 우후죽순으로 설치돼듯 이에 걸

맞는 초고속 엘리베이터의 설치 또한 가열되고 있다. 신속한 시간에 승객을 운송할 수 있는 초고속 엘

리베이터가 개발되어 도입되고 있다.

대만의 랜드 마크가 된‘타이페이101 TOWER’. ELESTOR의 3월호 표지 모델이기도 했던 이 빌딩은

이름 그대로 총 101층, 지상에서의 길이만 508m에 달한다. 특히 이 빌딩은 세계 최초로 분당 1,010m

를 운행할 수 있는 초고속 승강기가 설치돼 화제를 모았다. 대부분 주공아파트(대략 15층 정도)에 설치

되는 승강기의 속도가 분당 60m라는 점을 감안하면 16배 이상 빠르다.

운행 속도가 빠른 만큼 운행 시 진동과 소음도 증가할 것으로 예상되지만, 실제 탑승객들은 전혀 불편

을 느끼지 않는다. 이것이 어떻게 가능할까? 초고속 엘리베이터에서 진동을 잡기 위한 업체들의 기술

개발이 활발하다. 승강기업계서는 통상 분당 360m 이상을 초고속 엘리베이터로 분류하는데, 현재는

분당 1,080m의 제품도 개발되고 있다. 문제는 속도가 빨라진 만큼 진동도 늘어난다는 사실이다. 향후

초고속 엘리베이터 시장에서 우위를 차지하기 위해서는 이를 얼마나 해결하느냐가 관건이라는 지적도

나온다.

   

엘리베이터의 승차감을 저해하는 진동

일반적인 엘리베이터의 진동을 발생시킬 수 있는 요소는 엘리베이터를 운행시키기 위해 기계적인 운동을 담당하면서 회전에 의한 진동을 발생시킬 수 있는 요소인 권상기와 엘리베이터가 다닐 수 있는통로가 되는 동시에 설치특성에 의해 진동을 발생시킬 수 있는 레일, 권상기의 진동이 전달되는 역할을 하는 로프 등으로 구분할 수 있다.

카 내부에 발생하는 진동은 고속 운행 시 공기역학적인 힘에 의한 것과 레일을 통해 운행함에 따라 레일설치오차에 의한 것이 있다. 엘리베이터가 고속으로 운행함에 따라 설치상의 작은 오차도 큰 진동을발생시킨다.

엘리베이터의 승차감을 저해하는 진동은 일반적으로 횡진동과 종진동으로 구분하며 진동을 억제하기위한 엘리베이터의 동적 모델과 이에 따른 제어기 설계를 하는데 제어방법의 숨겨진 과학, 유전자 알고리즘을 사용하여 PPF진동제어기를 설계한다.

유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)

유전자알고리즘은 자연계의 생물 유전학에 기본 이론을 두며, 병렬적이고 전역적인 탐색 알고리즘으로서, 다윈의 적자생존 이론을 기본 개념으로 한다. 유전자 알고리즘은 풀고자 하는 문제에 대한 가능한값들을 정해진 형태의 자료구조로 표현한 다음, 이들을 점차적으로 변형함으로써 점점 더 좋은 값들을만들어 낸다. 여기에서 값들을 나타내는 자료구조는 유전자, 이들을 변형함으로써 점점 더 좋은 값를만들어 내는 과정은 진화로 표현할 수 있다.

달리 표현하면, 유전자 알고리즘은 어떤 미지의 함수 Y = f(x)를 최적화하는 값 x를 찾기 위해, 진화를모방한(Simulated evolution) 탐색 알고리즘이라고 말할 수 있다.

유전자알고리즘은 특정한 문제를 풀기 위한 알고리즘이라기보다는 문제를 풀기 위한 접근방법에 가까우며, 문제를 유전자 알고리즘에서 사용할 수 있는 형식으로 바꾸어 표현할 수 있는 모든 문제에 대해서 적용할 수 있다. 일반적으로 문제가 계산 불가능할 정도로 지나치게 복잡할 경우 유전자 알고리즘을 통하여, 실제 최적해를 구하지는 못하더라도 최적해에 가까운 답을 얻기 위한 방안으로써 접근할수 있다. 이 경우 해당 문제를 푸는 데 최적화되어 있는 알고리즘보다 좋은 성능을 보여주지는 못하지만, 대부분 받아들일 수 있는 수준의 값을 보여줄 수 있다.

유전자알고리즘을 적용한 PPF 제어기의 설계

엘리베이터의 실시간 적응진동제어를 위해서 유전자 알고리즘을 이용하여 Positive PositionFeedback(PPF) 제어기를 조정한다. 유전자 알고리즘은 최적의 변수를 찾는데 있어 국소 최저점이아닌 전체적인 최적점을 찾을 수 있는 능력이 있다. PPF제어기는 다름 진동모드에 영향을 주지 않으면서 특정 진동모드를 감쇄를 증가시킬 수 있는 장점을 있으나 효과적으로 진동제어를 위해서는 제어하고자하는 진동모드의 고유진동수를 정확히 알아야하는 단점이 있다. 이때 유전자 알고리즘을 이용하여 실시간으로 PPF제어기가 필요로 하는 변수값을 추적 할 수 있는 알고리즘을 이용하여 효과적으로진동제어를 수행한다.일반적인 고속용 엘리베이터 구조는 [그림3]과 같이 케이지, 프레임 및 롤러가이드로 구성된다.

 승객들은 케이지에 탑승을 하기 때문에 내부나 외부에서 전달되는 진동을 줄이기 위해 프레임과 케이지 사이는 방진고무가 삽입되어 있다. 케이지의 하부에 부착된 방진고무는 케이지의 상하 및 횡진동, 전후 진동을 감소시키는 역할을 감당하고, 케이지의 상부에 부착 된 방진고무는 주로 케이지가 흔들리지 않게하는 역할을 감당한다. 롤러 가이드는 가이드 레일에 접촉하여 일반 차량의 바퀴와 같은 역할을 담당한다. 각각의 롤러 가이드는 세 개의 바퀴로 구성되어 있으며 T자 형태의 가이드 레일에 밀착되어 있다. 각각의 바퀴는 스프링으로 지지되어 있다. 롤러 가이드에 가이드 레일에서 전달되는 진동을 흡수하기 위하여 일반적으로 감쇠 장치가 부착되어 있다

제어기 설계연구에서는 먼저 엘리베이터의 진동을 제어하기 위한 동적 모델링을 에너지 방법을 이용해 유도하고 수치모사를 통해 엘리베이터의 고유진동수와 고유 모드를 계산하여 진동 특성을 분석하였다. 그리고 가이드 레일의 실측 굽힘 데이터와 시뮬레이션 모델을 이용해 운행시 발생하는 진동과PPF진동제어기 작동시의 진동 저감 효과를 예측하였다. PPF진동제어 알고리즘으로는 PID 제어 알고리즘을 사용하였다. 위에서 설계된 진동제어기를 적용하여 카의 수평진동을 줄이기 위해 진동을 최대한 억제할 수 있도록 카 바닥에 가속도센서를 적용하여 진동감쇠장치[그림4]를 설치함으로써 고속 주행에 따른 횡진동을 최소화할 수 있도록 하였고, 또한 액티브 가이드 롤러[그림5]를 적용하여 승객이느낄 수 있는 수평진동을 크게 줄였다