[논문]선박 상부구조 진동 저감을 위한 능동형 제어장치의 실용화 연구

조대승; 최태묵; 김진형; 정성윤; 백광렬; 이수목; 배종국; 이장우

doi:10.3744/snak.2004.41.4.077

문제 정의

본 연구에서는 Fig. 6에 보인 바와 같이 구동기를 이용한 임의 차수 상부구조 진동의 능동제어기능은 물론 동특성 파악을 위한 기진기 기능, 제어 대상 진동 성분과 주기관 운전속도 범위 선정을 위한 상부구조 진동 모니터링 기능 및 시스템의 유자보수 기능을 제공하는 제어 및 시스템 운용 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램의 모든 기능은 LCD 모니터 상에 나타난 명령 또는 기능을 key를 이용해서 선택 또는 입력하는 사용자인터페이스 방식으로 구동된다.
본 연구에서는 불평형 중추식 구동기의 내구성과 선박 상부구조에의 설치성을 향상시키고자 기존의 구동중 제어력 조절 기능(조대승 등 1998(a))을 배제하고, 정지 상태에서 불평형 질량의 수동 가감에 의해 제어력을 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 구동 축 베어링은 내구수명을 20년 이상의 테이퍼 롤러 베어링을 사용하였으며, 불평형질량 회전 축은 피로응력을 고려한 축 직경 간이 평가식(정선모/한동철 1996)을 충분히 만족하도록 굽힘 모멘트 피로파손 안전율을 6.
이에 본 연구에서는 조대승 등(1995, 1998(b)) 의 연구 결과를 실용화하기 위하여 기 개발 시스템보다 상대적으로 크기가 작으면서도 내구성과 유자 보수 성능이 뛰어난 기계식 구동기와 진동 제어 알고리즘 구현에 필요한 신호 입출력과 고속연산 기능 및 사용자 인터페이스 기능을 갖는 전용 DSP board# 개발하였다. 또한, 상기 board를 이용하여 다양한 구동기 제어 기능과 함께 성능 모니터링과 시스템 유자보수를 효율적으로 수행할 수 있는 제어프로그램을 탑재한 전용 제어반을 개발하였다.

제안 방법

개발된 능동 진동제어 장치의 성능과 실용화 타당성을 검증하기 위하여 Table 3에 주요 요목을 나타낸 5, 500 TEU 컨테이너 운반선의 홍콩-싱가폴 운항시 상부구조 종진동 제어 시험을 실시하였다. 제어시험에 있어서 구동기는 E-갑판에 설치하였으며, 진동신호는 항해갑판 중앙부 종방 향에서 취득하였다.
개발된 시스템의 내구성과 위상 제어 방법에 따른 제어 성능을 평가하고자 제어 초기에 결정된 구동기 위상으로 고정하여 장시간 제어하는 방법과 제어 중 선박의 운항상태 변동에 대비하여 구동기 제어위상 변화시 진동값 변화를 이용하여 최적제어 위상을 추종하는 가변 위상 제어 방법 (Cho et al, 1999)을 이용한 제어 시험을 실시하였다.
개발된 시스템의 불평형 중추식 구동기는 설치성과 내구성을 극대화하기 위해 최대 변의 길이가 0.9m OILH, 내구수명 20년 이상으로 설계더I작하였다. 또한, 제어반은 전용 제어기판을 개발 적용함으로써 기성품 사용대비 전장부가 단순하면서도 우수한 제어성능을 갖도록 하였다.
또한, 상기 board를 이용하여 다양한 구동기 제어 기능과 함께 성능 모니터링과 시스템 유자보수를 효율적으로 수행할 수 있는 제어프로그램을 탑재한 전용 제어반을 개발하였다. 개발된 시스템의 성능과 실용성은 상업 운항 중인 5, 500 TEU 컨테이너 운반선의 상부구조 종진 동 제어 시험을 실시하여 확인하였다.
또한, 구동 축 베어링은 내구수명을 20년 이상의 테이퍼 롤러 베어링을 사용하였으며, 불평형질량 회전 축은 피로응력을 고려한 축 직경 간이 평가식(정선모/한동철 1996)을 충분히 만족하도록 굽힘 모멘트 피로파손 안전율을 6.53으로 설계.제작하였다.
DSP board# 개발하였다. 또한, 상기 board를 이용하여 다양한 구동기 제어 기능과 함께 성능 모니터링과 시스템 유자보수를 효율적으로 수행할 수 있는 제어프로그램을 탑재한 전용 제어반을 개발하였다. 개발된 시스템의 성능과 실용성은 상업 운항 중인 5, 500 TEU 컨테이너 운반선의 상부구조 종진 동 제어 시험을 실시하여 확인하였다.
제어시험에 있어서 구동기는 E-갑판에 설치하였으며, 진동신호는 항해갑판 중앙부 종방 향에서 취득하였다. 또한, 제어 대상 진동은 주기관 운전속도의 3차 조화성분으로 설정하였다.
본 연구에서 개발한 주기관 회전수의 특정 조화성분 선박 상부구조 진동의 능동 제어시스템은 Fig. 1에 보인 바와 같이 제어력을 발생시키는 구동기와 제어알고리즘 연산 및 구동기 동작을 위한 제어반 및 이에 필요한 신호를 취득하기 위한 센서 부로 구성되어 있다.
본 연구에서는 제어부의 단순화와 내구성을 향상시키고자 신호 입출력, 제어 알고리즘 구현 및 사용자 명령 등의 기능을 담당하는 제어기를 하나의 DSP 보드로 구현하였다. 개발된 제어기의 주요 사양과 제작품 외형을 Table 2와 Fig.
시험대상선의 진동제어에 필요한 구동기의 제어력을 평가하고자 구동기를 최소 제어력 상태로 설정하고, 초기 최적 제어 위상과 제어력 산정 방법 (조대승 등 1995)으로 주기관 속도변화에 따른 구동기의 제어력과 최적제어위상을 평가한 결과를 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다.
운용 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램의 모든 기능은 LCD 모니터 상에 나타난 명령 또는 기능을 key를 이용해서 선택 또는 입력하는 사용자인터페이스 방식으로 구동된다.
한편, 진동신호 입력용 A/D 소자와 인버터 제어를 위한 D/A 소자는 16-bit로 제작하여 양자화 오차를 최소화하도L 진동 신호는 대역통과 주파수가 0.1Hz ~ 30Hz인 6차 Butterworth 필터를 통과한 후 A/D 변환이 되도록 하였.다.

대상 데이터

5에 나타내었다. 또한, 구동기와 주기관 회전위상 계측용 엔코더는 1회전당 2048개의 펄스를 출력하는 Leine & 니nde사의 line driver 방식 증분형(incremental type)을 사용하였으며, 가속도계는 최대 측정 가속도가 3g이고, 최대 측정 주파수가 100 Hz인 PCB사의 3701G3FA3G 축전형을 사용하였다.
제어시험에 있어서 구동기는 E-갑판에 설치하였으며, 진동신호는 항해갑판 중앙부 종방 향에서 취득하였다. 또한, 제어 대상 진동은 주기관 운전속도의 3차 조화성분으로 설정하였다.

이론/모형

Cho et al.(1999)의 연구를 적용하였다.

성능/효과

10 mm/s로 저감되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 84 ~ 96 M/E rpm에서는 진동값이 감소하나 그 외 구간에서는 잉여 제어력으로 인해 제어 후 진동값이 더 크게 나타남을 확인할 수 있다. 한편, Fig.
9m OILH, 내구수명 20년 이상으로 설계더I작하였다. 또한, 제어반은 전용 제어기판을 개발 적용함으로써 기성품 사용대비 전장부가 단순하면서도 우수한 제어성능을 갖도록 하였다. 아울러, 주기관과 구동기의 순간위상을 이용하여 장시간 사용 시에도 제어알고리즘 계산상의 round-off 오차 없이 안정적인 제어가 가능하고, 기진기, 진동모니터링, 시스템 유자보수 등의 부대 편의 기능을 지원하는 제어.
본 연구에서는 선박 건조 후 확인된 과도한 단일 주파수 성분 선박 상부구조 진동의 능동제어시스템을 실용화하고자 이의 시제품을 개발하고, 5, 500 TEU 컨테이너 운반선의 상부구조 종진동제어시험을 수행한 결과 제어 차수 성분의 진동을 0.1 mm/s까지 저감할 수 있음을 확인하였다.
상기 결과로부터 89 M/E rpm에서 제어 대상주파수 성분인 4.45 Hz에서의 진동값은 제어 전 0.42 mm/s에서 제어 후 0.10 mm/s로 저감되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 84 ~ 96 M/E rpm에서는 진동값이 감소하나 그 외 구간에서는 잉여 제어력으로 인해 제어 후 진동값이 더 크게 나타남을 확인할 수 있다.
1992, 정태영 등 1996) 및 불평형 중추식 구동기를 이용한 단일 주파 수성분의 선박 상부구조 진동제어장치(조대승 등 1995) 등이 있다. 상기 장치들은 실선 상부 구조진동 제어에 효과가 있음을 실험적으로 확인되었으나, 실제 운항중인 선박에 장착하기에는 설치성과 내구성 또는 제어알고리즘 등의 보완이. 필요하여 현재까지 적화 상태에 따라 변화하는 상부구조 동특성을 고려한 능동 진동제어장치의 실용화 사례는 찾아보기 어렵다.
14에 나타내었다. 이로부터 가변 위상 제어 방법을 적용하면 주기관 속도 변동에 따라 최적 제어위상이 변화하는 경우에도 안정적인 진동제어가 가능함을 확인하였다. 다만, 제어후 약 3분이 경과한시점에서 제어 진동값이 다소 크게 나타난 것은 강풍으로 인해 진동 신호선에 유입된 전기 노이즈로 인해 과부하(overload) 현상이 발생하여 가변위상 제어 알고리즘 적용을 위한 진동값 계산이 적합하게 되지 않았기 패문이라고 판단한다.
13에 나타내었다. 이로부터 제어방법에 관계없이 제어 후 진동이 저감되나 초기 최적 위상으로 제어하는 방법이 가변 위상 제어방법보다 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 이는 주기관 속도가 일정한 경우 최적 제어 위상도 일정한 값을 유지하는데 반해 가변 위상제어 방법은 최적 제어 위상값 근방을 끊임없이 탐색하기 때문이다.
판단한다. 한편, 상기 운항조건에서는 주기관회전 위상 3차 성분과 구동기 제어위상간의 차가 30° ~ 120°의 범위에 있을 때 진동 제어 효과가 있음을 확인할 수 있다.
1 mm/s 이하로 본선 진동 특성이 매우 양호하였기 때문인 것으로 사료한다. 한편, 최적제어위상은 동일한 적화상태에서도 주기관 속도별로 달라지는 것으로 평가되었다.

후속연구

이에 본 연구에서 개발한 시스템은 실제 운항 중인 선박의 상부구조 진동 제어에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

선박 상부구조 진동 저감을 위한 능동형 제어장치의 실용화 연구
A Study on the Practical Use of an Active Control System to Reduce Ship Superstructure Vibration 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

선박 상부구조 진동 저감을 위한 능동형 제어장치의 실용화 연구 A Study on the Practical Use of an Active Control System to Reduce Ship Superstructure Vibration 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

조대승 (70) 김진형 (11) 백광렬 (35)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

선박 상부구조 진동 저감을 위한 능동형 제어장치의 실용화 연구
A Study on the Practical Use of an Active Control System to Reduce Ship Superstructure Vibration 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper