[논문]소형선박용 아지무쓰 추진기의 선회장치에 관한 연구

박재필; 이재명; 진승열; 배재호; 정용길

소형선박용 아지무쓰 추진기의 선회장치에 관한 연구
A Study on Azimuth Thruster for a Small Vessel 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.13 no.5, 2009년, pp.18 - 24

박재필 (성동조선해양) , 이재명 (제원ENG) , 진승열 (경상대학교 대학원) , 배재호 (경상대학교 대학원) , 정용길 (경상대학교 정밀기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper shows the result of development about the revolution system of azimuth thruster which of power is less than 250kW for small ship. Advanced Azimuth revolution system can revolve propeller and rudder from 360 degree so that this system for vessel maneuvering can be excellent of propulsion effectively. Fluid power control system for azimuth thruster is designed with PID control system by using CEMTool/SIMTool program. And the actuator used for servo valve can control rudder angle, pressure and direction. The first, We had a test for the angle control of revolution system. The result of angle control confirmed that it has the good efficiency from experiment result of time input degree $30^{\circ}$, $90^{\circ}$ and $180^{\circ}$. The second, We had to a test for the pressure characteristic of hydraulic motor. As a result, We confirmed the maximum pressure 3.5MPa and steady state 0.7MPa nom experiment result of time input degree $30^{\circ}$. In this paper, it is identified the pressure characteristic of hydraulic motor and angle control for azimuth thruster by AMESim, and it has been confirmed the usefulness of AMEsim modeling was verified by comparison between AMESim simulation results and experiments results.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 250kW급 소형선박용 아지무쓰 추 진기의 시작품을 제작하여 아지무쓰 추진기의 선회 장치 성능시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 소형선박용 아지무쓰 추진기 (azimuth thrmlster)를 연구하였다. 일반적으로 소형선박에 탑재되는 추진기는 추진축에 직결된 프로펠 러에 의해 추진력이 발생되고, 선박의 방향 제어는 타(rudder)에 의해 이루어지기 때문에 선박선회 시 타의 회전 각도를 최대 35°로 유지하여도 어느 정도의 선회반경이 필요하므로 선박의 조종성이 저하되는 문제점이 있다.
아지무쓰 추진기의 선회장치는 프로펠러가 부착된 하부케이싱을 실시간적으로 임의의 각도로 선회 시켜 선박의 조종성을 획기적으로 향상시키는 것이다. 여기서는 아지무쓰 추진기의 선회장치 선회각도 제어특성에 대하여 고찰한다. 아지무쓰 추진기의 선 회장치 선회각도 제어기로서는 PID제어기를 사용하며, 제어기 블록선도는 Fig.

제안 방법

0을 사용하여 시뮬레이션 블록을 구성하여 나타내었다. 시뮬레이션 블록을 사용하여 여러가지 최적의 제어알고리듬을 개발할 수 있으며, 개발된 제어알고리듬의 성능시험을 다양한 부하조건에서 수행할 수 있도록 하였다.
실험은 선회각도의 입력 값을 30； 90', 180°로 하여 아지무쓰 추진기의 선회장치 선회각도 제어특성을 고찰하였다. 컴퓨터 시뮬레이션은 Fig.
8에는 아지무쓰 추진기 선회장치의 폐루프 응답특성을 나타내었다. 아지무쓰 추진기 선회장치 제어 시스템을 폐회로로 구성하고, PID 제어기의 비례게인 값만 1로 설정한 상태에서 선회각도가 180° 되도록 목표입력 값을 인가하였다. 실험결과 선회각도 정상상태 값이 15T로 되어 약 17%의 정 상상태 오차를 가지는 응답 특성을 나타내었다.
5에는 250kW급 아지무쓰 추진기의 시작품 을 나타내었다. 아지무쓰 추진기의 선회장치 제어시스템은 Realgain사의 CEMTool 5.0/SIMTool 4.0을 사용하였으며, 실시간 시뮬레이션을 수행하기 위한 PC와 DSP board, 입, 출력 신호를 관여하는 I/O board로 구성하였다.
실험결과 선회각도 정상상태 값이 15T로 되어 약 17%의 정 상상태 오차를 가지는 응답 특성을 나타내었다. 이 실험결과와 유사한 특성을 낼 수 있는 전달함수를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 구하였다. 이러한 과정으로 구한 아지무쓰 추진기 선회장치 제어 시스템의 전달함수는 다음 식으로 표현된다日).
이 연구에서 제작한 아지무쓰 추진기의 시작품을 사용하여 아지무쓰 추진기 선회장치의 응답 특성을 고찰한다. 실제 선박에 탑재되는 아지무쓰 추진기의 선회부분은 수중에 위치하기 때문에 추진기 선회장 치의 특성실험은 수중에서 실시하는 것이 좋다.

이론/모형

실험은 선회각도의 입력 값을 30； 90', 180°로 하여 아지무쓰 추진기의 선회장치 선회각도 제어특성을 고찰하였다. 컴퓨터 시뮬레이션은 Fig. 7에 나타낸 AMESim 모델을 사용하여 수행하였다

성능/효과

1) 소형선박용 아지무쓰 추진기의 선회장치에서 목표입력으로 선회각도를 30°, 90°, 180°로 하였을 때의 선회각도 제어특성을 실험한 결과 그 성능이 양호함을 확인하였다.
2) 소형선박용 아지무쓰 추진기의 선회장치에서 목표입력 선회각도를 30°로 하여 선회각도 제어시의 선회 구동용 유압모터의 부하압력 변동특성을 실험 한 결과 초기구동시의 최대압력은 약 3.5 Mfti 이며, 정상상태에서 는 0.7 정도임 을 확인하였다
3)소형선박용 아지무쓰 추진기의 선회장치를 AMESim으로 모델링하여 아지무쓰 추진기의 선회 장치의 선회각도와 부하압력을 시뮬레이션한 결과는 실험결과와 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
아지무쓰 추진기 선회장치 제어 시스템을 폐회로로 구성하고, PID 제어기의 비례게인 값만 1로 설정한 상태에서 선회각도가 180° 되도록 목표입력 값을 인가하였다. 실험결과 선회각도 정상상태 값이 15T로 되어 약 17%의 정 상상태 오차를 가지는 응답 특성을 나타내었다. 이 실험결과와 유사한 특성을 낼 수 있는 전달함수를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 구하였다.

후속연구

실제 선박에 탑재되는 아지무쓰 추진기의 선회부분은 수중에 위치하기 때문에 추진기 선회장 치의 특성실험은 수중에서 실시하는 것이 좋다. 그러나 이 연구에서 제작한 아지무쓰 추진기 선회장 치의 특성실험은 수중에서 하지 못하고 공기 중에서 실시하였다.
실제선박에서 아지무쓰 추진기는 선박 의 진행방향을 목표 값으로 하여 좌, 우 선회를 반 복적으로 수행하기 때문에 아지무쓰 추진기의 성능 평가 기준에는 선회장치의 정상상태 오차는 언급이 없지만, 이 오차는 최소화되어야 한다. 이 연구에서 제작한 아지무쓰 추진기 선회장치의 평기어와 내접 기어의 정열문제를 해결하면 정상상태 오차는 훨씬 개선될 것으로 사료된다.

참고문헌 (8)

정진욱 외 4 인, 2004 , "중소형선용 Thruster 성능 검증 기법연구" 한국중소조선기술연구소.
S. T. Tsai, 1991 "Modeling and Dynamic Evaluation of a Two - Spool Servo valve used for Pressure Control", Transaction of ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 113, pp. 709 -713.

상세보기
A. Eposito, 2000, "Fluid Power with Applications", 5th ed., Prentice Hall, New Jersey.
류상훈, 2006, "선박용 중형디젤엔진 동력계를 위 한 PID 제어로직 개발", 부산대학교 석사학위논문.
K. J. Astrom et al., 1992 "Towards Intelligent PID Control", Automatica, Vol. 28, No.1, pp. 1-9.

상세보기
이창훈 외 4 인, 2005, "중형 컨테이너선의 선형 및 추진기 개발 사례", 대한조선학회 특별논문집, pp. 57-62.
양주호, 정병건, 1993, " $H_{\infty}$ 제어기법을 이용한 저속 디젤기관의 속도제어", 한국박용기관학회지, 제 17권, 제 5호, pp. 63-70.

원문보기 상세보기
검연규 외 4인, 2006 , "POD 추진기선의 조종성능 추정 연구", 대한조선학회 제 43 권, 제 2호, pp. 164-170.

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