[논문]Barge 형 수상선의 DP(Dynamic Positioning) System 개발에 관한 연구

부이반퍽; 김영복

doi:10.9726/kspse.2012.16.2.066

Barge 형 수상선의 DP(Dynamic Positioning) System 개발에 관한 연구
A Study on the Development of Dynamic Positioning System for Barge Type Surface Vessels 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.16 no.2, 2012년, pp.66 - 74

부이반퍽 (Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University) , 김영복 (Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the authors propose a new approach to control a barge type surface vessel. It is based on the Dynamic Positioning System(DPS) design. The main role of barge ship is to carry and supply the materials to the floating units and other places. To carry out this job, it should be positioned in the specified area. However sometimes the thrust systems are installed on it, and in general the rope control by mooring winch system is used. It may be difficult to compare the control performances of two types. If we consider this problem in point of usefulness, we can easily find out that the winch control system is more useful and applicable to the real field than the thrust control system except a special use. Therefore, in this paper we consider a DPS design problem which can be extended to the many application fields. The goal of this paper is twofold. First, the sliding mode controller (SMC) for positioning the our vessel is proposed. Especially, in this paper, a robust stability condition is given based on descriptor system representation. In the result, the sliding mode control law guarantees to keep the vessel in the defined area in the presence of environmental disturbances. And second, the thrust allocation problem is solved by using redistributed pseudo-inverse (RPI) algorithm to determine the thrust force and direction of each individual actuator. The proposed approach has been simulated with a supply vessel model and found work well.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 FPSO 및 Drill Ship 등의 운영에 필수기술인 DPS 기술개발을 위해 자체 추진 장치를 갖지 않는 Barge선의 자세 및 위치제어기술을 개발하고자 한다. 즉, 4기 혹은 그 이상으로 이루어지는 윈치제어를 통해 와이어의 장력을 제어함으로써 Barge선의 위치 및 자세를 제어하는 문제를 고려한다.
본 논문에서는 로버스트 제어기법의 하나인 슬라이딩 모드 제어기 설계법에 기초하여 Barge선의 위치 및 자세제어를 위한 제어기를 설계한다. 이를 위해 먼저 슬라이딩 평면을 다음과 같이 정의한다.
본 논문에서는 식 (23)으로 표현된 모델에 대한 2차 안정성 조건을 제안한다. 따라서 식 (23)의 시스템에 대한 2차 안정성은 다음과 같이 정의된다.
본 연구에서는 Barge선의 위치 및 자세제어를 위한 기초연구를 수행하고 시뮬레이션을 통해 그 유효성을 검증하였다. 특히 수상 및 수중운동체의 안정성을 평가하기 위한 새로운 안정화 기법과 안정성평가 방법을 제안하였다.
본 절에서는 선박모델에 대한 2차 안정성 해석법에 대해 논의한다.

가설 설정

Barge선은 일반선박이 해상에서 일정속도로 운동하는 것과는 달리 비교적 저속으로 운동하거나 정지해 있는 수상구조물이다. 그래서 XY 평면에서 서로 대칭이고 Barge선의 무게 및 회전중심도 좌표중심 근처에 위치한다고 가정한다. 이 때 선박운동은 다음과 같은 선형모델로 나타낸다.

제안 방법

Barge선의 위치 및 자세를 제어하기 위해 액추에이터의 회전각도를 계산하는 문제를 다루도록 한다. 각 액추에이터로부터 생산되는 추진력은 두 개의 벡터로 분리하여 나타낼 수 있다.
특히 본 연구에서는 제어기설계법으로 슬라이딩모드 제어기 설계법을 도입한다. 그리고 기존의 안정성해석법과 달리 보다 일반성을 갖는 안정성 해석기법 및 안정화기법을 제안하고 시뮬레이션을 통해 제안하는 제어기법의 유효성을 검증한다.
대상 선박의 위치 및 자세제어시스템에 대한 평가를 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 제어대상은 Fossen⁶⁾ 등이 이용한 선박모델을 이용하였다.
바람 및 파도 등의 영향을 평가하기 위해 외란모델을 고려한다. 본 논문에서는 일반적으로 많이 이용되는 다음 식의 Markov Process를 도입한다.
따라서 근본적으로 제어기가 적절한 제어 신호를 계산하는 것이 타당하다. 본 논문에서는 식 (35)와 같이 제어력이 일정 크기를 초과하지 않도록 하는 제약조건을 두고 RPI 알고리즘을 도입하여 제어력을 최적화하였다. 즉, 식 (36)의 Hamiltonian(H )를 최소화하는 최적화된 제어력 f 를 구하면 된다.
본 논문에서는 제어력 분배를 위해 아래 3가지 조건을 충족시키는 최적화알고리즘^8,9)을 도입하였다.
위의 제약조건을 기본으로 하여 제어기를 설계하였다. 서론에 기술하였듯이 본 논문에서는 외란 등의 불확실성에 강인하게 대처할 수 있도록 슬라이딩모드 제어기를 도입하였다. 이것은 3장에 기술한 제어계의 안정성 조건을 만족하는 것으로 식 (41)과 같고, 여기서 각 이득은 식 (42)와 같이 결정하였다.
위의 제약조건을 기본으로 하여 제어기를 설계하였다. 서론에 기술하였듯이 본 논문에서는 외란 등의 불확실성에 강인하게 대처할 수 있도록 슬라이딩모드 제어기를 도입하였다.
Barge선의 기본모델로는 수상운동체의 파일롯 동적모델⁶⁾을 이용한다. 일정각도로 회전할 수 있는 추진장치를 이용하여 Barge선을 미는 동작만으로 바람 및 조류영향에 따른 Barge선의 위치이동 및 자세변화를 제어하도록 한다. 이 방법은 선박제어를 위한 제어력 발생방향 만 다를 뿐 윈치제어에 의한 방법과 동일하다.
따라서 본 연구에서는 FPSO 및 Drill Ship 등의 운영에 필수기술인 DPS 기술개발을 위해 자체 추진 장치를 갖지 않는 Barge선의 자세 및 위치제어기술을 개발하고자 한다. 즉, 4기 혹은 그 이상으로 이루어지는 윈치제어를 통해 와이어의 장력을 제어함으로써 Barge선의 위치 및 자세를 제어하는 문제를 고려한다. Barge선의 기본모델로는 수상운동체의 파일롯 동적모델⁶⁾을 이용한다.
이 방법은 선박제어를 위한 제어력 발생방향 만 다를 뿐 윈치제어에 의한 방법과 동일하다. 특히 본 연구에서는 제어기설계법으로 슬라이딩모드 제어기 설계법을 도입한다. 그리고 기존의 안정성해석법과 달리 보다 일반성을 갖는 안정성 해석기법 및 안정화기법을 제안하고 시뮬레이션을 통해 제안하는 제어기법의 유효성을 검증한다.
본 연구에서는 Barge선의 위치 및 자세제어를 위한 기초연구를 수행하고 시뮬레이션을 통해 그 유효성을 검증하였다. 특히 수상 및 수중운동체의 안정성을 평가하기 위한 새로운 안정화 기법과 안정성평가 방법을 제안하였다. 기존 연구에서 각 시스템행렬이 만족해야 할 조건(대칭성)에 구애받지 않는 일반적인 안정성 조건이다.
이것은 DPS 시스템구축을 위한 기초연구로, Barge 선 뿐 만 아니라 드릴쉽 및 시추선 등의 운동제어시스템구축에도 적용할 수 있는 방법이다. 파랑 등의 외란이 존재하는 경우를 고려하여 본 연구에서 제안한 방법의 유효성과 실효성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

대상 데이터

제어대상은 Fossen⁶⁾ 등이 이용한 선박모델을 이용하였다. 선박모델의 길이는 1.19[m], 무게는 17.6[kg]이며 무게중심은 중심좌표를 기준으로 x_g = - 0.04[m ]에 위치한다. 그리고 모델이 갖는 유체력 계수행렬은 다음과 같다.

이론/모형

즉, 4기 혹은 그 이상으로 이루어지는 윈치제어를 통해 와이어의 장력을 제어함으로써 Barge선의 위치 및 자세를 제어하는 문제를 고려한다. Barge선의 기본모델로는 수상운동체의 파일롯 동적모델⁶⁾을 이용한다. 일정각도로 회전할 수 있는 추진장치를 이용하여 Barge선을 미는 동작만으로 바람 및 조류영향에 따른 Barge선의 위치이동 및 자세변화를 제어하도록 한다.
바람 및 파도 등의 영향을 평가하기 위해 외란모델을 고려한다. 본 논문에서는 일반적으로 많이 이용되는 다음 식의 Markov Process를 도입한다.
대상 선박의 위치 및 자세제어시스템에 대한 평가를 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 제어대상은 Fossen⁶⁾ 등이 이용한 선박모델을 이용하였다. 선박모델의 길이는 1.

성능/효과

결론적으로 식 (21)과 같은 형식으로 표현된 시스템에 불확실성이 존재할 경우의 안정성 해석을 위한 방법으로, Lyapunov 함수를 식 (29)와 같이 도입하고 그 미분인 식 (30)으로부터 안정성을 평가하는 것이 타당함을 알 수 있다. 이 안정성은 기존연구⁶⁾ 등에서 문제시 하고 있는 비대칭성에 대한 제약조건을 고려하지 않아도 되는 2차 안정성 해석법이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Barge선의 목적은?	이와 관련된 특수목적의 작업선 중에는 Barge선이 있다. Barge선은 원양해역에서 보다 연안이나 항만에서 선박건조작업을 지원하거나 근거리 자재운반 등의 비교적 가벼운 임무를 수행한다. 필요에 따라서는 작업자들이 거주하는 해상공간으로 이용되기도 하는데, 아무튼 작업지원이 그 주된 사용 목적이라 할 수 있다. Barge선은 일반적으로 자체 추진장치를 갖지 않는다.
	Barge선을 해상에서 일정위치에 유지하도록 하는 방법은?	이것은 고정도 위치제어를 통해 특수한 목적을 달성하기 위한 것으로 더 이상 Barge선으로 분류할 수 없다. 작업수행을 위해 Barge선을 해상에서 일정위치에 유지하도록 하는 방법은 와이어나 로우프로 연결되는 앵커(anchor)를 해저에 던져 고정시키는 것이 가장 보편적인 방법이다. 즉, 앵커링으로 조류나 바람 등에 의해 해상설비가 밀려 일정범위를 벗어나는 것을 방지하는 것이다.
	Markov Process는 어떤 모델인가?	그리고 T ∈R3×3 는 정정대각행렬이고, Ψ는 대각행렬이며 백색잡음의 강도를 결정하기 위한 상수행렬로 둔다. 이 모델은 저속으로 운동하는 수상운동체에 대해 작용하는 파도 및 바람을 포함하여 모델링오차의 영향을 평가하기에 적절한 모델로 알려져 있다.6)

참고문헌 (9)

T. Takai and H. Yoshihisa, 1987, "An automatic maneuvering system in berthing", Proc. Ship Control System Symposium, Vol. 2, pp. 183-201.
H. Yamato, H. Uetsuki and T. Koyama, 1990, "Automatic berthing by the neural controller", Proc. 9th Ship Control Systems Symposium, USA, Vol. 3, pp. 183-201.
Y. A. Kasasbeh, M. M. Pourzanjani and M. J. Dove, 1993, "Automatic berthing of ship", Proc. of the Institute of Marine Engineers International Conference on Maritime Communications and Control, London, pp. 10-17.
H. M. Bae, V. P. Bui, D. S. Lee, Y. B. Kim, 2010, "A Development of Constrained Control Allocation for Ship Berthing by Using Autonomous Tugboats", Journal of Korea society for Power System Engineering, Vol, 14, No. 6, pp. 96-101.

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Y. Zhang, G. E. Hearn and P. Sen, 1997, "A multivariable neural controller for automatic ship berthing", Journal of IEEE Control System, Vol. 17, pp. 31-44.

상세보기
Thor. I. Fossen, 2002, "Marine control system-guidance and navigation, rigs and underwater vehicle", Trondheim, Norway, Norwegian University of Science and Technology.
D. Cobb, 1981, "Feedback and pole placement in descriptor variable systems", International Journal of Control, Vol. 33, No. 6, pp. 1135-1146.

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G. Strang, 2003, "Introduction to linear algebra", Wellesley Cambridge Press.
O. J. Sordalen, 1997, "Optimal thrust allocation for marine vessels", Journal of Control Engineering Practices, Vol. 5, No. 9, pp. 1223-1231.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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