[국내논문]선체운동 예측을 이용한 Dynamic Positioning System의 피드포워드 제어 알고리즘에 관한 연구 A Study on the Feedforward Control Algorithm for Dynamic Positioning System Using Ship Motion Prediction원문보기
본 연구의 목적은 가까운 미래의 선박운동정보를 이용하는 피드포워드 제어알고리즘과 FPSO 운동 수치 시뮬레이션 모델을 개발하고 시뮬레이션을 통하여 제어알고리즘의 성능을 검증하는 것이다. 본 논문에서는 조류, 바람, 파력 등의 환경하중에 의하여 발생한 선체운동의 미래 예측치를 활용한 피드포워드 제어력을 추가적으로 가지는 Dynamic Positioning System에 대하여 연구한다. 먼저, 조류력, 풍력 및 파력에 대한 수학모델을 선정하여 환경하중에서의 선체운동을 계산하고, 현재의 선체운동 값과 Brown 지수평활 예측모형을 활용하여 미래 선체운동 값을 예측하였다. 또한 위치 유지와 Heading angle 제어를 위한 제어력을 PID(Proportional-Integral-Derivative)이론을 이용하여 결정한 피드백 제어기와 미래 선체운동 값을 이용하여 결정한 피드포워드 제어기로 구성하였다. 그리고 각 Thruster에 요구되는 추력은 라그랑지승수법을 활용하여 분배하였다. 마지막으로 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)의 운동과 Dynamic Positioning System에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 선박의 위치 및 Heading angle 제어에 관한 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 피드백 제어기와 피드포워드 제어기를 동시에 가지는 제어시스템의 성능을 평가하였다. 본 연구의 결과, 피드백 및 피드 포워드 제어기가 적용된 DPS 제어시스템이 기존의 피드백 제어기보다 위치유지 및 헤딩각 유지 능력에서 개선되었고 각 Thruster에 요구되는 평균 제어력 및 최대 제어력의 크기도 감소함을 보였다. 이에 따라 DPS에 요구되는 동력 감축과 Azimuth Thruster 용량의 감소로 인하여 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.
본 연구의 목적은 가까운 미래의 선박운동정보를 이용하는 피드포워드 제어알고리즘과 FPSO 운동 수치 시뮬레이션 모델을 개발하고 시뮬레이션을 통하여 제어알고리즘의 성능을 검증하는 것이다. 본 논문에서는 조류, 바람, 파력 등의 환경하중에 의하여 발생한 선체운동의 미래 예측치를 활용한 피드포워드 제어력을 추가적으로 가지는 Dynamic Positioning System에 대하여 연구한다. 먼저, 조류력, 풍력 및 파력에 대한 수학모델을 선정하여 환경하중에서의 선체운동을 계산하고, 현재의 선체운동 값과 Brown 지수평활 예측모형을 활용하여 미래 선체운동 값을 예측하였다. 또한 위치 유지와 Heading angle 제어를 위한 제어력을 PID(Proportional-Integral-Derivative)이론을 이용하여 결정한 피드백 제어기와 미래 선체운동 값을 이용하여 결정한 피드포워드 제어기로 구성하였다. 그리고 각 Thruster에 요구되는 추력은 라그랑지승수법을 활용하여 분배하였다. 마지막으로 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)의 운동과 Dynamic Positioning System에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 선박의 위치 및 Heading angle 제어에 관한 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 피드백 제어기와 피드포워드 제어기를 동시에 가지는 제어시스템의 성능을 평가하였다. 본 연구의 결과, 피드백 및 피드 포워드 제어기가 적용된 DPS 제어시스템이 기존의 피드백 제어기보다 위치유지 및 헤딩각 유지 능력에서 개선되었고 각 Thruster에 요구되는 평균 제어력 및 최대 제어력의 크기도 감소함을 보였다. 이에 따라 DPS에 요구되는 동력 감축과 Azimuth Thruster 용량의 감소로 인하여 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.
In the present study we verified performance of feed-forward control algorithm using short term prediction of ship motion information by taking advantage of developed numerical simulation model of FPSO motion. Up until now, various studies have been conducted about thrust control and allocation for ...
In the present study we verified performance of feed-forward control algorithm using short term prediction of ship motion information by taking advantage of developed numerical simulation model of FPSO motion. Up until now, various studies have been conducted about thrust control and allocation for dynamic positioning systems maintaining positions of ships or marine structures in diverse sea environmental conditions. In the existing studies, however, the dynamic positioning systems consist of only feedback control gains using a motion of vessel derived from environmental loads such as current, wind and wave. This study addresses dynamic positioning systems which have feedforward control gain derived from forecasted value of a motion of vessel occurred by current, wind and wave force. In this study, the future motion of vessel is forecasted via Brown's Exponential Smoothing after calculating the vessel motion via a selected mathematical model, and the control force for maintaining the position and heading angle of a vessel is decided by the feedback controller and the feedforward controller using PID theory and forecasted vessel motion respectively. For the allocation of thrusts, the Lagrange Multiplier Method is exploited. By constructing a simulation code for a dynamic positioning system of FPSO, the performance of feedforward control system which has feedback controller and feedforward controller was assessed. According to the result of this study, in case of using feedforward control system, it shows smaller maximum thrust power than using conventional feedback control system.
In the present study we verified performance of feed-forward control algorithm using short term prediction of ship motion information by taking advantage of developed numerical simulation model of FPSO motion. Up until now, various studies have been conducted about thrust control and allocation for dynamic positioning systems maintaining positions of ships or marine structures in diverse sea environmental conditions. In the existing studies, however, the dynamic positioning systems consist of only feedback control gains using a motion of vessel derived from environmental loads such as current, wind and wave. This study addresses dynamic positioning systems which have feedforward control gain derived from forecasted value of a motion of vessel occurred by current, wind and wave force. In this study, the future motion of vessel is forecasted via Brown's Exponential Smoothing after calculating the vessel motion via a selected mathematical model, and the control force for maintaining the position and heading angle of a vessel is decided by the feedback controller and the feedforward controller using PID theory and forecasted vessel motion respectively. For the allocation of thrusts, the Lagrange Multiplier Method is exploited. By constructing a simulation code for a dynamic positioning system of FPSO, the performance of feedforward control system which has feedback controller and feedforward controller was assessed. According to the result of this study, in case of using feedforward control system, it shows smaller maximum thrust power than using conventional feedback control system.
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문제 정의
본 연구의 목적은 가까운 미래의 선박운동정보를 이용하는 피드포워드 제어알고리즘과 FPSO 운동 수치 시뮬레이션 모델을 개발하고 시뮬레이션을 통하여 제어알고리즘의 성능을 검증하는 것이다.
본 논문에서는 현재의 위치 및 헤딩각 정보를 이용하는 피드백 제어기와 미래의 위치 및 헤딩각 예측값을 이용한 피드포워드 제어기가 결합된 DPS 제어시스템에 대하여 고찰한다. 본 연구에서는 미래의 선박 운동 정보를 예측하고 이를 이용함으로써 time lag의 영향을 줄여 DPS 제어시스템의 효율을 높이고 급격한 추력발생을 억제할 수 있는 피드포워드 제어 기법을 제안한다.
본 논문에서는 현재의 위치 및 헤딩각 정보를 이용하는 피드백 제어기와 미래의 위치 및 헤딩각 예측값을 이용한 피드포워드 제어기가 결합된 DPS 제어시스템에 대하여 고찰한다. 본 연구에서는 미래의 선박 운동 정보를 예측하고 이를 이용함으로써 time lag의 영향을 줄여 DPS 제어시스템의 효율을 높이고 급격한 추력발생을 억제할 수 있는 피드포워드 제어 기법을 제안한다.
가설 설정
본 연구의 대상 선박의 경우, 고유주기가 매우 크다고 가정하여 조파 감쇠 계수는 고려하지 않았으며, 선형 점성 감쇠력만 고려하였다.
제안 방법
본 연구에서는 Modified Pierson-Moskowitz (MPM) Spectrum을 이용하여 N개의 불규칙파를 생성하여 파랑하중을 계산하였고, 단 방향파의 경우만 고려하였다.
본 연구에서 제안하는 DPS의 제어입력은 피드백 제어입력과 피드포워드 제어입력으로 구성되며 제어력은 다음과 같이 표현될 수 있다.
본 연구에서는 Trial & Error를 반복하여 적절한 값을 선정하였다.
또한 받음각의 범위는 0°∼60°이며 Wind의 속도Vwind, Current의 속도Vcurrent는 각각 20m/s, 1m/s로 설정 하였다.
본 연구에서 제안하는 DPS 제어기의 성능 검증을 위한 시뮬레이션 조건은 다음과 같다. 세가지 환경하중 Wind, Current, Wave의 방향은 단 방향으로 설정하였으며 모두 같은 받음각으로 선체에 접근하는 것으로 설정하였다. 또한 받음각의 범위는 0°∼60°이며 Wind의 속도Vwind, Current의 속도Vcurrent는 각각 20m/s, 1m/s로 설정 하였다.
본 연구의 시뮬레이션은 700초간 관측한 결과이며 피드백 제어기의 위치 제어 성능과 피드백 및 피드포워드 제어기의 위치 제어 성능을 비교하는데 사용되었다.
본 논문에서는 Brown의 지수평활 예측모형을 이용하여 가까운 미래의 선박 운동을 예측하고 이를 이용하여 제어력을 결정하는 피드백 및 피드포워드 제어기를 제안하였다. 그리고 대상 선박에 적용된 DPS 제어시스템의 성능을 시간영역 시뮬레이션을 이용하여 평가하였다.
본 논문에서는 Brown의 지수평활 예측모형을 이용하여 가까운 미래의 선박 운동을 예측하고 이를 이용하여 제어력을 결정하는 피드백 및 피드포워드 제어기를 제안하였다. 그리고 대상 선박에 적용된 DPS 제어시스템의 성능을 시간영역 시뮬레이션을 이용하여 평가하였다. 본 논문에서 제안하는 피드백 및 피드포워드 제어기가 적용된 DPS 시스템이 기존의 피드백 제어기보다 헤딩각 유지 능력에서 약 5.
대상 데이터
본 연구의 대상선박은 Table 1과 같은 주요 제원을 갖는 FPSO이다.
본 연구에서는 선박의 수평면 운동 Surge, Sway, Yaw를 제어 대상으로 하였으며 이들 3자유도 운동은 다음 식과 같이 나타낼 수 있으며 좌표계는 Fig. 1과 같이 정의된다(Fossen, 2011b).
본 논문의 대상은 DPS가 적용된 선박이고 그 속도가 충분히 작기 때문에 만남주파수는 고려하지 않았다.
대상 선박의 DPS는 6개의 Thruster를 이용하고 있으며 Thruster 배치 및 최대 추력은 Fig. 9와 Table 2와 같다.
데이터처리
본 논문에서 제안한 DPS 제어 시스템의 성능을 검증하기 위해 기존의 피드백 제어기만을 이용한 결과와 본 연구에서 제안한 피드백 및 피드포워드 제어기 결과를 비교하였다. 제어기의 성능을 평가하기 위해 Offset error의 표준편차 및 최대값, Heading error의 표준편차 및 최대값 그리고 평균 제어력과 최대 제어력을 비교하였다.
본 논문에서 제안한 DPS 제어 시스템의 성능을 검증하기 위해 기존의 피드백 제어기만을 이용한 결과와 본 연구에서 제안한 피드백 및 피드포워드 제어기 결과를 비교하였다. 제어기의 성능을 평가하기 위해 Offset error의 표준편차 및 최대값, Heading error의 표준편차 및 최대값 그리고 평균 제어력과 최대 제어력을 비교하였다. DPS 위치 유지 성능 향상의 관점에서 Tf=6s, αff=0.
이론/모형
피드포워드 제어기는 미래의 선박 위치 및 헤딩각의 예측값과 P제어를 이용하며 예측값은 Brown의 지수평활 예측 모형을 이용하여 결정된다(Lee, 2009).
본 연구에서 6개 Thruster의 추력분배는 랑그랑지승수법을 사용하여 결정하였고 Thruster의 추력을 최소화하기위한 최적분배를 위한 J는 다음과 같이 결정된다.
성능/효과
12는 대상 선박이 XY평면에서 관측 시간동안 위치 유지 제어를 수행한 결과를 나타낸다. 대상 선박의 초기위치는 원점이었으며 환경하중에 의하여 좌측 상단으로 이동 후 다시 원점에서 위치 유지를 하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 12와 Fig. 14에서 대상 선박의 X, Y방향 움직임을 비교해 보았을 때, 본 연구에서 제안한 피드백 및 피드포워드 제어기와 기존 피드백 제어기를 이용한 DPS의 위치유지 성능이 유사한 것을 확인할 수 있었다.
현재 선박의 위치 및 헤딩각을 오차로 이용한 PID 피드백 제어기와 피드백 및 피드포워드 제어기의 성능을 비교해 본 결과 Fig. 15에서 Horizontal offset error의 경우 피드백 및 피드포워드 제어기와 기존의 피드백 PID 제어기가 비슷한 성능을 보였다. 하지만 Fig.
15에서 Horizontal offset error의 경우 피드백 및 피드포워드 제어기와 기존의 피드백 PID 제어기가 비슷한 성능을 보였다. 하지만 Fig. 16에서 Maximum heading error의 경우 피드백 및 피드포워드 제어기에서 최대 약 5.15 %의 오차가 감소하는 것을 확인했다.
그리고 대상 선박에 적용된 DPS 제어시스템의 성능을 시간영역 시뮬레이션을 이용하여 평가하였다. 본 논문에서 제안하는 피드백 및 피드포워드 제어기가 적용된 DPS 시스템이 기존의 피드백 제어기보다 헤딩각 유지 능력에서 약 5.15 % 정도 향상된 성능을 보였으며, 각 Thruster에 요구되는 평균 제어력 및 최대 제어력의 크기 또한 기존의 피드백 제어기 대비 약 4.91% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 그에 따른 기대 효과로는 DPS에 요구되는 동력 감축과 Azimuth Thruster 용량의 감소로 인한 비용 절감, 또한 같은 Azimuth Thruster 용량으로 향상된 위치 제어를 할 수 있다는 것이다.
후속연구
향후 연구과제로는 선체운동 미래 정보뿐만이 아니라 조류, 바람 및 파랑에 의한 환경하중의 미래 정보도 이용하는 피드포워드 제어기법에 대한 연구가 필요할 것이다. 또한 다양한 피드포워드 제어이론에 대한 연구와 미래 정보 예측 알고리즘에 대한 연구도 필요할 것이다.
향후 연구과제로는 선체운동 미래 정보뿐만이 아니라 조류, 바람 및 파랑에 의한 환경하중의 미래 정보도 이용하는 피드포워드 제어기법에 대한 연구가 필요할 것이다. 또한 다양한 피드포워드 제어이론에 대한 연구와 미래 정보 예측 알고리즘에 대한 연구도 필요할 것이다. 그리고 제안하는 피드포워드 제어기법의 타당성 검증을 위하여, FPSO 등의 모형의 위치 유지 제어 실험도 요구될 것이다.
또한 다양한 피드포워드 제어이론에 대한 연구와 미래 정보 예측 알고리즘에 대한 연구도 필요할 것이다. 그리고 제안하는 피드포워드 제어기법의 타당성 검증을 위하여, FPSO 등의 모형의 위치 유지 제어 실험도 요구될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DPS란 무엇인가?
DPS란 목표로 하는 선박의 위치와 헤딩각을 유지하기 위해 Azimuth Thruster 등의 추력장치를 통해 선박을 제어하는 시스템이다. 일반적인 DPS는 피드백 신호를 기반으로 제어력을 결정하는 피드백 제어기와 현재의 하중정보를 이용하는 Wind Feedforward, Current Feedforward 제어기가 있다.
일반적인 Dynamic Positioning Systemsm에는 어떤 제어기가 사용되는가?
DPS란 목표로 하는 선박의 위치와 헤딩각을 유지하기 위해 Azimuth Thruster 등의 추력장치를 통해 선박을 제어하는 시스템이다. 일반적인 DPS는 피드백 신호를 기반으로 제어력을 결정하는 피드백 제어기와 현재의 하중정보를 이용하는 Wind Feedforward, Current Feedforward 제어기가 있다. 현재의 하중정보를 이용하는 피드포워드 제어기의 경우 피드백 제어기에 비해 보다 좋은 제어성능을 보인다.
Dynamic Positioning System을 탑재한 Drill ship 및 FPSO의 건조가 증대되는 이유는 무엇인가?
최근 에너지 수요 증가에 따라 더욱 깊은 해역에서의 해양 에너지 개발에 대한 관심이 증대하고 있으나 Jack-up Rig, 계류 고정식 해양플랜트 등은 수심의 제한이 있다. 따라서 대수심에서의 해양에너지 자원 개발을 위하여 Dynamic Positioning System(이하 DPS)를 탑재한 Drill ship 및 FPSO의 건조가 증대하고 있다.
참고문헌 (12)
Blendermann, W.(1994), Parameter Identification of Wind Loads on Ships, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics JWEIA-51, pp. 339-351.
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Kim, S. G., H. R. Yoo and S. B. Kim(1995), Experimental Study on Dynamic Positioning Control of a Semi-Submergible Platform, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 19, No. 3, pp. 661-669.
Lee, D. Y. and M. K. Ha(2001), An Experimental Method of Model Installed Dynamic Positioning System for Drillship, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 38, No. 2, pp. 33-43.
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Mahfouz, A. B. and H. W. El-Tahan(2006), On the Use of the Capability Polar Plots Program for Dynamic Positioning Systems for Marine Vessels, Ocean Engineering, Volume 33, Issues 8-9, pp. 1070-1089.
Tannuri, E. A., A. C. Agostinho, H. M. Morishita and L. Moratelli Jr.(2010), Dynamic Positioning Systems: An Experimental Analysis of Sliding Mode Control, Control Engineering Practice, Volume 18, Issue 10, pp. 1121-1132.
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