[논문]CODOG 함정 추진체계 시뮬레이터 개발

장재희; 신승우; 김민곤; 오진석

doi:10.6109/jkiice.2017.21.9.1808

CODOG 함정 추진체계 시뮬레이터 개발
Development of CODOG Propulsion System Simulator 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.9, 2017년, pp.1808 - 1817

장재희 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 신승우 (Division of Naval R&D Center, Hanwha Systems) , 김민곤 (Division of Naval R&D Center, Hanwha Systems) , 오진석 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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대잠, 대함, 보급 등, 함정에 요구되는 임무가 다양해지면서 함정의 추진체계 또한 임무를 효과적으로 수행하기 위해 ECS(Engineering Control System)를 필요로 한다. ECS는 추진체계를 모니터링하고 제어함으로써 함정이 임무를 수행할 수 있도록 한다. 최근 ECS 국산화 개발이 진행되면서 ECS에 대한 시험 검증을 위한 시스템이 요구되었고, CODOG 기반의 함정 추진체계 시뮬레이터를 개발하였다. CODOG 기반의 함정 추진체계 시뮬레이터는 가스터빈 모델, 디젤엔진 모델, 감속기어 모델, 가변추진기 모델로 나누어 제어 명령에 대한 피드백을 모의한다. 실험 결과, ECS 추진 모드에 따른 가스터빈, 디젤엔진 및 축의 속도, 토크, 출력 등을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Duties required for naval ship such as anti-submarine, anti-ship, and supply, etc are diversified, so the ECS (Enfineering Control System) is required for executing the mission effectively. The ECS monitors and controls the propulsion system in order that naval ship can perform the mission. As the in-country development of ECS is progressed, a test system for ECS is needed, and a naval ship propulsion system simulator based on CODOG was developed on this study. The naval ship propulsion system simulator based on CODOG which is divided into gas turbine model, diesel engine model, reduction gear model and controllable pitch propeller model, simulates to feedback of control commands of ECS. As a result of the experiment, it is able to confirm speed, torque and power, etc. of the gas turbine, diesel engine and shaft according to ECS propulsion mode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Genoa 대학과 ABB Marin(현재 SEASTEMA)사에서 추진체계 HILS 개발에 대한 연구가 진행된 사례가 있으며[2-3], 본 연구에서는 ECS 개발 과정에서 개발 및 검증에 활용이 가능하도록 CODOG 기반의 함정 추진 시뮬레이터를 연구하였다.

제안 방법

CODOG 기반 함정 추진체계 시뮬레이터는 가스터빈과 디젤엔진을 주 추진기관으로 사용하는 추진체계에 대해서 모델링하고 ECS의 제어 명령에 따른 추진체 계의 동작을 확인하였다. 시뮬레이터는 가스터빈, 디젤 엔진, 감속기어, 가변추진기 모델로 구성되며 각 모델은 출력의 전달과 관련된 기본 모델, 제어기를 모사하는 제어 모델로 나뉜다.
CODOG 추진체계는 가스터빈과 디젤엔진, 감속기어, 축계 및 가변추진기, 그 외 보조기기로 구성되어 있으며 시뮬레이터에서는 가스터빈과 디젤인진, 감속기어, 가변추진기를 장비모델로 만든다. 장비 모델은 하부에 기본 모델과 제어 모델을 둔다.
시뮬레이터는 가스터빈, 디젤 엔진, 감속기어, 가변추진기 모델로 구성되며 각 모델은 출력의 전달과 관련된 기본 모델, 제어기를 모사하는 제어 모델로 나뉜다. 가스터빈 추진 모드와 디젤엔진 추진 모드에서 PCL에 따른 가스터빈의 FMV, VSV, 속도, 출력, 토크 및 디젤엔진의 속도, 출력, 토크 등을 확인하였다. ECS 개발과정에서 ECS의 추진체계 제어 기능 검토, 새로운 제어 시퀀스 제안 등으로 활용이 가능할 것으로 보인다.
가스터빈의 운용모드는 자동 모드, 반자동 모드, 로컬 모드가 있으며, 자동 모드와 반자동 모드에서 ECS의명령을 받는다. 본 시뮬레이터에서는 ECS의 추진체계 연동 제어 기능 검증에 초점을 맞추었으므로, 자동 모드와 반자동 모드를 구현하고, 로컬모드로 전환 기능을 구현한다. 또한 제어 모델은 시동절차 및 정지절차에 맞는 보조기기 운용 결과를 피드백한다.
시뮬레이터의 목적에 따라 요구되는 사양이 달라진다. 본 연구에서 추진체계 시뮬레이터는 ECS와 하드웨어로 연결하고 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 구성 해야 하기 때문에 RT(Real-Time) OS를 지원하는 HILS 로 구성한다. 그림 2는 CODOG 추진체계 시뮬레이터의 하드웨어 구성을 나타내고 있다[4].
CODOG 추진체계는 각 장비간 물리적 영향을 주고 받거나 제어기 사이에 신호를 주고받게 되는데 함정 추진체계 시뮬레이터 또한 이를 모의하기 위해 하부 모델은 장비별로 분할한다. 본 연구에서는 4기 2축의 CODOG 추진체계를 모의하기 위해 제 1 가스터빈 모델, 제 2 가스터빈 모델, 제 1 디젤엔진 모델, 제 2 디젤 엔진 모델, 제 1 감속기어 모델, 제 2 감속기어 모델, 제 1 가변추진기 모델, 제 2 가변추진기 모델로 나누었다. CODOG 추진체계는 두 축이 완전히 분리되어 시뮬레이터 하위 모델을 구성하는 장비와 신호가 좌현과 우현이 동일하게 구성된다.
사용자가 설정한 PCL 값과 추진 모드에 따라 ECS는 가스터빈에 TIC, 디젤엔 진에 목표 속도, 추진전동기에 Pitch 명령을 보낸다. 시뮬레이터에서는 TIC 명령, 목표 속도 명령 또는 Pitch 명령을 받아 제어결과에 해당되는 속도, 토크, 출력을 ECS로 피드백한다.
감속기어는 SSS 클러치, 터닝기어, Locking device, 가스터빈 브레이크, 유체커플링, Lube oil system, Attached lube oil pump, electric-driven lube oil pump, dehumidifier 등으로 구성되며 제어 모델에서는 각 장비의 시동 정지를 포함한 제어에 대한 피드백을 생성한다. 제어모델은 각 모드에 따라 ECS와 실제 감속기어 간의 I/O 신호에 맞춰 도출되었다. 다음 표 4에는 대표적인 제어모델 로직이 나타나 있다.
또한 시동 및 정지 명령에 따른 제어 시퀀스, 비상정지, 테스트 모드 등이 있다. 제어모델은 각 모드에 따라 ECS와 실제 디젤엔진 간의 I/O 신호에 맞춰 도출되었다. 다음 표 3에는 대표적인 디젤엔진 제어모델 로직이 나타나 있다.

대상 데이터

가스터빈은 가스 제너레이터 (Gas generator, GG), 보조기어박스(Accessory gear box, AGB), 파워 터빈 (Power turbine, PT), 그 외 보조기기 등으로 구성된다. 가스터빈의 가스 제너레이터와 파워 터빈은 물리적으로는 분리되어 있으며, 압축된 공기의 흐름으로 동력을 전달한다.
대상 디젤엔진은 4행정 12기통으로 Starting air system, Lube oil system, Fuel oil system, Fresh water cooling system, Intake air and exhaust system 등으로 구성된다. 디젤엔진 기본 모델은 ECS의 출력 명령에 따라 디젤엔진의 속도, 토크, 동력 등을 모의하여 피드백하게 된다.
CODOG 기반 함정 추진체계 시뮬레이터는 가스터빈과 디젤엔진을 주 추진기관으로 사용하는 추진체계에 대해서 모델링하고 ECS의 제어 명령에 따른 추진체 계의 동작을 확인하였다. 시뮬레이터는 가스터빈, 디젤 엔진, 감속기어, 가변추진기 모델로 구성되며 각 모델은 출력의 전달과 관련된 기본 모델, 제어기를 모사하는 제어 모델로 나뉜다. 가스터빈 추진 모드와 디젤엔진 추진 모드에서 PCL에 따른 가스터빈의 FMV, VSV, 속도, 출력, 토크 및 디젤엔진의 속도, 출력, 토크 등을 확인하였다.

이론/모형

CODOG 추진체계 시뮬레이터는 National Instrument 의 PXI를 사용한다. 시뮬레이터 프로그램은 PXI에서 실행되며, SCM(Simulation Control and Monitoring) PC 를 통해 PXI에서 실행되고 있는 시뮬레이터 프로그램을 모니터링 및 제어한다.

성능/효과

그림 10은 FMV(Fuel Metering Valve) 추세를 나타내고 있다. FMV는 PCL의 절댓값이 커질수록 TIC 및 Pitch 값이 커지므로 출력과 FMV가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

가스터빈 추진 모드와 디젤엔진 추진 모드에서 PCL에 따른 가스터빈의 FMV, VSV, 속도, 출력, 토크 및 디젤엔진의 속도, 출력, 토크 등을 확인하였다. ECS 개발과정에서 ECS의 추진체계 제어 기능 검토, 새로운 제어 시퀀스 제안 등으로 활용이 가능할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ECS(Engineering Control System)란 무엇입니까?	군사과학 기술이 발전하면서 함정에 요구되는 임무가 다양해지고 있으며 임무를 효과적으로 수행하기 위해서 함 운용 목적에 부합하는 추진체계 및 제어시스템을 필요로 한다. ECS(Engineering Control System)는 가스터빈이나 디젤엔진 등 주 원동기와 주변기기의 제어 및 모니터링을 통해 추진체계 전반이 임무 수행능력을 충족하고 효율적인 운용이 가능하도록 하는 시스템이다. 기존 ECS 개발업체로는 SEASTEMA, L-3mapps등으로 외국업체가 주를 이루고 있으며, 최근 ECS 개발의 국산화가 추진되면서 ECS의 개발 과정에서 안정성과 신뢰도 확보가 요구되고 있다.
	SSS 클러치의 상태는 각각 어떠한 상태들이 있습니까?	① Engage : SSS 클러치가 ECS로부터 Active 명령을 받았으며 가스터빈과 연결된 상태 ② Ratcheting : SSS 클러치가 ECS로부터 Active 명령을 받았으나 가스터빈과 연결되지 않은 준비 상태 ③ Locked out : SSS 클러치가 ECS로부터 Locked out 명령을 받아 분리된 상태
	제어기 개발 과정에서 검증하는 방법으로는 어떠한 것들이 있습니까?	제어기 개발 과정에서 검증하는 방법으로는 모델 단위로 기능을 검증하는 MILS(Model-In-the-Loop Simulation), 소프트웨어 단위로 시뮬레이션을 통해 제어 시스템의 성능을 평가하는 SILS(Software-In-theLoop Simulation), 실제 제어기의 하드웨어와 연동하여 실제 로직과 동작을 실시간으로 테스트하는 HILS (Hardware-In-the-Loop Simulation) 등이 있다. HILS는제어기 테스트 환경을 시뮬레이션으로 쉽게 구현이 가능하고 개발 과정에서부터 활용할 수 있다는 장점이 있어 이미 자동차, 해양, 항공 분야의 제어기 개발에 적용 되고 있다[1].

참고문헌 (13)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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