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비선형 제어기와 외란 관측기를 이용한 DP vessel의 자동 weather vaning system에 관한 연구

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Authors

김대혁

Advisor
김낙완
Major
공과대학 산업·조선공학부
Issue Date
2013-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Dynamic positioning (DP)auto weather vaining외란관측기 (Disturbance Observer)비선형 제어기 (Nonlinear Controller)
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 산업·조선공학부, 2013. 2. 김낙완.
Abstract
Dynamic Positioning System (DPS)은 해양에서 작업을 하는 수상선 및 부유식 해양구조물의 위치나 선수각을 자동으로 유지시켜주는 일종의 컴퓨터 제어 시스템이다. 이는 구조물의 안정적이고 효율적인 작업 환경을 위해 필수적인 시스템이며, 시스템 구현을 위해서는 해양환경하중과 구조물의 동적 특성에 대한 정확한 분석이 미리 수행되어야 한다. Weather vaning 이란 해양에 존재하는 외란(바람, 파도 그리고 조류)의 작용방향으로 구조물의 선수가 향하도록 선회시키는 것이다. 이는 대부분의 수상선 및 부유식 해양구조물이 종방향으로 긴 형태를 가지고 있기 때문에, 종방향으로 외란을 맞이함으로써 최소한의 제어력으로 위치제어를 하기 위해 사용되는 개념이다.
본 연구에서는 외란관측기를 설계하여 실시간으로 정확한 계측이 어려운 해양환경외란에 의한 하중을 추정하여 보상하고, 자동으로 추정된 외란의 방향으로 선수각을 향하게 하는 자동 weather vaning 시스템을 제안한다. 좌표계 간 변환행렬의 비선형성 때문에 실시간으로 정확한 선수각의 제어를 위해서는 선형제어기에 비해 비선형제어기가 효율적이다. 그렇기 때문에 위치제어 및 선수각 제어를 위해 비선형 제어기를 설계하였다. 최종적으로 외란관측기를 통해 외란을 추정 및 보상하여 정확한 위치 제어를 가능하게 하고, 추정된 외란의 방향을 목표 선수각으로 설정하여 구조물의 위치제어에 필요한 힘을 최소화하는 것을 보이는 것이 본 논문의 최종목표이다.
설계된 외란관측기와 비선형제어기의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 대상구조물로써 semi-submersible 형태의 drilling rig를 선정하였다. 환경외란 중 조류에 의한 하중은 구조물의 상대속도 개념으로 포함되었으며, 파도에 의한 하중은 유체력 계산프로그램인 WAMIT을 이용하였다. MSS hydro data에는 상부구조물이 구현이 되어 있지 않았으므로, 바람에 의한 하중은 길이와 폭이 유사한 타 선박의 정보를 참고하여 적용하였다. 단일외란만을 가지고 외란관측기의 효용성을 검증한 이 후 세 종류의 환경외란이 서로 다른 방향을 가지는 상황에서의 시뮬레이션을 수행하였다. 물론 실제 상황을 고려하여 바람과 파도의 작용방향은 같도록 하였다. 시뮬레이션의 결과를 통해 제안된 자동 weather vaning 시스템은 외란의 추정 및 보상을 정확하게 하였고, 추정된 왼란의 방향을 이용하여 최소의 제어력으로 구조물의 위치제어를 가능하게 함을 알 수 있었다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/123637
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