HILS를 이용한 함정 추진체계 검증 시뮬레이터 개발

Abstract

최근 함정에 탑재되는 무기체계가 고전력화 되어감에 따라 함정에 요구되는 전력이 증가함에 따라 함정의 추진체계는 기계식에서 복합식, 전기식으로 발달하고 있다. 단순한 기계식 추진체계에서 전기추진전동기를 복합하여 추진할 경우 제어 기능이 복잡해진다. 국내에서는 전기추진전동기를 탑재한 복합식 추진체계에 대한 경험의 부족으로 추진기관의 연동이나 제어, 시험 및 추진체계 연동통합 등의 업무를 국외의 기술에 의존하고 있다. 이에 함정 추진체계의 연동 기술 및 제어, 검증 기술을 국산화하고 신뢰성을 확보하기 위해 함정의 추진과 기동을 검증하는 시뮬레이터를 개발하고자 한다.

시뮬레이터는 추진체계의 동특성을 모사하는 추진 장비 모델과 절차를 모사하는 제어모델, 실제 추진체계를 모사하는 플랜트모델로 구성되어있다. 추진 장비 모델은 열역학 기반의 모델로 개발할 경우 복잡한 연산으로 인한 시간지연이 발생하여 실시간 제어에 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 함정의 출력에 영향을 주는 인자를 선택하여 단순화된 추진 장비 모델을 개발하였다.

개발한 추진체계 시뮬레이터를 활용하여 함정의 추진모드 중에서 가스터빈과 전기추진전동기의 전환절차를 확인할 수 있는 복합(hybrid)모드와 단일 추진 장비에 대한 자동모드와 수동모드의 출력 및 제어연동관계에 대하여 시뮬레이션을 진행하였다.

시뮬레이션 결과, 가스터빈과 전기추진전동기의 실제 데이터와 추진 장비 모델 간의 오차는 평균 5% 이내의 오차를 가졌다. 또한, 하드웨어 플랜트 모델의 시뮬레이션 결과와 실제 데이터 간의 오차는 평균 5% 이내의 오차를 가짐을 확인하였다. 이를 통해 본 시뮬레이션을 활용하여 추후 복합식 추진체계 건조 단계 이전에 검증 및 성능 확인에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.|The electric power required for naval ships is increasing as the weapon systems mounted on naval ships are becoming more powerful. Accordingly, the propulsion systems of naval ships are evolving from mechanical to composite or electric systems. The control function becomes sophisticated when a propulsion motor is added to a simple mechanical propulsion system to create a composite propulsion system. In Korea, tasks, such as interlocking, control, test, and propulsion system integration of the propulsion engine, rely on foreign technologies because of insufficient experience in composite propulsion systems equipped with a propulsion motor. Therefore, we intend to develop herein a simulator that validates propulsion and maneuvering of naval ships to localize interlocking, controlling, and verifying technologies for the propulsion system of naval ships and secure their reliability.

The simulator comprises a propulsion equipment model that simulates the dynamic characteristics of a propulsion system, a control model that simulates the procedure, and a plant model that simulates an actual propulsion system. The propulsion equipment model is not suitable for real-time control if it is developed as a thermodynamic model because of the complicated formulas and process. This study solves this problem by selecting the factors affecting the power output of naval ships and developing a simplified propulsion equipment model.

The developed propulsion system simulator is used to simulate the navigation mode that can check the conversion procedure between the gas turbine and the propulsion motor and the power output and control/interlocking relations of the automatic and manual modes of the single propulsion equipment among the propulsion modes of naval ships.

The simulation results confirm that the errors between the actual data of the gas turbine and the propulsion motor and those of the propulsion equipment model were within 5% on average. Furthermore, the errors between the simulation result of the hardware plant model and the actual data were within 5% on average. Therefore, this simulation can be utilized to verify the system and check its performance prior to the building stage of a composite propulsion system in the future.