선박용 지향성 Pedestal의 추종 및 동요 안정화 제어에 관한 연구

Abstract

본 논문은 선박용 NVS의 개발에 관한 내용이다. 본 논문에서는 먼저 선박의 6 자유도 운동을 축 단위로 분해하여 검출하여 선박의 운동을 보상할 수 있는 고정도 2축 구조의 안정화 Pedestal 및 PCU(Pedestal Control Unit)를 설계 및 제작하였다. 구현된 Pedestal은 방위각 및 고각의 구동부를 갖는 2축 구조이며, Pedestal의 구동부는 DD(Direct-Drive) 방식의 서보 모터, 20비트 엔코더 등으로 구성된다. Pedestal의 프레임 재질은 Aluminum 6061을 사용하였으며, 최적 설계를 위하여 탑재 하중이 최대 60Kg일 때 Nastran을 이용하여 구조해석을 수행하였다.

PCU는 Pedestal의 동요안정화 및 표적추적 기능을 수행하게 하는 제어장치로써, ARM 코어의 프로세서, PCL6045 모션 콘트롤 IC, 광 자이로 센서 인터페이스로 구성하였다.

Pedestal의 효율적 제어를 위하여, 제작된 Pedestal의 제어모델을 구하고, 모델과 구현된 Pedestal의 실험 데이터로부터 시스템의 파라미터를 구하여 제어기를 설계하였다.

Pedestal을 구성하는 서보모터 드라이버는 내부에 PI 제어기를 내장하고 있어 외부의 제어기가 필수 사항은 아니지만 모터 축에 걸리는 부하의 관성모멘트가 커질 경우 작은 외란에도 자체 공진주파수에 의해 진동의 가능성이 높다. 안정된 외란억제 성능을 보장하기 위해 서보모터 드라이버 내부의 제어기 게인을 높이는데 한계가 있으며, 이로 인해 서보모터의 응답이 느려지는 단점이 있다.

특히 본 장비에서 사용하는 AC 서보모터는 DD(Direct Drive)타입으로 토크 출력이 일반적인 AC 서보모터보다 수십 배 높은 장점을 지니고 있으며 정밀도 향상을 위해 기계적인 기어 없이 부하를 직접 모터 축에 연결할 수 있다. 하지만 Pedestal 모터 부하축의 하우징의 무게(약 100kg)와 탑재된 각종 감시장비(1000mm Zoom Lens, Day/Night Camera, Laser Searchlight 등)의 무게(약 60kg)를 합하면 약 160Kg으로 내부의 제어루프만 사용할 경우 제어가 불가능할 정도는 아니나, 안정된 제어를 위하여 내부 PI 제어기의 루프 게인(Loop Gain)을 높이는데 한계가 있다.

본 논문에서는 별도로 외부에 2 자유도(Two-Degree-Of-Freedom) PID 제어기를 삽입하여 AC 서보모터의 토크를 최대한으로 사용하면서 원활한 외란억제성능과 신속한 설정치 추종성능을 동시에 향상시켰으며, 이를 위해 최적화 도구로서 실수코딩 유전 알고리즘(Real-Coded Genetic Algorithms : RCGA)을 이용하였다.

고전적 PID 제어기는 설정치 추종 성능과 외란억제 성능을 동시에 만족하지 못하는 태생적인 한계를 지니고 있다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극하기 위해 2 자유도 PID 제어기 사용한다. 2 자유도 PID 제어기의 동조방법과 제어대상에 따른 파라미터에 관해서는 연구가 되었으나 일반적인 동조규칙에 관해서는 연구가 부족한 바, 본 논문에서는 RCGA를 이용하여 2 자유도 PID 제어기의 최적화를 통해 동조규칙을 유도하였다.

실수코딩 유전알고리즘은 종래의 이진코딩 유전알고리즘과 달리 그 정밀도가 오직 알고리즘을 수행하는 컴퓨터의 정도에만 제약을 받을 정도로 높은 정밀도로 해에 접근할 수 있다[7-9]. 이러한 실수코딩 유전알고리즘의 장점을 이용하여 2 자유도 PID 제어기의 최적의 동조규칙을 찾는다.