쌍동선을 위한 제어기의 구성

Controller design for SWATHS

주어진 제어대상 모델에 대하여 제어기를 구성하여 실제로 적용하는 경우 모델의 불일치, 모델링에서 고려하지 않은 외란(disturbance), 측정잡음등에 의하여 성능이 설계시와 달라진다. 실제적용에서도 성능을 계속 유지하기 위하여 제어기는 안정성, 계수변화(parameter variation)에 대한 강인성(robustness), 외란상쇄(disturbance rejection) 및 측정잡음에 둔감함등의 특성을 가져야 한다. 귀환(feedback)을 사용하여 제어기를 구성하는 경우 위의 모든 조건을 만족 시킬 수 없으므로 제어목적에 따라 적당한 조건을 선정하여 중요한 특성을 주로 갖게 한다. 본 논문에서는 쌍동선(small waterplane area twin hull ship-SWATHS)에 대하여 PID, LQ, LQG 제어기를 구성하여 안정성, 계수 변화에 대한 강인성, 외란 상쇄 및 측정잡음의 영향을 비교하였다. 쌍동선의 경우 다른 단동선(mono hull ship)에 비하여 접수면(waterplane)이 적으므로 무게증변을 흡수할 수 있는 복원력이 약하여 적은 외력에도 상하동요(heave)와 종동요(pitch)가 심하게 일어난다. 이러한 동요를 줄이는 것이 쌍동선의 제어목적이다. 본 연구에서는 먼저 선형화된 수직축 운동방정식을 이용하여 선체운동의 모델을 구했으며 중첩의 원리(super-position theorem)에 의하여 주파수 응답의 합으로 파도입력을 모델링 하였으며 제어를 위하여 필요한 측정치는 IMU(Inertial Measurement Unit)에서 제공된다고 가정하였다. 쌍동선의 동요의 원인은 파도, 바람, 조류 등이 있으나 파도에 의한 영향이 가장 크므로 본 논문에서는 파도에 의한 영향만을 고려하였다. 파도는 쌍동선에 외란으로 작용하며 측정할 수 없는 양이므로 PID, LQ 제어에서는 제어모델에 포함되지 않지만 LQG 제어에서는 제어모델에 포함된다. LQG 제어의 경우 제어모델에 파도를 백색잡음으로 가정하고 제어기를 구성한 것 (LQG1)과 2차의 쉐이핑필터(shaping filter)를 사용하여 구성한 것(LQG2)으로 나누었다.