Dynamic Position Control Method for the Buffer Unit of a Deepsea Mining System

This paper describes a control algorithm for the buffer of a deep-sea mining system, in which the buffer is connected to a long slender pipe and then to a surface ship on one end, and to a collector on sea floor through a flexible hose on the other end. A mathematical modeling is established for designing the controller for buffer thrusters, in which the dynamic response of the long pipe is taken into account based on the mode superposition method. The fluid loading acting on the pipe is estimated by using Morison's formula. For simplicity, the surface ship is assumed to be kept stationary, the reaction from the flexible hose is ignored and only the lateral motions are considered. In order to guide the buffer to react only to the low-frequency motion of the surface vessel, the FIR digital filter is introduced to a PID-based controller It can be shown numerically that the high frequency component of the ship's motion can be effectively filtered out by using the FIR low pass filter.

해석심해자원개발용 버퍼의 동적위치제어기법

심해자원채광시스템은 모선, 양광관, 버퍼, 집광기 등으로 구성된다. 양광관의 위쪽은 모선과 연결되고 아래쪽은 버퍼에 연결된다. 버퍼와 집광기는 유연 호스로 연결된다. 채광시스템의 원활한 운영을 위해서는 전체 시스템의 안정화가 이루어져야 하는데 이를 위해서는 버퍼의 위치를 능동적으로 제어해야한다. 본 연구에서 가장 중요한 부분은 길이 5000m에 달하는 양광관의 동적 거동해석이다. 양광관을 세장구조물로 단순화시켜 모델링하고 고유함수 전개법으로 해석하였으며, 버퍼에 장착되는 추진시스템에 대한 제어에는 PID 제어기법을 적용하였다. 버퍼에 작용하는 외력은 양광관에 작용하는 항력에 의한 반력이 지배적이므로 본 논문에서는 유연호스의 영향은 무시하였다. 파랑 중에서 모선은 저주파수 운동과 동시에 고주파 운동을 하게 되는데 버퍼가 추적하고자 하는 모선의 위치는 저주파수 운동에 해당하므로 고주파수 성분을 걸러내기 위하여 반드시 필터링을 필요로 한다. FIR 필터를 사용하여 모선 위치를 필터링한 값을 제어기의 목적위치로 설정하였다. 이러한 해석을 바탕으로 수치계산 알고리즘을 구축하여 모선의 여러 운동을 상정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 수치계산 결과 필터링을 통해 고주파수 성분이 잘 걸러짐을 확인하였다. 또한 버퍼의 위치와 속도에 대한 제어를 통해서 버퍼를 허용범위(watch circle) 안에 머무르게 하면서 전체시스템을 안정화시킨다는 것을 밝혔다.