A Study on Robust Control System Design for Offshore Crane System based on PSO

Abstract

심해저 개발 및 건설작업이 대두됨에 따라 해상크레인의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 게다가 해상크레인 세계시장 가치는 연평균 9%성장률로 증가할 것으로 내다보고 있음에 따라 관련 기술의 필요성이 강조되고 있다. 해상크레인의 주된 목적은 부하를 해저 목표지점에 안전하고 정확하게 위치시키는 것이다. 작업 종류에 따라서 부하를 수십센티 미터 범위 이내에 위치시켜야 하는 정교한 작업을 수행해야 한다. 그러나 선박에 설치되어 운용되는 크레인은 항상 파랑외란 등 해상환경의 영향을 받을 수 밖에 없으므로 정교한작업을 수행하기 어렵다. 예를 들어, 파랑의 영향으로 발생하는 선박동요로 인해 크레인 팁의 불안정한 운동이 야기되고 부하이동작업을 어렵게 한다. 또한 부하가 수중에 잠수된 상태에서는 유체력의 작용으로 인하여 부하변동을 가중시키게 된다. 특히, 유체력에 의한 부하변동은 조류나 부하의 형상에 의존하므로 상황에 따라 부하의 운동특성도 크게 달라진다. 작업안정성을 개선하기 위하여 외적환경에 의한 영향을 정확히 파악할 수 있으면 좋으나, 지속적으로 변하는 해상환경 등으로 인해 그 영향을 파악하는 것은 사실상 불가능하다. 그러므로 해상에서의 작업은 예측할 수 없는 해상조건과 시스템 파라미터 변동 등으로 인하여 굉장히 까다롭고 위험하다. 따라서 이러한 작업환경에서도 작업안정성과 정교한 작업성능을 보장할 수 있는 강인한 제어시스템 구축이 반드시 필요하다. 위와 같은 문제점을 고려하여, 본 논문에서는 파랑외란뿐만 아니라 파라미터 변동과 같은 불확실성에도 우수한 성능을 확보할 수 있는 제어계설계법을 제안한다. 구체적으로는 기 설계된 제어계에 대하여 에너지기반 리아프노푸 함수를 도입하여 균일궁극유계(uniformly ultimately bounded, UUB)조건을 만족시키는 제어입력을 설계한다. 이로 인해 시스템 제어출력 및 상태가 궁극유계 이내에 존재하도록 함으로써 제어성능 개선이 보장되게 된다. 제안하는 제어계설계법을 구현하기 위하여, 입출력 선형화 제어기(input-output linearization controller, IOLC)를 적용한 해상크레인 제어시스템에 관한 사전연구결과를 이용하였다. IOLC제어기는 제어대상에 불확실성이 존재할 경우 선형화과정이 완벽이 이루어지지 않기 때문에 강인하지 않은 것으로 잘 알려져 있다. 그러므로 본 연구에서 제어대상으로 하는 시스템과 같이 불확실성이 존재하는 경우 강인성 확보가 더욱 요구된다. 이와 같은 사실을 고려하여, 제어성능 개선을 위해 IOLC가 적용된 제어계에 대하여 본 논문에서 제안하는 제어기설계방법을 이용하여 IOLC와 결합한 UUB기반 제어기(UUB+IOLC)를 설계하였다. 설계한 제어기의 이득 최적화를 위하여 입자군집최적화(particle swarm optimization, PSO)기법을 사용하였다. 제어기 이득은 반복적인 과정을 거쳐 적절한 값을 선정하는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 시행착오법의 경우 선정한 이득이 최상의 응답을 보장하지는 않는다. 그러므로 본 논문에서는 최적화 기법을 이용하여 제어기 이득을 최적화하여 제어계의 최적 성능 보장 및 제어기 이득 선정 어려움을 해소하였다. 본 논문에서 제안한 기법의 유효성은 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다. 시뮬레이션은 실제 작업환경과 유사한 환경을 모의하였으며, 실험은 파일롯 해상크레인 모델을 이용하여 수행하였다. 특히, 실제 작업환경을 고려하여 파라미터 변동이 존재하는 경우에 대한 시뮬레이션과 실험을 각각 수행하였다. 각 결과를 통해 강인한 제어계 설계의 필요성을 보여주었을 뿐만 아니라, 제안한 제어계 설계법을 통해 불확실성에 대한 강인성 확보는 물론 제어성능까지 개선할 수 있음을 확인하였다.