KR0182082B1 - Vibration control method and equipment for a ship - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박을 운항하는 중에 발생하는 선박의 엔진 및 프로펠러등의 추진기관에 의해 발생되는 선체 구조물의 진동을 제거하기 위한 방법과 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선체에서 발생한 진동과 반대되는 위상의 진동을 발생시켜 선체구조의 진동을 감쇄시켜 제거하는 원리로 기진력 발생장치(이하 가진기라 함)와 가속도계등을 이용하여 가진기의 제어위상 변화에 따른 선체구조물의 진동 크기 및 위상변화로 부터 진동상쇄를 위한 가진기의 최적 제어위상을 결정하고 이를 구동, 유지하여 선체구종의 진동을 제거하는 선박용 진동제어 방법과 장치로서, 전기신호를 증폭시키는 신호증폭기와 이 신호를 읽는 아날로그/디지탈 신호변환기와 디지탈신호를 읽는 디지탈 입력기판, 입력된 신호를 인지하여 가진기 제어에 필요한 물리량을 연산하는 중앙연산처리장치와 가진기에 제어명령을 전달하는 통신구와 디지탈/아날로그 신호변환기로 구성된 제어부를 가지고 제어대상 구조물의 진동감지기 즉 가속도계의 전기신호를 신호증폭기로 증폭시키고 선박추진기관의 위상센서와 가진기의 기진력 위상센서의 디지탈신호를 입력기판으로 입력시켜 중앙연산처리장치와 통신구로 가진기에 제어명령을 하는 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for removing vibration of a hull structure generated by a propulsion engine such as an engine and a propeller of a ship generated while operating a ship, and more particularly, to the contrary to the vibration generated in the hull It is a principle that attenuates and removes vibration of hull structure by generating phase vibration.It is based on vibration magnitude and phase change of hull structure according to control phase change of exciter using vibration generator (accelerator) and accelerometer. Vibration control method and apparatus for ships to determine the optimum control phase of the excitation for vibration cancellation, drive and maintain it to eliminate the hull type vibration.A signal amplifier that amplifies an electric signal and an analog / digital signal reading the signal. Digital input board which reads converter and digital signal, and recognizes input signal and calculates physical quantity It has a control unit consisting of a communication port that transmits control commands to the central processing unit and the excitation unit, and a digital / analog signal converter, and amplifies the vibration sensor of the structure under control, that is, the electrical signal of the accelerometer with a signal amplifier, The digital signal of the excitation force phase sensor of the exciter is input to the input board to control the control device to the central processing unit and the communication port.
Description
제1도는 본 발명의 전체구성을 나타낸 개념도.1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the present invention.
제2도는 본 발명에 의한 진동제어장치의 최적 제어위상 결정 방식을 나타낸 설명도.2 is an explanatory diagram showing an optimal control phase determination method of the vibration control device according to the present invention.
제3도는 본 발명에 의한 진동제어장치의 제어알고리즘을 나타낸 플로우챠트도.3 is a flowchart showing a control algorithm of the vibration control device according to the present invention.
제4도는 본 발명의 구성을 나타낸 블럭다이어 그램도.4 is a block diagram showing a configuration of the present invention.
제5도는 본 발명을 이용한 선루진동 제어시험 결과표.5 is a superstructure vibration control test result table using the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 가진기 2 : 기진력 위상센서1: Exciter 2: Vibration Force Phase Sensor
3 : 선박추진기관 위상센서 4 : 가속도계3: ship propulsion engine phase sensor 4: accelerometer
5 : 제어부 6 : 신호증폭기5: control unit 6: signal amplifier
7 : 아날로그/디지탈 신호변환기 8 : 입력기판7: Analog / Digital Signal Converter 8: Input Board
9 : 중앙연산처리장치 10 : 통신구9: central processing unit 10: communication port
11 : 디지탈/아날로그 신호변환기11: Digital / Analog Signal Converter
본 발명은 선박을 운항하는 중에 발생하는 선박의 엔진 및 프로펠러등의 추진기관에 의해 발생되는 선체 구조물의 진동을 제거하기 위한 방법과 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선체에서 발생한 진동과 반대되는 위상의 진동을 발생시켜 선체구조의 진동을 감쇄시켜 제거하는 원리로 기진력 발생장치(이하 가진기라 함)와 가속도계등을 이용하여 가진기의 제어위상 변화에 따른 선체구조물의 진동크기 및 위상변화로 부터 진동상쇄를 위한 가진기의 최적 제어위상을 결정하고 이를 구동, 유지하여 선체구조의 진동을 제거하는 선박용 진동제어 방법과 장치이다.The present invention relates to a method and apparatus for removing vibration of a hull structure generated by a propulsion engine such as an engine and a propeller of a ship generated while operating a ship, and more particularly, to the contrary to the vibration generated in the hull It is a principle that attenuates and eliminates vibration of hull structure by generating phase vibration.It is based on vibration size and phase change of hull structure according to control phase change of exciter by using vibration generator (accelerator) and accelerometer. It is a vibration control method and device for ship that removes the vibration of the hull structure by determining the optimum control phase of the exciter for vibration cancellation.
그리고 본 발명은 단일 주파수 성분의 가진기, 주로 고정편심 혹은 가변편심을 가진 불평형 중추식 가진기 사용을 전제로 하여 이루어진 것이다.The present invention has been made on the premise of using an unexcited central exciter having a single frequency component, mainly a fixed eccentricity or a variable eccentricity.
종래에는 선박에 사용되는 진동제어장치는 제2도에 도시된 최적 제어위상 결정방식 설명도의 C점에 해당되는 최적위상 øopt을 가진기의 위상을 수동적으로 변화시켜 제어대상 구조계의 진동값을 파악한 후 이중에서 가장 작은 진동값을 주는 가진기 위상을 최적위상으로 결정한다.Conventionally, the vibration control apparatus used in ships is to determine the vibration value of the structure to be controlled by manually changing the phase of the machine having the optimum phase øopt corresponding to point C in the optimum control phase determination method shown in FIG. After that, the exciter phase giving the smallest vibration value is determined as the optimum phase.
이때 실제의 진동값은 별도의 진동계측 및 분석장치(예로서 가속도계와 주파수분석기)를 이용하여 계측한다.At this time, the actual vibration value is measured by using a separate vibration measurement and analysis device (eg accelerometer and frequency analyzer).
상기한 방법은 제어대상 구조계의 동특성이 일정한 경우에는 한번만 수행하면 되나 제어대상 구조계의 동특성이 바뀌어 최적제어위상이 변화하는 경우에는 상기 과정을 재수행하고 진동제어장치의 구동위상을 수정해야하는 단점이 있다.The above method only needs to be performed once when the dynamic characteristics of the structure to be controlled are constant. However, if the optimum control phase is changed due to a change in the dynamic characteristics of the structure to be controlled, the method has to be repeated and the driving phase of the vibration control device needs to be corrected.
선박의 경우 적화상태 또는 운항속도에 따라 동특성이 달라진다.In the case of ships, the dynamics vary depending on the load condition or the speed of operation.
따라서 운항상태가 변화할 때 마다 진동제어장치의 제어위상을 수정하여야 하나 이는 현실적으로 매우 어렵고 종래 선박용 진동제어장치는 특정 운항상태에서 결정된 최적위상으로 영구적으로 구동되도록 설치된다.Therefore, whenever the operating state changes, the control phase of the vibration control device should be corrected, but this is very difficult in reality, and the conventional ship vibration control device is installed to be permanently driven to the optimum phase determined in a specific operating state.
이 경우 운항상태가 달라지면 진동제어장치의 제어성능이 저하될 뿐만 아니라 제어대상 구조계의 동특성 변화가 심한 경우 진동제어장치가 선박의 진동을 증가시키는 문제점이 있었다.In this case, if the operating conditions are different, the control performance of the vibration control device is not only degraded, but the vibration control device increases the vibration of the ship when the dynamic characteristics of the structure to be controlled are severe.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인이 선출원한 힘조절형 기계식 가진기(실용신안등록 출원제 94-3105호)를 이용하여 제어부에 의해 가진기를 기지의 위상차를 갖는 서로 다른 두개의 위상으로 순차적으로 제어할 때 제어위상에 따라 달라지는 제어대상 구조계의 진동크기를 이용해서 진동제어장치의 최적위상을 결정하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art by the applicant using a force-adjustable mechanical type excitation (Utility Model Registration Application No. 94-3105) two different from each other having a known phase difference by the control unit In order to control the phase of the sequential phase, the optimum phase of the vibration control device is determined by using the magnitude of the vibration of the structure to be controlled.
이때 진동크기는 진동제어장치에 포함된 가속도계로 계측된 진동신호를 이용해서 제어부에서 알고리즘에 의해 계산한다.At this time, the vibration size is calculated by an algorithm in the control unit using the vibration signal measured by the accelerometer included in the vibration control device.
이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 알고리즘과 구조 및 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the algorithm, structure, and effect of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
추진기관(선박엔진, 프로펠러 등)과 진동제어장치에 의한 단일 주파수 성분의 기진력에 의해 발생하는 선체진동 V(t)는 일반적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.The hull vibration V (t) generated by the propulsion of a single frequency component by the propulsion engine (ship engine, propeller, etc.) and the vibration control device is generally expressed as:
여기서, A : 진동 크기Where A: vibration magnitude
w : 기진력 주파수의 각속도(rad/sec)w is the angular velocity of the vibration frequency (rad / sec)
θ : 기진력에 대한 진동의 상대위상θ: relative phase of vibration to vibration
을 나타낸다. 이러한 진동을 복소량으로 표현하면Indicates. If you express these vibrations in complex quantities,
와 같다.Same as
식(2)에서 R과 I는 기진력의 기준위상 wt에 대한 진동크기의 실수부 및 허수부로서 복소평면에 한점(제2도의 M)으로 표시되며 식(3)과 같은 적분과정을 통하여 진동신호에서 직접 구할 수 있다.In Eq. (2), R and I are the real and imaginary parts of the vibration magnitude with respect to the reference phase wt of the vibration force, represented by one point (M in Fig. 2) on the complex plane, and vibrated through the integration process as in Eq. (3). Can be obtained directly from the signal.
특3정주파수 w에서의 추진기관 기진력에 의한 진동응답을 V1(t), 이와 동일한 주파수로 기진력을 내는 가진기에 의한 진동응답을 V2(t)라 할 대, 주파수 w에서의 합성된 진동은When the vibration response due to the propulsion engine vibration force at a specific frequency w is V 1 (t), and the vibration response due to the exciter generating vibration force at the same frequency is V 2 (t), synthesis at frequency w is performed. Vibrations
로 주어지며 제2도에서와 같이 복소평면에서 벡터 합성으로 나타낼 수 있다.It can be expressed as and can be represented by vector composition in complex plane as shown in Fig. 2.
식(4)에 의해 합성되는 진동은 추진기관 기진력의 기준위상 wt에 대해 가진기의 제어위상이 0°-360°변화함에 따라 제2도에서와 같이 복소평면에서 원의 궤적을 그린다.The vibration synthesized by Eq. (4) draws the trajectory of the circle in the complex plane as shown in Figure 2 as the control phase of the exciter changes from 0 ° to 360 ° relative to the reference phase wt of the propulsion engine vibration force.
제2도의 합성된 진동응답의 궤적선상에서 C점은 추진기관에 의한 진동과 가진기에 의한 진동이 서로 반대위상이 되어 합성된 진동이 가장 적은 곳으로서 이에 해당하는 가진기의 위상 øopt가 진동제어장치의 최적위상이다.The point C on the locus line of the synthesized vibration response of FIG. 2 is where vibration by the propulsion engine and vibration by the exciter are opposite phases, so that the synthesized vibration is the smallest. Is the optimal phase of.
그리고 특정주파수 w에서 추진기관 기진력만에 의한 진동응답이 V1, 이와 동일한 주파수로 구동되면서 제어위상이 0인 경우의 가진기만의 진동을 V2라 하면 합성된 진동은 제2도의 A점으로 나타낼수 있다. 이와 마찬가지 방법으로 제어위상이 øadd인 경우의 가진기만의 진동을 V3라 하면 합성된 진동은 제2도의 B점으로 나타낼수 있다.If the vibration response due to the propulsion force of the propulsion engine is driven at the same frequency V 1 and the same frequency, and the vibration of the deception when the control phase is 0, V 2 , the synthesized vibration is the point A of FIG. 2. Can be represented. Similarly, if the vibration of the deception in the case of the control phase of ø add is V 3 , the synthesized vibration can be represented by the point B in FIG. 2.
이때 가진기의 기진력 크기가 동일하므로 V2와 V3의 절대크기는 같다.At this time, the magnitude of the excitation force is the same, so the absolute magnitude of V 2 and V 3 is the same.
따라서 제2도의 A점 및 B점에서의 진동응답을 각각 VA와 VB라 하면 VA, VB, V1, V2, V3간에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.Therefore, if the vibration response at points A and B of FIG. 2 is V A and V B , the following relation is established between V A , V B , V 1 , V 2 , and V 3 .
식(5)의 관계식으로 부터 제어위상이 0인 경우의 가진기만에 의한 제어대상 구조계의 진동응답 V2를 다음과 같이 알수 있다.From the relational expression of equation (5), the vibration response V 2 of the structure to be controlled by the deception in case the control phase is 0 can be seen as follows.
여기서 A2와 θ2는 각각 가진기만에 의한 진동응답의 크기와 상대위상이다.Where A 2 and θ 2 are the magnitude and relative phase of the vibration response due to the excitation, respectively.
추진기관만에 의한 진동응답 V1은 기지의 V2와 식(5)를 이용해서 다음과 같이 알수 있다.The vibration response V 1 due to the propulsion engine can be known as follows using the known V 2 and equation (5).
A1와 θ1은 각각 추진기관만에 의한 진동응답의 크기와 상대위상이다.A 1 and θ 1 are the magnitude and relative phase of vibration response by propulsion engine alone, respectively.
제2도에서 진동응답의 상대위상은In Figure 2, the relative phase of the vibration response
과 같은 기하학적 관계식을 만족하므로 가진기의 최적 제어위상은The optimum control phase of the exciter is
로 결정된다.Is determined.
힘 조절기능은 가진 가진기의 경우 추진기관에 의한 진동을 완전히 상쇄시키기 위해 요구되는 가진력의 기진력 크기 Fopt는Power control is exerted in the excitation force is required in order to fully offset the vibration caused by the driving engine when the groups with group size with F opt is
로 주어진다.Is given by
일단 최적점에서의 정상상태 구동이 시작된 후 선박의 운항상태 변화로 인해 최적점이 이동하는 경우 본 발명에서는 위상 및 기진력 크기 변화에 대한 진동응답의 수치미분치를 이용하여 제어대상 구조계의 진동을 최소화하는 최적위상 및 가진기의 기진력 크기를 결정한다.In the present invention, when the optimum point moves due to the change of the operating state of the ship after the steady state driving at the optimum point is started, the present invention minimizes the vibration of the structure to be controlled by using the numerical derivative of the vibration response to the change of the phase and vibration force. Determine the optimum phase and magnitude of the excitation force of the exciter.
여기서 ø1, Fm는 각각 가진기의 위상과 기진력 크기이며 A1또는 Am은 추진기관 및 가진기의 기진력에 의해 나타나는 선체진동의 크기이다.Where ø 1 and F m are the magnitude and phase of the vibrator, respectively, and A 1 or A m is the magnitude of the hull vibration represented by the propulsion of the propulsion engine and the vibrator.
또 1, m은 이상제어에서의 제어순차이며 βø, βF은 제어 안정성을 고려한 적절한 양의 가중치이다.1 and m are control sequences in the abnormal control, and β ø and β F are weights of appropriate amounts in consideration of control stability.
식(11) 및 식(12)에 의한 제어는 선박의 운항상태가 지속적으로 변하는 경우에만 선택적으로 적용할 수 있다.The control by equations (11) and (12) may be selectively applied only if the operational state of the ship is constantly changing.
제1도는 본 발명의 전체구성을 나타낸 개념도이고 제4도는 본 발명의 구성을 나타낸 블럭다이어 그램도이다.1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the present invention and Figure 4 is a block diagram showing the configuration of the present invention.
제어부(5)에서는 제어대상 선박 구조물의 진동감지기 즉 가속도계(4)의 전기신호(진동 크기)를 증폭시키는 신호증폭기(6)로 보내 상기 신호를 아날로그/디지탈 신호변환기(7)에서 읽어서 중앙연산처리장치(9)로 보내며, 선박 추진기관(선박엔진, 프로펠러)의 위상센서(3) 및 가진기(1)의 기진력 위상신호를 감지한 위상센서(2)의 디지탈 신호를 디지탈 입력기판(8)에 입력되고 읽고 상기 신호를 인지하여 중앙연산처리장치(9)에서 가진기(1) 제어에 필요한 물리량을 연산하여 통신구(10)와 다시 디지탈/아날로그 신호변환기(11)로 가진기(1)에 제어명령을 하는 제어구조이다.The controller 5 sends the signal to the signal amplifier 6 which amplifies the vibration sensor of the vessel structure to be controlled, that is, the electric signal (vibration magnitude) of the accelerometer 4, and reads the signal from the analog / digital signal converter 7 to perform a central operation. The digital signal of the phase sensor 2 of the ship propulsion engine (ship engine, propeller) and the phase sensor 2 which sensed the vibration force phase signal of the exciter 1; The physical quantity required for controlling the exciter 1 in the central processing unit 9 by recognizing the signal after being inputted to the readout device and the digital / analog signal converter 11 again. ) Is a control structure that gives a control command.
제3도에서는 제어부의 실행하는 수순을 나타내었으며, 제5도는 본 발명 진동제어장치를 이용하여 30만톤급 원유운반선에 실제 적용하여 선루 수평진동 제어시험을 수행한 결과를 나타낸 결과치이다.3 shows the execution procedure of the control unit, and FIG. 5 shows the result of performing the superstructure horizontal vibration control test applied to a 300,000-ton crude oil carrier using the vibration control device of the present invention.
이와 같이된 본 발명은 기본적으로 가진기외에 가진기의 기진력 위상신호, 추진기관의 회전 위상신호 및 제어대상 선박구조물의 진동신호를 필요로 하며 각 센서의 입력신호 처리 및 가진기 제어용 출력신호는 제어부가 수행하는 것이다.Thus, the present invention basically requires a vibration phase signal of the excitation machine, a vibration phase signal of the propulsion engine, and a vibration signal of the vessel structure to be controlled in addition to the excitation machine. The control unit will perform.
그리고 최적 제어위상의 결정은 제2도에 도시된 바와같이 진동의 크기와 상대위상을 복소평면에 나타내었을 때 가진기의 제어위상 0에서의 진동(A점)과 임의의 제어위상 øadd에서의 진동(B점)을 각각 측정하여 가진기 만에 의한 진동[식(6)]과 추진기관 만에 의한 진동[식(7)]을 구한다.The determination of the optimum control phase is based on the oscillation (point A) and the arbitrary control phase ø add at the control phase 0 of the exciter when the magnitude and the relative phase of the vibration are shown in the complex plane as shown in FIG. The vibrations (point B) are measured, respectively, and the vibrations caused only by the excitation (expression (6)) and the vibrations caused only by the propulsion engine (expression (7)) are obtained.
이로부터 진동을 최소화하는 제어위상 Φopt를 식(9)에 의해 결정하고 이를 가진기의 제어위상으로 구동한다.From this, the control phase φ opt to minimize vibration is determined by equation (9) and driven to the control phase of the exciter.
이때의 진동은 제2의 C점으로 나타내며 진동을 완전히 상쇄하기 위해서는 식(10)에서와 같이 가진기의 기진력을 조절한다.The vibration at this time is represented by the second C point, and in order to completely cancel the vibration, the vibration force of the exciter is adjusted as in Equation (10).
정상상태에 이른후에 외부조건의 변화등에 의해 최적점이 변동하는 경우에는 식(11) 및 식(12)에 의해 지속적으로 최적점을 추종할 수 있는 것이다.When the optimum point changes due to a change in external conditions after reaching a steady state, the optimum point can be continuously followed by equations (11) and (12).
그러므로 본 발명 장치의 구동시마다 최적 진동제어를 위한 가진기의 제어위상 및 기진력 크기를 결정하므로 선박의 동특성 및 운항상태가 변하여도 항상 최적의 진동제어를 수행할 수 있는 효과가 있으며 또한 대상 구조물의 진동신호를 직접 진동제어장치에 사용하는 특징이 있는 것이다.Therefore, the control phase and the magnitude of the vibration force of the exciter for the optimum vibration control every time the device of the present invention is determined, there is an effect that can always perform the optimum vibration control even if the dynamic characteristics and operating conditions of the vessel changes The vibration signal is directly used in the vibration control device.
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