KR20150089162A - System for processing ballast water with variable output and multi channel type UV processing apparatus, and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 주파수 변조방식을 이용하여 실시간 출력가변 제어가 가능한 선박 평형수 처리 시스템을 기반으로 제어규칙의 변경이 용이하고 강인(robust)한 특성을 갖는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet treatment apparatus and a control method thereof, and more particularly, to a ship ballast water treatment system having an output variable type multi- 0001] The present invention relates to a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray treatment apparatus having a control characteristic changeable and robust characteristics, and a control method thereof.
선박 평형수(Ballast Water)은 선박 특히 대형선박은 무게중심을 맞추기 위해 선박의 하부 영역에 채워진 해수를 의미한다. Ballast water refers to seawater filled in the lower area of a ship in order to match the center of gravity of a ship, especially a large ship.
보다 구체적으로, 선박 평형수는 선박의 안정성 유지를 위한 필수 요소로서, 군함 등과 같이 적재화물의 변동이 작은 경우 적재량이 작으나, 일반 상선과 같이 적재화물의 변동량이 큰 경우 필요한 선박 평형수양도 비례적으로 많아진다. 일반 화물선의 경우에는 화물 적재량의 약 30~40%에 해당하는 선박 평형수를 적재한다. More specifically, ship ballast water is an essential element for maintaining the stability of a ship. When the variation of the cargo is small, such as warship, the load is small. However, when the variation of the cargo is large, . In the case of general cargo ships, the ballast water equivalent to about 30% to 40% of the cargo load shall be loaded.
선박 평형수 처리에 사용할 수 있는 처리기술은 크게 물리적 처리기술과 화학적 처리기술로 분류할 수 있다. 물리적 처리기술에는 여과 또는 막(membrane) 분리, 원심분리, 자외선 조사, 가열, 초음파 처리, 캐비테이션(cavitation), 탈 산소 등의 기술이 있으며, 화학적 처리기술에는 염소처리와 오존처리, 그리고 과산화수소, 이산화염소 등 화학약품으로 처리하는 기술이 있다. The treatment techniques that can be used for ballast water treatment can be roughly divided into physical treatment and chemical treatment. Physical treatment techniques include filtration or membrane separation, centrifugation, ultraviolet irradiation, heating, ultrasonic treatment, cavitation, and deoxygenation. Chemical treatment techniques include chlorination and ozone treatment, and hydrogen peroxide, There is a technology to treat with chemicals such as chlorine.
화학적 처리방법 중에는 염소, 오존, 이산화 염소 등을 현장에서 생성시켜 처리하는 기술과 미리 조제된 화학약품을 투입하는 기술이 사용되고 있다. 또한 개발되고 있는 처리장치는 단일 기술을 적용하는 처리장치 외에 몇 가지 물리적, 화학적 처리기술을 혼용한 처리장치가 개발되고도 있다.Among the chemical treatment methods, a technique of generating and treating chlorine, ozone, and chlorine dioxide on the site and a technique of putting in a previously prepared chemical are used. In addition, processing apparatuses which are developed have a processing apparatus which uses a single technology, and a processing apparatus which combines several physical and chemical processing techniques.
이러한 선박 평형수 처리에 있어서, 해당 기술분야에 있어서는 살균 처리시 전압, 전류, 주파수, 소자 온도의 최적 제어를 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
In such ship ballast water treatment, development of technology for optimal control of voltage, current, frequency, and device temperature in sterilization processing is required in the related technical field.
[관련기술문헌][Related Technical Literature]
1. 밸러스트수 처리 시스템 (특허출원번호 제10-2008-0119604호)1. Ballast water treatment system (Patent Application No. 10-2008-0119604)
2. 해수 전기분해를 이용한 선박 평형수 처리장치 (특허출원번호 제10-2009-0049130호)2. Ballast water treatment system using seawater electrolysis (Patent Application No. 10-2009-0049130)
3. 선박평형수 처리방법 및 처리장치 (특허출원번호 제10-2010-0035311호)
3. Ship Ballast Water Treatment Method and Treatment Apparatus (Patent Application No. 10-2010-0035311)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시스템 운용 중 제어대상 특성이 변할 경우와 운용자가 PID 파라미터 조정에 익숙하지 못할 경우 등에서 제어성능이 떨어지는 한계점을 해결하도록 하기 위한 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to provide an output variable multichannel ultraviolet ray processing apparatus for solving the limitation of deterioration in control performance when the control object characteristic changes during operation of the system and when the operator is unfamiliar with PID parameter adjustment And a method of controlling the same.
또한, 본 발명은 주파수 변조방식을 이용하여 실시간 출력가변 제어가 가능한 선박 평형수 처리 시스템을 기반으로 제어규칙의 변경이 용이하고 강인(robust)한 특성을 갖도록 하기 위한 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides an output variable multi-channel ultraviolet processing apparatus for easily changing control rules and having robust characteristics based on a ship ballast water treatment system capable of real time output variable control using a frequency modulation method And a method of controlling the same.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템은, 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)와 살균을 위한 챔버(20)의 일체형으로 형성되는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템에 있어서, 살균을 위한 챔버(20)는 다수의 자외선 램프(21), 광량센서(CH1 내지 CH8)(22), 온도센서(23) 및 탁도센서(24)를 포함하며, 해수 유입 이후, 챔버내의 입력을 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)로 수행하며, 해수를 밸러스트(10a)로 이동시키며, 밸러스트(10a)에 형성되는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 3상 입력(3 phase input)(11), 정류기(Rectifier)(12), DC/DC 컨버터(DC/DC Converter)(13), 점화기(Ignitor)(14), 아날로그 컨트롤러(Analog controller)(15), 디지털 컨트롤러(Digital controller)(16), 프론트 컨트롤 보드(Pront Control Board)(17), 외부 인터페이스 보드(External interface board)(18), 인터페이스(Interface)(19), 디지털 입력(Digital input)(19a), 아날로그 입력(Analog input)(19b) 및 커뮤니케이션부(Communication)(19c)를 포함하며, 디지털 컨트롤러(16)는 살균을 위한 챔버(20) 내의 광량센서(22), 온도센서(23), 탁도센서(24)를 이용하여 살균을 위한 챔버(20) 내에 유입된 해수의 광량, 온도, 탁도를 실시간으로 측정하여 구축되어있는 데이터베이스(DB)와 비교한 뒤, 다수의 자외선 램프(21)를 제어하여, 최소의 전력을 사용하여 살균 처리시 전압, 전류, 주파수, 소자 온도의 최적 제어를 위해 퍼지 PID 제어기(40)를 적용하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet treatment apparatus according to an embodiment of the present invention includes an output variable multi-channel ultraviolet treatment apparatus 10 and an integrated
이때, 퍼지 PID 제어기(40)를 구성하는 퍼지 제어부(40u)는 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41), 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42), 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 구비하며, 온도센서(23)에서 측정된 온도 오차와 오차변화율을 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41)을 이용해 각각의 언어값과 소속함수로 바꾸어 주고, 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42)을 이용해 퍼지추론을 수행하여 결론을 추론하며, 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 이용해 최종적으로 비퍼지화가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템. At this time, the
또한, 퍼지 PID 제어기(40)를 구성하는 퍼지 제어부(40u)는 광량센서(CH1 내지 CH8)(22)에 의해 측정된 광량 오차, 탁도센서(24)에 의해 측정된 탁도 오차에 대해서도 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41), 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42), 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)에 의한 비퍼지화가 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.The
또한, 퍼지 PID 제어기(40)에 대한 비례이득, 적분이득에 대한 퍼지 제어규칙을 , , 으로 구현하거나 으로 구현하며, R(t)는 입력 값, Y(t)는 측정값, e(t)는 기준온도와 측정된 온도의 오차, △e(t)는 오차변화율을 의미하는 것을 특징으로 한다. Further, the proportional gain for the fuzzy PID controller 40, the fuzzy control rule for the integral gain , , Or (T) is the measured value, e (t) is the error between the reference temperature and the measured temperature, and Δe (t) is the error rate.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템의 제어방법은, 전압, 전류, 주파수, 소자 온도의 최적 제어를 위해 퍼지 PID 제어기(40)를 적용하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10), 그리고 살균을 위한 챔버(20)의 일체형으로 형성되는 선박 평형수 처리 시스템의 제어 방법에 있어서, 퍼지 PID 제어기(40)를 구성하는 퍼지 제어부(40u)는, 온도센서(23)에서 측정된 온도 오차와 오차변화율을 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41)을 이용해 각각의 언어값과 소속함수로 바꾸어 주고, 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42)을 이용해 퍼지추론을 수행하여 결론을 추론하며, 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 이용해 최종적으로 비퍼지화가 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, a control method of a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus according to an embodiment of the present invention includes a fuzzy PID controller (for controlling the voltage, current, frequency, And a
본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법은, 시스템 운용 중 제어대상 특성이 변할 경우와 운용자가 PID 파라미터 조정에 익숙하지 못할 경우 등에서 제어성능이 떨어지는 한계점을 해결하는 효과를 제공한다. The ship ballast water treatment system and its control method having an output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus according to an embodiment of the present invention can be applied to a ship ballast water treatment system and a control method thereof in a case where control target characteristics are changed during system operation and an operator is unfamiliar with PID parameter adjustment This provides the effect of resolving the falling threshold.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법은, 주파수 변조방식을 이용하여 실시간 출력가변 제어가 가능한 선박 평형수 처리 시스템을 기반으로 제어규칙의 변경이 용이하고 강인(robust)한 특성을 갖도록 하는 효과를 제공한다.
In addition, the ship ballast water treatment system and the control method thereof having the output variable multi-channel ultraviolet treatment apparatus according to another embodiment of the present invention can be applied to a ship ballast water treatment system capable of real time output variable control using a frequency modulation method It is possible to change the control rule easily and robustly.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템과 연계된 네트워크 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템을 설명하기 위한 PID 제어기(30)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템에서 사용되는 퍼지 PID 제어기(40)의 퍼지 제어부(40u)에 의해 적용된 광량, 온도, 탁도 제어기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템에서 사용되는 퍼지 PID 제어기(40)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법에서 사용되는 KP의 퍼지 제어 규칙과 KI의 퍼지 제어 규칙을 나타내는 도표이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템 및 그의 제어방법에서 사용되는 e(t)의 멤버쉽함수, △e(t)의 멤버쉽함수, KP의 멤버쉽함수, KI의 멤버쉽함수를 나타내는 도면이다. 1 is a view illustrating a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a network configuration associated with a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a
4 is a graph showing the relationship between the amount of light, the temperature, and the turbidity control technique applied by the
5 is a diagram for explaining a configuration of a fuzzy PID controller 40 used in a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a fuzzy control rule of the fuzzy control rules, K P and K I is used in the ballast water treatment system and its control method having a variable output multichannel UV treatment device in the embodiment;
7 is a membership function, K P of e (t) membership function, △ e (t) of which is used in the ballast water treatment system and its control method having an output variable multichannel UV treatment device according to an embodiment of the present invention And a membership function of K I.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.
In the present specification, when any one element 'transmits' data or signals to another element, the element can transmit the data or signal directly to the other element, and through at least one other element Data or signal can be transmitted to another component.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템은 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)와 살균을 위한 챔버(20)의 일체형으로 형성된다. 1 is a view illustrating a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet treatment apparatus is integrally formed with an output variable type multi-channel ultraviolet treatment apparatus 10 and a
보다 구체적으로, 밸러스트(10a)에 형성되는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 3상 입력(3 phase input)(11), 정류기(Rectifier)(12), DC/DC 컨버터(DC/DC Converter)(13), 점화기(Ignitor)(14), 아날로그 컨트롤러(Analog controller)(15), 디지털 컨트롤러(Digital controller)(16), 프론트 컨트롤 보드(Pront Control Board)(17), 외부 인터페이스 보드(External interface board)(18), 인터페이스(Interface)(19), 디지털 입력(Digital input)(19a), 아날로그 입력(Analog input)(19b) 및 커뮤니케이션부(Communication)(19c)를 포함한다.More specifically, the output variable multi-channel ultraviolet processing apparatus 10 formed on the ballast 10a includes a three-phase input 11, a
한편, 살균을 위한 챔버(20)는 다수의 자외선 램프(21), 광량센서(CH1 내지 CH8)(22), 온도센서(23) 및 탁도센서(24)를 포함하며, 해수 유입 이후, 챔버내의 입력을 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)로 수행하며, 해수를 밸러스트(10a)로 이동시킨다. On the other hand, the
여기서, 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 해수의 탁도 및 온도변화에 대한 정밀 제어를 수행하며, 선박시스템에 호환이 가능하도록 최적화할 수 있다. 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)의 사용자단말(1) 등과 같은 외부장치와의 인터페이스 방식은 인터페이스(Interface)(19)에 대한 제어를 통해 RS-232, RS-485 통신방식을 사용하고, 프로토콜은 MODBUS를 사용한다. Here, the output variable multi-channel ultraviolet processing device 10 performs precise control of turbidity and temperature change of seawater, and can be optimized to be compatible with the ship system. The output variable multichannel ultraviolet processing apparatus 10 uses an RS-232 or RS-485 communication method through control over an interface 19, such as the
출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 인터페이스(Interface)(19)에 의한 완벽하게 외부장치로의 데이터 송수신이 가능하며, 풀 디지털 컨트롤(full digital control)을 수행하는 디지털 컨트롤러(Digital controller)(16)의 제어를 통해 수백 대의 안정기를 한 대의 사용자 단말(2)로 제어하고 모니터링 할 수 있도록 하며, 이러한 구성 네트워크는 도 2와 같이 형성될 수 있다. 이에 따라 브릿지 룸(Bridge Room)에서 엔진룸의 상태에 대한 모니터링이 가능하다.
The output variable type multi-channel ultraviolet ray processing apparatus 10 is capable of transmitting and receiving data to / from an external device completely by an interface 19 and is provided with a digital controller (full digital control) 16 to control and monitor hundreds of ballasts with one user terminal 2. Such a configuration network can be formed as shown in FIG. Thus, the status of the engine room can be monitored in the Bridge Room.
한편, 도 1의 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 주파수 변조방식을 이용하여 실시간 출력가변 제어가 가능하다.Meanwhile, the output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus 10 of FIG. 1 is capable of real-time output variable control using a frequency modulation method.
디지털 컨트롤러(16)는 살균을 위한 챔버(20) 내의 광량센서(22), 온도센서(23), 탁도센서(24)를 이용하여 살균을 위한 챔버(20) 내에 유입된 해수의 광량, 온도, 탁도를 실시간으로 측정하여 구축되어있는 데이터베이스(DB, 도 5의 지식 베이스(Knowledge Base) 참조)와 비교한 뒤, 다수의 자외선 램프(21)를 제어함으로써, 최소의 전력을 사용하여 살균 처리한다.The
본 발명에서는 디지털 컨트롤러(16)는 전압, 전류, 주파수, 소자 온도 등의 최적 제어를 위해 기본적으로 도 3과 같은 PID 제어기(30)를 적용한다. In the present invention, the
도 3을 참조하면, PID 제어기(30)는 기본적으로 피드백(feedback) 제어기의 형태이며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 또는 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차 값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산한다. Referring to FIG. 3, the
여기서 출력값(output)은 주파수 및 전력에 대해 측정되며, 참조값은 데이터베이스에(DB)에 포함된 기준값을 의미한다. PID 제어기(30)는 하기의 [수학식 1]과 같이 세 개의 항을 더하여 제어값(MV: Manipulated Variable)을 연산한다.
Here, the output is measured for frequency and power, and the reference value means a reference value included in the database (DB). The
도 3을 참조하면, PID 제어기(30)의 구성은 비례(P)항 연산부(31), 적분(I)항 연산부(32), 미분(D)항 연산부(33)를 포함한다. 3, the configuration of the
비례(P)항 연산부(31)는 현재 상태에서의 오차 값의 크기에 비례한 제어작용을 수행하며, 적분(I)항 연산부(32)는 정상상태(steady-state) 오차를 없애는 작용을 수행하며, 미분(D)항 연산부(33)는 출력값(output)의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛(overshoot)을 줄이고 안정성(stability)을 향상시킨다. The proportional (P)
여기서, 제어점을 효율적으로 유지하기 위하여 PID 제어기(30)의 파라미터 Kp, Ki, Kd을 스텝 응답법을 이용하여 튜닝한다. 각 파라미터는 시행착오 방식(cut and try)으로 실제 제어한 결과에서 최적한 값을 구하고, 구해진 값으로 설정한다. Here, in order to efficiently maintain the control points, the parameters K p , K i , and K d of the
본 발명에서는 제어대상 특성변화 및 부하 외란에 대해 적응성을 갖도록 PID 제어기(30)의 파라미터를 실시간으로 교정하는 퍼지 로직을 적용하는 퍼지 제어부(40u)를 구비한 PID 제어기(30)에 해당하는 퍼지 PID 제어기(40)를 설계한다. In the present invention, the fuzzy PID (corresponding to the PID controller 30) having the
도 4는 퍼지 PID 제어기(40)의 퍼지 제어부(40u)에 의해 적용된 광량, 온도, 탁도 제어기법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining the light amount, temperature, and turbidity control technique applied by the
퍼지 PID 제어기(40)를 구성하는 퍼지 제어부(40u)는 도 4와 같이 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41), 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42), 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 구비한다. 이에 따라, 퍼지 PID 제어기(40)는 퍼지 제어에 의한 퍼지화를 통해 제어 시스템에 해당하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템(1) 상의 온도센서(23)에서 측정된 온도 오차와 오차변화율을 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41)을 이용해 각각의 언어값과 소속함수로 바꾸어 주고, 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42)을 이용해 퍼지추론을 수행함으로써 결론을 추론하며, 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 이용해 최종적으로 비퍼지화가 수행되도록 한다. 여기서 온도센서(23)에 의해 측정된 온도 오차를 기준으로 설명하나, 광량센서(CH1 내지 CH8)(22)에 의해 측정된 광량 오차, 탁도센서(24)에 의해 측정된 탁도 오차로의 변형도 가능하다. The
PID 제어기(30)만을 갖는 경우와 비교하면, 퍼지 PID 제어기(40)는 숙련자의 경험적 지식과 조작행위를 모델링하여 각각의 상황에 따라 자체적으로 제어규칙을 작성하기 때문에 기존의 제어 알고리즘으로 분석하기에 복잡한 시스템의 경우나 시스템에 대한 정보가 정성적인 경우에 적합하다.Compared with the case of having only the
또한 퍼지 PID 제어기(40)는 근사 추론과정이 필요하고 제어기가 복잡한 반면, 제어규칙의 변경이 용이하고 강인(robust)한 특성을 갖는다.
Also, the fuzzy PID controller 40 requires an approximate reasoning process and the controller is complicated, while the control rule is easy to change and robust.
보다 구체적으로 도 5를 참조하면, 퍼지 PID 제어기(40)에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다. 종래의 PID 제어기(30)가 갖는 중요한 문제점은 시스템 운용 중 제어대상 특성이 변할 경우와 운용자가 PID 파라미터 조정에 익숙하지 못할 경우 등에서 제어성능이 떨어진다. 이에 따라 본 발명에서는 제어대상 특성변화 및 부하 외란에 대해 적응성을 갖도록 PID 제어기(30)의 파라미터를 실시간으로 교정하는 퍼지 로직 적용을 위한 퍼지 PID 제어기(40)를 제시한다.More specifically, referring to FIG. 5, the fuzzy PID controller 40 will be described in detail. A major problem with the
PID 제어기(30)와 비교하여 숙련자의 경험적 지식과 조작행위를 모델링하여 각각의 상황에 따라 자체적으로 제어규칙을 작성하기 때문에 기존의 제어알고리즘으로 분석하기에 복잡한 시스템의 경우나 시스템에 대한 정보가 정성적인 경우에 적합하다. 또한 근사 추론과정이 필요하고 제어기가 복잡한 반면, 제어규칙의 변경이 용이하고 강인한 특성이 있다. Since the control rule is created according to each situation by modeling the experiential knowledge and the manipulation behavior of the expert in comparison with the
퍼지제어 과정은 도 4에서 도시된 바와 같이, 크게 퍼지화, 퍼지추론, 비퍼지화의 세부분으로 나눌 수 있다. 퍼지제어는 퍼지화를 통해 제어시스템에서 측정된 온도 오차와 오차 변화율을 각각의 언어값과 소속함수로 바꾸어 주고 퍼지추론을 통해 비퍼지화 한다. As shown in FIG. 4, the fuzzy control process can be largely divided into three parts: fuzzy, fuzzy inference, and non-fuzzy. In the fuzzy control, the temperature error and error rate measured in the control system are changed into the respective language values and membership functions through the fuzzy control, and the fuzzy inference is performed through the fuzzy inference.
일반적인 PID 제어기(30)는 오버슛이 발생했을 때는 적분이득을 조금 줄이고 정상상태에서 미세한 진동이 발생하였을 때는 미분이득을 조금 증가시킨다. 또한, 퍼지 제어기(30)는 오버슛의 진폭이 클 때는 비례이득을 감소시킴으로써 과도상태에서의 시스템 응답특성을 향상시킬 수 있다. 그러나 하나의 퍼지 제어행렬로 세 개의 이득을 변화시킴으로써 오버슛이 일어나는 경우에 빨리 수렴할 수 없는 단점을 갖고 있다. The
이에 따라, 본 발명에 따른 퍼지 PID 제어기(40)에 대한 비례이득, 적분이득에 대한 퍼지 제어규칙을 도 5와 같이 설계한다. Accordingly, the fuzzy control rule for the proportional gain and the integral gain for the fuzzy PID controller 40 according to the present invention is designed as shown in FIG.
먼저, 퍼지 PID 제어기(40)로의 퍼지입력으로는 설정온도와 차이 값인 오차(error)와 오차변화율을 사용한다. 여기서 PID 제어식은 하기의 [수학식 2]와 같으며, 온도 오차(e(t))는 [수학식 3]과 같으며, 오차 변화율은 [수학식 4]와 같다. 그리고 최종적으로 도 5를 참조하면, [수학식 5]와 같은 형태로 [수학식 2]의 PID 제어식을 표현할 수 있다.
First, as the fuzzy input to the fuzzy PID controller 40, an error and an error change rate, which are difference values from the set temperature, are used. Here, the PID control equation is as shown in the following equation (2), the temperature error e (t) is as shown in equation (3), and the error rate is as shown in equation (4). Finally, referring to FIG. 5, the PID control equation of Equation (2) can be expressed in the form of Equation (5).
여기서 R(t)는 입력 값, Y(t)는 측정값, e(t)는 기준온도와 측정된 온도의 오차, △e(t)는 오차변화율이다. 여기서, 퍼지 PID 제어기(40)는 온도의 오차 폭과 오차변화율이 큰 경우 비례이득과 적분이득을 함께 증가시키고, 오차변화율이 적은 경우 비례이득과 적분이득을 함께 감소시킨다. 퍼지 PID 제어기(40)는 오버슛이 발생한 영역에는 적분이득을 감소시킴으로써 출력이 빠르게 수렴한다.
Here, R (t) is the input value, Y (t) is the measured value, e (t) is the error between the reference temperature and the measured temperature, and Δe (t) is the error rate. Here, the fuzzy PID controller 40 increases both the proportional gain and the integral gain when the temperature error width and the error change rate are large, and decreases the proportional gain and the integral gain when the error rate is small. The fuzzy PID controller 40 quickly converges the output by reducing the integration gain in the area where the overshoot occurs.
도 6은 [수학식 2]에서의 KP의 퍼지 제어 규칙과 KI의 퍼지 제어 규칙을 나타내는 도표이다. 여기서 NB는 Negative Big, NM는 Negative Medium, NS는 Negative Small, ZE는 Zero, PS는 Positive Small, PM은 Positive Big을 의미한다. 6 is a diagram showing a fuzzy control rule of the fuzzy control rules and the K I K P in Equation (2). Here, NB means Negative Big, NM means Negative Medium, NS means Negative Small, ZE means Zero, PS means Positive Small, and PM means Positive Big.
그리고 도 7은 e(t)의 멤버쉽함수, △e(t)의 멤버쉽함수, KP의 멤버쉽함수, KI의 멤버쉽함수를 나타내는 참조도면이다. 도 7의 멤버쉽 함수와 상술한 제어 규칙을 이용하여 퍼지추론의 결과를 비퍼지화 하였으며, 비퍼지화 방법은 무게중심을 사용한다. And Figure 7 is a membership function of e (t) membership function, △ e (t), the membership functions of K P, is a reference diagram showing a membership function of K I. The result of fuzzy inference is fuzzy based on the membership function of Fig. 7 and the control rules described above, and the non-fuzzy method uses the center of gravity.
퍼지로직을 이용한 퍼지 PID 제어기(40)는 오차와 오차변화율에 따라 Kp, Ki, Kd가 얻어진다. 따라서 실시간으로 퍼지 PID 제어기(40)의 제어상수 값을 갱신하며 제어를 수행할 수 있다.
The fuzzy PID controller 40 using the fuzzy logic obtains K p , K i , and K d according to the error and error rate. Therefore, the control constant value of the fuzzy PID controller 40 can be updated and controlled in real time.
한편, 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 3상 입력(3 phase input)(11), 정류기(Rectifier)(12), DC/DC 컨버터(DC/DC Converter)(13), 점화기(Ignitor)(14)를 포함하며, 최적화된 전원부 회로를 갖는다. On the other hand, the output variable multi-channel ultraviolet ray processing apparatus 10 includes a 3-phase input 11, a
한편, 최적화된 전원부 회로는 저주파 PULSE-DC방식 이며, 전면 LCD 채택으로 장비의 모든 상황과 동작상태 표시 가능하고, 전면 택 스위치(Tact S/W)를 이용한 간편한 조작을 수행할 수 있다. On the other hand, the optimized power supply circuit is low-frequency pulsed-DC type, and it can display all status and operation status of the equipment by adopting the front LCD and can perform simple operation using the front tack switch (Tact S / W).
한편, 기존의 선박 경우 엔진룸 내에 BWMS(ballast water management system)를 설치할 공간확보가 어려우며, 이를 위해 배관장치와 전기장치를 분리해서 설치를 해야하는 문제점을 해결하고 전원판넬을 포함하는 프론트 컨트롤 보드(Pront Control Board)(17)와 자외선 램프(21) 간에 거리를 확보하여 형성된다. Meanwhile, it is difficult to secure a space for installing the ballast water management system (BWMS) in the engine room of the existing ship. To solve this problem, a problem has been solved that the piping device and the electric device must be separated from each other, and a front control board Control Board (17) and the ultraviolet lamp (21).
최적화된 전원부 회로에 대한 보호회로 장착으로 과전압, 과전류, 저전압, 인버터 과열, 램프과열 방지 등 내장되어 있으며, AC --> DC --> 주파수 변환 방식방식으로, 전원이 공급된다. 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 UB 램프(21) 및 전원회로 안전장치 구현을 위해 자외선 램프(21)의 냉각 문제로 인한 램프 과열 발생시 자동 모니터링 기능을 내장하며, 일정 과열시 경고 고 일정 수위를 넘어갈 시 자동 전원 차단하며, FET 및 고주파 변압기(Transformer) 과열 보호장치가 내장된다. 뿐만 아니라, 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 디지털 컨트롤러(Digital controller)(16) 내부온도 일정온도 이상시 고용량 팬동작을 통한 강한 배풍능력 보유한다.
It is equipped with protective circuit for optimized power supply circuit. It is equipped with overvoltage, overcurrent, undervoltage, inverter overheat, prevention of lamp overheating, and AC -> DC -> frequency conversion method. The output variable type multi-channel ultraviolet processing apparatus 10 includes an automatic monitoring function in the event of overheating due to a cooling problem of the
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
As described above, preferred embodiments of the present invention have been disclosed in the present specification and drawings, and although specific terms have been used, they have been used only in a general sense to easily describe the technical contents of the present invention and to facilitate understanding of the invention , And are not intended to limit the scope of the present invention. It is to be understood by those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
1: 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템
2: 사용자 단말
10: 출력가변형 다채널 자외선 처리장치
10a: 밸러스트
11: 3상 입력(3 phase input)
12: 정류기(Rectifier)
13: DC/DC 컨버터(DC/DC Converter)
14: 점화기(Ignitor)
15: 아날로그 컨트롤러(Analog controller)
16: 디지털 컨트롤러(Digital controller)
17: 프론트 컨트롤 보드(Pront Control Board)
18: 외부 인터페이스 보드(External interface board)
19: 인터페이스(Interface)(19)
19a: 디지털 입력(Digital input)
19b: 아날로그 입력(Analog input)
19c: 커뮤니케이션부(Communication)
20: 살균을 위한 챔버
21: 자외선 램프
22: 광량센서
23: 온도센서
24: 탁도센서
40u: 퍼지 제어부
41: 퍼지화모듈(Fuzzifier)
42: 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)
43: 비퍼지화모듈(Defuzzifier)
40: 퍼지 PID 제어기1: Ship Ballast Water Treatment System with Output Variable Multi-Channel UV Treatment System
2: User terminal
10: Output variable multi-channel ultraviolet processing device
10a: Ballast
11: Three phase input
12: Rectifier
13: DC / DC converter (DC / DC converter)
14: Ignitor
15: Analog controller
16: Digital controller
17: Front Control Board (Pront Control Board)
18: External interface board
19: Interface (19)
19a: Digital input
19b: Analog input
19c: Communication
20: Chamber for sterilization
21: ultraviolet lamp
22: Light sensor
23: Temperature sensor
24: Turbidity sensor
40u: purge control section
41: Fuzzifier module (Fuzzifier)
42: Fuzzy Inference Unit
43: Defuzzifier module
40: Purge PID controller
Claims (5)
살균을 위한 챔버(20)는 다수의 자외선 램프(21), 광량센서(CH1 내지 CH8)(22), 온도센서(23) 및 탁도센서(24)를 포함하며, 해수 유입 이후, 챔버내의 입력을 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)로 수행하며, 해수를 밸러스트(10a)로 이동시키며,
밸러스트(10a)에 형성되는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치(10)는 3상 입력(3 phase input)(11), 정류기(Rectifier)(12), DC/DC 컨버터(DC/DC Converter)(13), 점화기(Ignitor)(14), 아날로그 컨트롤러(Analog controller)(15), 디지털 컨트롤러(Digital controller)(16), 프론트 컨트롤 보드(Pront Control Board)(17), 외부 인터페이스 보드(External interface board)(18), 인터페이스(Interface)(19), 디지털 입력(Digital input)(19a), 아날로그 입력(Analog input)(19b) 및 커뮤니케이션부(Communication)(19c)를 포함하며,
디지털 컨트롤러(16)는 살균을 위한 챔버(20) 내의 광량센서(22), 온도센서(23), 탁도센서(24)를 이용하여 살균을 위한 챔버(20) 내에 유입된 해수의 광량, 온도, 탁도를 실시간으로 측정하여 구축되어있는 데이터베이스(DB)와 비교한 뒤, 다수의 자외선 램프(21)를 제어하여, 최소의 전력을 사용하여 살균 처리시 전압, 전류, 주파수, 소자 온도의 최적 제어를 위해 퍼지 PID 제어기(40)를 적용하는 것을 특징으로 하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템.
A ship ballast water treatment system having an output variable multi-channel ultraviolet ray treatment apparatus (10) and an output variable multi-channel ultraviolet ray treatment apparatus formed integrally with a chamber (20) for sterilization,
The chamber 20 for sterilization includes a plurality of ultraviolet lamps 21, light amount sensors CH1 to CH8, 22, a temperature sensor 23 and a turbidity sensor 24, Channel ultraviolet processing apparatus 10, and the seawater is moved to the ballast 10a,
The output variable multi-channel ultraviolet processing apparatus 10 formed on the ballast 10a includes a three phase input 11, a rectifier 12, a DC / DC converter 13 An igniter 14, an analog controller 15, a digital controller 16, a front control board 17, an external interface board 17, An interface 19, a digital input 19a, an analog input 19b and a communication unit 19c,
The digital controller 16 uses the light amount sensor 22, the temperature sensor 23 and the turbidity sensor 24 in the chamber 20 for sterilization to measure the light amount of the seawater introduced into the chamber 20 for sterilization, The turbidity is measured in real time and compared with the database (DB) constructed. Then, the ultraviolet lamps 21 are controlled so that optimum control of voltage, current, frequency, and device temperature Wherein the PID controller (40) is applied to the multi-channel ultraviolet processing system.
퍼지화모듈(Fuzzifier)(41), 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42), 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 구비하며,
온도센서(23)에서 측정된 온도 오차와 오차변화율을 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41)을 이용해 각각의 언어값과 소속함수로 바꾸어 주고, 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42)을 이용해 퍼지추론을 수행하여 결론을 추론하며, 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 이용해 최종적으로 비퍼지화가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템.
The apparatus according to claim 1, wherein the purge control unit (40u) constituting the purge PID controller (40)
A fuzzy inference unit 42, and a defuzzifier 43. The fuzzy inference unit 41 is a fuzzy inference unit,
The temperature error and the rate of change of error measured by the temperature sensor 23 are converted into respective language values and belonging functions by using a fuzzy unit 41 and the fuzzy inference unit 42 And the final fuzzy filtering is performed using a defuzzifier (43). The system for processing a ballast water having an output variable multi-channel ultraviolet processing apparatus according to claim 1,
광량센서(CH1 내지 CH8)(22)에 의해 측정된 광량 오차, 탁도센서(24)에 의해 측정된 탁도 오차에 대해서도 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41), 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42), 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)에 의한 비퍼지화가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템.
The system according to claim 2, wherein the purge control unit (40u) constituting the purge PID controller (40)
A fuzzy inference unit 41 and a fuzzy inference unit 42 for the turbidity error measured by the turbidity sensor 24 and the light amount error measured by the light amount sensors CH1 to CH8, ) And a defuzzifier (43) to perform the defuzzification. The system for processing a ballast water according to claim 1,
퍼지 PID 제어기(40)에 대한 비례이득, 적분이득에 대한 퍼지 제어규칙을 , , 으로 구현하거나 으로 구현하며, R(t)는 입력 값, Y(t)는 측정값, e(t)는 기준온도와 측정된 온도의 오차, △e(t)는 오차변화율을 의미하는 것을 특징으로 하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템.
The method of claim 3,
The proportional gain for the fuzzy PID controller 40, the fuzzy control rule for the integral gain , , Or (T) is the error between the reference temperature and the measured temperature, and? E (t) is the error rate of change. A ship ballast water treatment system having a variable multi - channel ultraviolet treatment device.
퍼지 PID 제어기(40)를 구성하는 퍼지 제어부(40u)는,
온도센서(23)에서 측정된 온도 오차와 오차변화율을 퍼지화모듈(Fuzzifier)(41)을 이용해 각각의 언어값과 소속함수로 바꾸어 주고, 퍼지 추론 유닛(Fuzzy Inference Unit)(42)을 이용해 퍼지추론을 수행하여 결론을 추론하며, 비퍼지화모듈(Defuzzifier)(43)을 이용해 최종적으로 비퍼지화가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 출력가변형 다채널 자외선 처리장치를 갖는 선박 평형수 처리 시스템의 제어방법.Channel ultraviolet ray processing apparatus 10 to which a fuzzy PID controller 40 is applied for optimal control of voltage, current, frequency, and device temperature, and a chamber 20 for sterilization. In a control method of a system,
The fuzzy controller 40u, which constitutes the fuzzy PID controller 40,
The temperature error and the rate of change of error measured by the temperature sensor 23 are converted into respective language values and belonging functions by using a fuzzy unit 41 and the fuzzy inference unit 42 The method according to claim 1, further comprising the step of performing inference and deducing the conclusion, and finally performing the non-fuzzification using the defuzzifier (43). The control method of the ship ballast water treatment system having the output variable multi- .
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