KR850000922B1 - 선박용 강체돛의 제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

선박용 강체돛의 제어방법

제1도는 선행발명의 돛이 퍼졌을 때의 강체돛의 평면도.

제2도는 동 정면도.

제3도는 돛이 접혔을 때의 동평면도.

제4도는 동 정면도.

제5도는 본 발명 방법의 1실시예를 나타내는 설명도.

제6도는 풍향평활화(平滑化)처리논리를 나타내는 도면.

제7도는 풍향의 설명도.

제8도는 상대풍속, 진풍속(眞風速), 상대풍향 및 선박속도의 관계를 표시하는 도면.

제9도는 풍력을 배의 추진력으로 하여 안전하고도 유효하게 사용할 수 있는 조건을 나타내는 도면.

제10도는 상대풍향과 돛의 각도 설정치와의 관계를 표시하는 도면.

제11도는 돛의 각도 제어의 순서를 나타내는 도면.

본 발명의 선박용 강체돛의 제어방법에 관한 것이다.

최근 에너지 절약 대책의 하나로서 선박에 강체돛을 장착하여, 풍력을 선박의 주행에 이용하는 시도가 행해지고 있다. 또, 여기서 말하는 선박이란 통상의 화물선, 상선을 물론이고, 거룻배등도 포함한다.

본원 발명자등은 일본국 특원소 53-109759호, 특원소 53-110626호, 특원소 53-111743호, 특원소 53-111744호 등, 선박용 강체돛에 관하여 여러가지 발명을 해왔다.

예를들면 일본국 특원소 53-111744호(이하 선행 발명이라 칭함)에 기재된 강체돛은 제1도 및 제2도에 도시된 바와같이, 마스트(1)에 고정된 중앙강체돛(2)와 중앙강체돛(2)의 양측에 중앙강체돛(2)에 대하여 자유로이 접을 수 있도록 장치한 측부강체돛(3)과 마스트(1)의 양측에 상하방향으로 미끄럼 가능하게 장치한 스핀들(4)와, 스핀들(4)와 측부강체돛(3)에 양단을 각각 상하 방향으로 회전가능하게 장착한 복수개의 아암(5)를 가지고, 스핀들(4)를 상하로 이동 시킴에 의해 아암(5)를 통하여 측부강체돛(3)을 펴고, 스핀들(4)를 하방으로 이동시킴에 의해 아암(5)를 통하여 측부강체돛(3)을 제3도 및 제4도에 도시하는 바와 같이 접도록 한 것이다.

선행발명의 선박용 강체돛은 상기와 같이 스핀들(4)를 상하 이동시킴에 의해 쉽게 접었다 폈다할 수 있으나, 시시각각으로 변화하는 바다위의 풍속 및 풍향을 파악하여 확실하고 안전하게 강체돛을 접었다 폈다하고 돛의 각도를 조정하는 것은 사람의 손으로 실시하기가 불가능하고, 따라서 소정의 제어장치가 반드시 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 관점에서 시시각각으로 변화하는 해상의 풍속 및 풍향에 따라 확실하고도 안전히게 강체돛을 접었다 폈다하고 돛의 각도를 제어하도록 연구된 것이다.

상대풍속치 및 상대풍향치를 각각 소정의 시간 간격으로 측정하여 이들 측정결과에 대하여 소정의 연산방법에 의하여 평활화 처리를 실시하고, 다음세 상기 평활화 처리를 실시한 상대풍속치 및 상대풍향치를 사용하여 진풍속치는 연산하고 그 진풍속치와 평활화된 상대풍속치 및 풍향치가 소정의 돛펴짐 가능조건을 만족하고 있는지의 여부를 판정하고, 이 판정결과에 따라서 좌우돛을 접었다 폈다함과 동시에 좌우돛이 완전히 펴졌을때 최대의 추진력을 지니며, 완전히 접혔을때 바람의 저항을 최소로 되도록하는 풍향에 대한 돛의 최적 각도를 연산하여 이 연산결과에 따라서 돛의 각도를 제어하는 데에 특징이 있다.

본 발명을 실시예를 따라 도면을 참조하면서 설명한다.

제5도는 본 발명에 관한 방법을 상기의 선행발명에 적용한 경우의 설명도로서, 제1도 내지 제4도와 동일번호는 동일 부품을 표시한다.

제5도에서 (6)은 풍속 풍향계, (7)은 연산처리장치, (8)은 돛을 펴고 접게하기 위한 유압제어장치, (9)는 유압제어장치 (8)에 의하여 제어되는 스핀들(4)를 상하 이동시키는 유압실린더, (10)은 돛펴짐 완료 및 돛접힘완료의 신호를 연산처리장치(7)에 보내는 리밋스위치, (11)은 돛의 각도 검출기, (12)는 돛구동제어장치, (13)은 돛회선용 유압 제어장치, 그리고, (14)는 유압제어장치(13)에 의하여, 제어되어, 감속기어(15)를 통하여 마스트(1)을 선회시키는 돛선회용 유압모우터이다.

연산처리 장치(7)은 풍속풍향계(6)에 의해 계측된 순간 상대풍속 및 순간상대풍향 θ를 평활화 처리하고, 다음에 평활화한 풍속과 풍향이 소정의 돛퍼짐 가능조건을 만족하고 있으냐의 여부를 판정하여 그 판정에 따라서 유압제어장치(8)에 대하여, 돛펴짐 또는 돛접힘 지령신호 C₁을 발신한다. 유압제어장치(8)은 지령신호를 받아서 스핀들(4)에 설치된 유압실린더(9)에 유압을 공급하고, 이리하여 돛의 펴짐과 접힘에 대한 제어가 실시된다. 돛펴짐 또는 돛접힘의 동작이 완료되면, 리밋스위치(10)이 작동하여 연산처리 장치(7)이 돛펴짐 완료 또는 돛접힘 완료의 접점신호를 받아서 돛펴짐 및 접힘동작의 완료를 확인한다.

다음에 연산처리장치(7)은 평활화된 풍향에 대한 돛의 최적각도를 연산하여 이 연산결과를 돛의 각도 설정치 α_r로 하여, 그 돛의 각도 설정치 α_r와 돛의 각도 검출기(11)에 의하여 검출된 실제의 돛의 각도 α와의 편차 ε를 구한다. 돛구동 제어장치(12)는 편차 ε에 상응한 돛선회 지령신호 C₂를 돛선회용 유압제어장치(13)으로 보낸다. 이리하여, 돛은 요구되는 각도 만큼 유압모우터(14) 및 감속기어(15)를 통하여 선회하게 된다.

이상이 본 발명에 관한 방법의 개략을 설명한 것이나, 다음에 연산처리장치(7) 및 돛구동 제어장치(12)의 기능에 대하여 설명한다.

제1의 기능은 풍속 및 풍향의 순시치(瞬時値)를 평활화하는 기능이다. 풍속풍향계(6)에 의하여 얻어지는 상대풍속치 ν 및 상대풍향치 θ는 상당히 높은 주파수의 변동 성분을 포함하고 있으므로 이것을 직접 제어에 사용하기는 부적당하고, 소정의 평활화 처리가 필요하다.

평활화의 방법은 다음 2방법 중 어느 하나를 이용한다.

평활화 방법 1

일정한 샘플링주기로 샘플링된 데이터의 산술 평균을 취하여 그것을 풍속, 풍향의 기준치로 한다.

연산은 다음의 식에 의거한다.

χ_n=(χ₁+χ₂+……+χ_n-1+χ_n)/n……(1)

평활화 방법 2

입력데이터 1차의 지연요소를 곱하여, 입력의 고주파수성분(高周波數成分)을 커트하고, 그것을 풍속, 풍향의 기준치로 한다.

연산은 다음식에 의한다.

χ_n=χ_n-1+(χ_n-χ_n-1)exp(-aΔt)……(2)

단, χ_n: n개의 측정치를 평활화한 상대풍향치 또는 상대풍속치, χ_n-1: n-1개의 측정치를 평활화한 상대풍향치 또는 상대풍속치.

χ_n: n번째의 측정상대풍속치 또는 측정상대풍향치.

χ_n-1: n-1번째 측정상대풍속치 또는 측정상대풍향치.

n : 방법 1에 있어서의 측정치의 수, a : 방법 2에서 1차 지연의 시정수를 결정하는 계수, Δt : 측정시간 간격.

풍속의 평활화의 경우는 상기식 (1), (2)을 어느 것이나 그대로 적용할 수 있으나 풍향에 관해서는 풍향이 한쪽 방향으로, 즉, 시계방향회전 또는 시계반대방향 회전으로 360°이상변화 했을 경우에는 반드시 입력 데이터에 불연속점이 발생한다.

따라서, 본 발명에서는 입력 데이터 χ_n,χ_n-1등에서 연산되는 X_n의 값에 대하여 상기(1), (2)식을 적용한다. X_n을 구하는 논리를 제6도에 표시한다.

예를들면 입력데이터가 -160°→+170°의 경로로 변화했을때에는 다음에 표시하는 바와같이, χ_n-1과 X_n에 관해서는 연속한 영으로 변화된다. 즉,

입력데이터 χ_n-1=-160°→χ_n=+170°

변환후데이터 X_n-1→X_n=X_n-1-30°

또 제7도에 표시하는 바와같이 입력 데이터 χ_n의 취할 수 있는 범위는 -180°+180°이나, 변환후의 데이터 X₁에서는 상기 범위외의 값이되는 일도 있다. 따라서 평활화된 최종결과 χ_n의 값이 예를들면 -200°라는 값을 취했을 경우에는 그것을 재차 +20°로 변환한다. 이 경우에 평활화의 ㅈ어도는 상기 (1), (2)식에 있어서의 측정시간간격 Δt, 측정치수 n, 시정수를 결정하는 계수 a의 각 값을 적당히 선택함으로써 자유로이 변경시킬 수 있다.

제2의 기능은 상대풍속 및 상대풍향의 상태를 조사하여 풍력이 배의 추진력으로서 안전하고 유효하게 이용이 가능한지의 여부를 판정하는 기능이다. 판정조건으로서 상대풍속치과 상대풍향치에 대하여 다음의 3항목을 설정한다.

(Ⅰ) 평활화한 상대풍속치가 20m/sec이하라야 할것.

(즉,

20m/sec 단, ν는 평활화한 상대풍속치)

(Ⅱ) 진풍속치가 20m/sec이하라야 할것.

(즉, ν_a

20m/sec 단, ν_a; 진풍속)

(Ⅲ) 상대풍향이 어느정도이상 역풍이 아니라야 할것.

(즉, θ

θ_min단, θ는 평활화한 상대풍향치, θ_min는 강체돛이 효과적인 추진력을 발회하는 상기 θ의 하한치)

상대풍속치 ν, 진풍속치 ν_a, 평활화된 상대풍향치 θ 및 배의속도 ν_s의 관계를 제8도에 표시한다. 또, 그관계를 수직으로 표시하면 다음의 식이 된다.

상기(Ⅰ) 및 (Ⅲ)의 조건에 대하여는 풍속풍향계에 의하여 얻어진 데이터를 각각 소정의 제한치와 비교함으로써 쉽게 판정할 수 있다. (Ⅱ)의 조건에서는 직접 계측이 불가능한 진풍속치가 문제가 되어 있으므로, 상기(3)식을 이용하여 그 조건판정을 한다. 본 발명에서는 (3)식의 진풍속치 ν_a에 20의 제한치를 대입하여 그것을 ν에 대한 식으로 만든다.

(4)식은 ν_a=20이 될때의 평활화된 상대풍속치 ν를 평활화될 상대풍향치 θ 및 선박속도 ν_s의 관계로서 표시한 것이다. 또, (4)식에서 선박속도 ν_s를 일정치로 간주할 수 있을 경우에는 상기(Ⅱ)의 조건판정은, 평활화된 상대풍향치 θ와 평활화된 상대풍속치 ν과의 2개의 입력에 의하여 가능해진다. 즉, 평활화된 상대풍향치 θ를 상기(4)식의 우변에 대입해서 얻은 겁ㅅ과 실제로 계측되어 평활화된 상대풍속치 ν를 비교해서 전자가 후자보다 크면 상기조건(Ⅱ)는 충족된 것이다.

제9도는 상기 3개의 조건에 의하여 결정되는 풍력이용 가능 영역을 표시한다.

제3의 기능은 평활화된 상대풍향치에 대하여 돛의 최적 각도를 산출하는 기능으로, 최적 각도를 산출할때 이용하는 연산식은 제10도에 표시하는 바와같이 돛의 펴짐시와 돛의 접힘시에 서로 상이하다. 즉, 돛의 펴짐시에는 추진력을 최대로 하는 펴짐각도를, 그리고 돛의 접힘시에는 저항을 최소로하는 돛의 각도를 구하게된다.

제4의 기능은 상기 돛의 각도 설정치와 실제의 돛의 각도간의 편차를 구하여, 그것에 따라 돛선회용 유압제어장치(13)에 선회지령을 출력하는 기능으로서, 이때 돛선회용의 유압모우터(14)를 ON-OFF동작 시킴에 의해 돛의 각도를 제어할 때에는 선회지령은 접점출력으로 실시하고, 또, 유압모우터의 속도 조작에 의하여 돛의 각도를 제어할때에는 상기 편차에(비례), (비례+적분) 또는 (비례+적분+미분)처리를 실시하고 선회지령으로는 D/A변환기를 통한 아날로그 출력으로 한다. 제11도에 돛의 각도제어의 순서도를 도시한다.

이상 설명한 바와같이 본 발명에 의하면 시시각각으로 변화하는 해상의 풍속, 풍향을 파악하여 확실하고 안전하게 강체돛을 자동 조작할 수 있는 극히 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 선박의 갑판상의 회전이 가능한 마스트(mast)에 폈다 접었다가 가능하게 부착된 상기 마스트와 함께 회전하는 적어도 좌우 양 돛으로 구성되는 선박용 강체돛의 제어방법에 있어서, 상대풍속치 및 상대풍향치를, 각각, 소정시간간격 마다 측정하고 상기 측정된 복수개의 상대풍속치 및 상기 측정된 복수개의 상대풍향치를, 각각 소정시간 간격 마다 평활화하고, 그 평활화한 상대풍속치 및 그 평활화한 상대풍향치를 사용하여 진풍속치를 연산하고, 그 평활화한 상대풍속치 평화화한 상대풍향치 및 상기연산한 진풍속치의 각각이, 하기조건(Ⅰ)에서 (Ⅱ)의 돛펴짐 가능조건을 만족하고 있는가 여부를 판정하고,

   (Ⅰ) ν

   

   20m/sec

   다만, ν ; 평활화한 상대풍속치

   (Ⅱ) ν_a

   

   20m/sec

   다만, ν_a; 상기 연산된 진풍속치.

   및, (Ⅲ) θ

   

   θ_min

   다만, θ : 평활화한 상대풍향치, 및 θ_min: 강체돛이 효과적인 추진력을 발휘할 수 있는 상기 "θ"의 하한치.

   상기, 판정결과에 따라서, 좌우양돛을 접었다 폈다하고, 돛을 폈을때에는 돛의 추진력이 최대가 되고, 돛을 접었을 때에는 양돛의 바람에 의한 저항이 최소가 되는 돛의 최적각도를 연산하고, 그리고 실제의 돛의 각도가, 상기연산된 돛의 최적 각도와 일치하도록 돛의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 선박용 강체돛의 제어방법.

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