This dissertation presents a new control algorithm for the dynamic positioning (DP) system of the Arctic offshore vessels, which introduces the icevaning phenomenon in the Arctic operation, as well as a series of experimental results to evaluate the feasibility of the proposed control algorithm. For the development of the new icevaning control algorithm, a mathematical model for an Arctic offshore vessel is summarized. Moreover, a simple and computationally efficient approach for ice load generation in time-domain analysis based on the concept of the ice load spectrum is introduced. To realize the icevaning action of the Arctic offshore vessels without any measurement and estimation of the ice drifting, a task space and a null space are defined and the control law is formulated in the task space. A backstepping technique is utilized to handle the nonlinearity of the Arctic offshore vessel's dynamic model and the Lyapunov stability theory is applied to evaluate the stability of the proposed control algorithm. In addition, thrust allocation methods under mechanical and operational constraints for the Arctic DP system, which generally exhibits over-actuated characteristics, are introduced. The validity and feasibility of the proposed methods are demonstrated with extensive numerical simulations. Moreover, a series of experimental tests is conducted in the ice tank of the Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering. The practical feasibility of the proposed approaches is examined with the model test results.
본 논문에서는 극지 해역 운용을 목표로 하는 해양구조물의 동적위치유지(dynamic positioning) 제어시스템 개발을 위한 모델링 및 빙하중 저감 제어 알고리즘을 제시하며, 제안된 제어 알고리즘의 유빙(drifting ice) 환경 중 동적위치유지 작업에서의 실제적 적용 가능성을 모형시험을 통해 검증한다. 또한 극지 해양구조물의 위치유지 성능평가를 위한 극지 해양구조물 운동 모델을 정립하고, 수치적으로 간단하면서도 효과적인 빙하중 스펙트럼(spectrum) 기반 시간역 빙하중 생성 기법을 제안한다. 그리고 유빙에 의해 발생되는 빙하중 저감을 위한 icevaning 효과 생성을 위해 작업공간(task space) 및 영공간(null space)을 정의하고, 정의된 작업공간에서 제어기를 설계함으로써 계측 및 예측이 어려운 유빙 환경에서 최소 빙하중이 작용하는 해양구조물의 선수각(yaw angle)을 자동으로 유지하는 동적위치유지 제어를 구현한다. 해양구조물 운동 모델의 비선형성을 고려하여 백스테핑(backstepping) 제어 기법을 도입하고, Lyapunov 안정성 이론을 활용하여 제안된 제어기의 안정성을 검토한다. 또한, 과구동(overactuated) 특성을 갖는 해양구조물 동적위치유지 시스템의 기계적 및 운용적 제약조건을 고려한 추력분배 알고리즘을 소개한다. 제안된 알고리즘의 실용성 검토를 위해 다양한 수치 시뮬레션 결과를 제시하며, 특히 선박해양플랜트연구소(KRISO) 빙해 수조에서 극지 해양구조물의 동적위치유지 모형시험을 수행하였고 그 결과를 분석하여 제안된 알고리즘을 검증한다.