유도탄의 유도제어시스템은 오토파일롯, 유도법칙 및 호밍필터 등의 다양한 제어시스템으로 구성된다. 기존에는 이러한 유도제어시스템을 설계하기 위해 이러한 각 단계의 제어기를 개별적으로 최적화하는 방식이 널리 활용되었다. 하지만 이러한 방식의 경우 각 단계의 최적화시 시간과 비용이 많이 필요함은 물론, 전체시스템의 관점에서의 최적화라 볼 수 없다. 본 논문에서는 최적화 툴을 이용한 유도제어시스템 설계를 위해 각 제어시스템 설계 시 필요한 성능지수 및 구속조건을 정식화하고, 이를 통합적으로 최적화하는 기법을 제안한다.
유도탄의 유도제어시스템은 오토파일롯, 유도법칙 및 호밍필터 등의 다양한 제어시스템으로 구성된다. 기존에는 이러한 유도제어시스템을 설계하기 위해 이러한 각 단계의 제어기를 개별적으로 최적화하는 방식이 널리 활용되었다. 하지만 이러한 방식의 경우 각 단계의 최적화시 시간과 비용이 많이 필요함은 물론, 전체시스템의 관점에서의 최적화라 볼 수 없다. 본 논문에서는 최적화 툴을 이용한 유도제어시스템 설계를 위해 각 제어시스템 설계 시 필요한 성능지수 및 구속조건을 정식화하고, 이를 통합적으로 최적화하는 기법을 제안한다.
The missile control system is comprised of various control systems such as autopilot, guidance law, and homing filter and so on. To design these guidance and control system, the optimization technique is widely applied at each developing stage. However, this kind of optimization requires lots of tim...
The missile control system is comprised of various control systems such as autopilot, guidance law, and homing filter and so on. To design these guidance and control system, the optimization technique is widely applied at each developing stage. However, this kind of optimization requires lots of time and cost and moreover, this approach does not give an overall system optimization result. In this paper, to use the optimization tool for control system design, the optimal problem formulation is done and the performance index and constraints are considered. And finally the systematically optimized method is proposed.
The missile control system is comprised of various control systems such as autopilot, guidance law, and homing filter and so on. To design these guidance and control system, the optimization technique is widely applied at each developing stage. However, this kind of optimization requires lots of time and cost and moreover, this approach does not give an overall system optimization result. In this paper, to use the optimization tool for control system design, the optimal problem formulation is done and the performance index and constraints are considered. And finally the systematically optimized method is proposed.
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문제 정의
본 논문에서는 선형해석 혹은 간략화한 비선형 모델을 사용하여 산출된 제어기를 비선형 상세모델에 대하여 재설계하는 과정을 최적화 기법을 사용하여 수행하는 설계환경을 구축하기 위한 접근법에 대한 구상을 기술한다. 재설계 대상으로는 피치/요/롤 조종루프의 주요 제어상수, 유도루프의 주요 제어상수, 표적정보 추정을 위한 필터의 주요 설계변수, 유도조종 제어기 및 필터에 포함되는 각종 문턱값(threshold) 등을 고려한다.
기존에는 이러한 최적화를 각 단계별로 순차적으로 진행하여 왔으며, 유도제어시스템의 설계에 많은 시간과 노력이 필요한 이유였다. 본 연구에서는 이를 통합적으로 최적화하는 방법을 제안하고자 한다. 컴퓨터의 계산 속도가 비약적으로 증가하였으며, 다양한 최적화 툴이 개발됨에 따라 이러한 기법은 설계효율을 극대화 할 것으로 예상된다.
유도제어시스템 설계 시 최적화 툴을 이용한 최적화를 수행하기 위해 각 유도조종시스템에서 요구되는 최적화 성능지수 및 제한 조건을 고려하여 보았다. 오토파일롯은 물론 유도기법, 호밍필터 등 유도제어시스템의 구성 인자를 세분화 하고 각 단계에서의 최적화 대상을 선별함으로서, 최적화 툴을 이용한 유도제어시스템의 최적화를 정식화 하였으며, 향후 설계자의 설계요구조건에 따라 정식화해야 하는 대상에 대한 고찰이 선행하였다.
제안 방법
이는 향후 수행될 최적화 툴을 이용한 다학제 최적화시에 주요한 성능지수 및 구속조건으로 사용될 것이다. 5-자유도 모델에 대해 최적화기법을 사용하여, 선형모델에서의 적정한 상대안정도 조건을 만족하면서 비선형 모델에 대해 양호한 시간응답을 가지는 제어기 설계 예를 제시하였다.
을 이용하여 롤-피치-요 통합모드 제어기를 설계하였다. 설계된 제어기의시간축 성능을 파악하기 위해 크기가 다른 계단함수 형태의 여러 기동명령을 피치/요 축에 각각 분배하여 뱅크각 0도, 22.5도 및 45도가 형성되는 것을 목표로 인가한 비선형 시뮬레이션을 통해 얻은 가속도, 받음각 및 롤 위치들을 그림 8 - 10에 도시하였다.
앞 절에서 살펴본 모델을 공진화 최적화 툴[8]을 이용하여 롤-피치-요 통합모드 제어기를 설계하였다. 설계된 제어기의시간축 성능을 파악하기 위해 크기가 다른 계단함수 형태의 여러 기동명령을 피치/요 축에 각각 분배하여 뱅크각 0도, 22.
유도제어시스템 설계 시 최적화 툴을 이용한 최적화를 수행하기 위해 각 유도조종시스템에서 요구되는 최적화 성능지수 및 제한 조건을 고려하여 보았다. 오토파일롯은 물론 유도기법, 호밍필터 등 유도제어시스템의 구성 인자를 세분화 하고 각 단계에서의 최적화 대상을 선별함으로서, 최적화 툴을 이용한 유도제어시스템의 최적화를 정식화 하였으며, 향후 설계자의 설계요구조건에 따라 정식화해야 하는 대상에 대한 고찰이 선행하였다. 이는 향후 수행될 최적화 툴을 이용한 다학제 최적화시에 주요한 성능지수 및 구속조건으로 사용될 것이다.
설계에 사용된 비행체 모델은 받음각의 동작 범위가 넓고, 이에 따른 롤-피치-요 채널간의 결합효과가 크게 나타나는 특성을 가진다. 이러한 특성을 살펴보기 위해 그림 6 - 7에 각각 받음각 10도, 20도에서 세 가지 뱅크 위치에 대하여 선형화한 5-자유도 모델의 극점을 도시하였다. 이를 살펴보면 뱅크뿐만 아니라 받음각에 따른 극점변화도 큼을 알 수 있으며, 고려하는 대부분의 설계 대상점이 불안정한 극점을 갖고 있음을 알 수 있다.
는 각 값의 제한치를 나타낸다. 정의된 최적화 문제에서 시간응답은 비선형 요소를 상세히 포함하는 모델을 사용한 시뮬레이션을 통해 산출하며, 상대안정도는 비선형 상세 모델을 각각의 비행조건 및 상태에 대하여 선형화한 모델을 사용하여 산출한다.
대상 데이터
본 논문에서는 선형해석 혹은 간략화한 비선형 모델을 사용하여 산출된 제어기를 비선형 상세모델에 대하여 재설계하는 과정을 최적화 기법을 사용하여 수행하는 설계환경을 구축하기 위한 접근법에 대한 구상을 기술한다. 재설계 대상으로는 피치/요/롤 조종루프의 주요 제어상수, 유도루프의 주요 제어상수, 표적정보 추정을 위한 필터의 주요 설계변수, 유도조종 제어기 및 필터에 포함되는 각종 문턱값(threshold) 등을 고려한다. 최적화에 의한 재설계 과정에서도 가능한 한 기존의 전통적인 접근법에 의한 설계에서 중요하게 사용되어온 안정도 및 성능특성을 모두 고려한다.
이론/모형
하지만 탐색기 신호만을 이용하여 표적과 유도탄의 조우정도를 파악하는 것은 어렵다. 따라서 다중필터를 이용하여 표적의 기동을 인식하는 기법을 사용한다. 즉 상대적으로 느린 기동을 포착하는 필터와 빠른 응답특성을 보이는 필터의 차이를 계산하여 이 값이 일정정도 이상의 문턱값을 지나면 이를 표적 기동에 의한 오차로 인식하는 개념이다.
성능/효과
또한 통계적 특성을 파악할 수 없는 표적의 기동등과 같은 공정잡음(process noise) 인자는 상태변수 추정에 큰 영향을 미치지만, 설계자의 직관에 따라 설정되고 있다. 따라서 이와 같은 변수를 최적화 기법을 이용하여 최적화하면 설계에 걸리는 시간도 단축시킬 수 있으며, 효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 이 경우 성능지수는 다음과 같이 설정된다.
후속연구
오토파일롯은 물론 유도기법, 호밍필터 등 유도제어시스템의 구성 인자를 세분화 하고 각 단계에서의 최적화 대상을 선별함으로서, 최적화 툴을 이용한 유도제어시스템의 최적화를 정식화 하였으며, 향후 설계자의 설계요구조건에 따라 정식화해야 하는 대상에 대한 고찰이 선행하였다. 이는 향후 수행될 최적화 툴을 이용한 다학제 최적화시에 주요한 성능지수 및 구속조건으로 사용될 것이다. 5-자유도 모델에 대해 최적화기법을 사용하여, 선형모델에서의 적정한 상대안정도 조건을 만족하면서 비선형 모델에 대해 양호한 시간응답을 가지는 제어기 설계 예를 제시하였다.
즉 상대적으로 느린 기동을 포착하는 필터와 빠른 응답특성을 보이는 필터의 차이를 계산하여 이 값이 일정정도 이상의 문턱값을 지나면 이를 표적 기동에 의한 오차로 인식하는 개념이다. 이와 같이 다중필터를 설계하는 문제에 있어서도 최적화 관점에서의 접근이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 이를 통합적으로 최적화하는 방법을 제안하고자 한다. 컴퓨터의 계산 속도가 비약적으로 증가하였으며, 다양한 최적화 툴이 개발됨에 따라 이러한 기법은 설계효율을 극대화 할 것으로 예상된다. 이러한 기법은 비단 유도제어시스템에 국한되는 것이 아니라, 공력 설계단계까지 확장될 수 있을 것이며, 그림 4에는 이러한 개념을 도시하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유도탄의 유도제어시스템의 무엇으로 구성되는가?
유도탄의 유도제어시스템은 오토파일롯, 유도법칙 및 호밍필터 등의 다양한 제어시스템으로 구성된다. 기존에는 이러한 유도제어시스템을 설계하기 위해 이러한 각 단계의 제어기를 개별적으로 최적화하는 방식이 널리 활용되었다.
유도제어시스템을 설계하기 위해 각 단계의 제어기를 개별적으로 최적화하는 방식이 활용되었었는데 이 방식의 단점은 무엇인가?
기존에는 이러한 유도제어시스템을 설계하기 위해 이러한 각 단계의 제어기를 개별적으로 최적화하는 방식이 널리 활용되었다. 하지만 이러한 방식의 경우 각 단계의 최적화시 시간과 비용이 많이 필요함은 물론, 전체시스템의 관점에서의 최적화라 볼 수 없다. 본 논문에서는 최적화 툴을 이용한 유도제어시스템 설계를 위해 각 제어시스템 설계 시 필요한 성능지수 및 구속조건을 정식화하고, 이를 통합적으로 최적화하는 기법을 제안한다.
비례항법 유도의 경우 정확한 시선각 변화율의 추정은 어떠한 기술인가?
비례항법 유도의 경우 정확한 시선각 변화율의 추정은 유도오차를 줄이는 핵심적인 기술이다. 따라서 시선각 변화율을 정확하게 추정하기 위한 다양한 기법에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다[5-7].
참고문헌 (8)
조준호, 황형수, "모델 동정에 의한 Smith predictor 구조를 갖는 최적의 PID 제어기 설계," 전자공학회논문지, 제44권, SC편, 제1호, 25-32쪽, 2007.
박노웅 등, "비행제어계에 대한 고유구조 할당의 응용," 한국전자제어학술학회논문집, pp.603-607, 1988.
백덕수, 박인규, "퍼지뉴럴 시스템을 위한 초기 입력공간분할의 최적화," 전자공학회논문지, 제39권, TE편, 제3호, 97-104쪽, 2002.
G. Moon, and Y. Kim, "Flight Path Optimization Passing Through Waypoints for Autonomous Flight Control Systems," Engineering Optimization, Vol.37, No.7, pp.755-774, 2005.
Waldmann, J. "Line-of-Sight Rate Estimation and Linearizing Control of an Imaging Seeker in a Tactical Missile Guided by Proportional Navigation," IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.10, No.4, 2002, pp.556-567
Ekstrand B., "Tracking Filters and Models for Seeker Application," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol.37, No.3, 2001, pp.965-977.
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