[논문]고기동 무인항공기용 터보제트엔진의 비선형 제어

한동주; 오성환

doi:10.5139/jksas.2012.40.5.431

고기동 무인항공기용 터보제트엔진의 비선형 제어
Non-linear Control of Turbojet Engine for High Maneuverability UAV 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.5, 2012년, pp.431 - 438

한동주 (극동대학교 항공정비학과) , 오성환 (국방과학연구소 제7기술연구본부)

초록
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고기동 무인항공기용 터보제트엔진의 고성능 운용을 위한 비선형 제어기를 설계하였다. 제트엔진의 비선형특성을 제어기 설계에 반영하기 위해 당해엔진의 동적해석코드를 개발하였고 이를 이용한 선형모델로부터 선형해석의 한계성을 검증함으로써 비선형 제어기 설계의 당위성을 보였다. PI형 퍼지제어기를 일반 미분제어기와 결합하여 효율적인 퍼지제어기를 설계하였으며, 일반 PID제어기와 비교하여 압축기서지 및 연소정지영역, 터빈온도의 제한 등 안전운전 범위 내 운전을 보장하면서도 월등한 제어성능을 보임으로써 설계된 퍼지제어기의 유용성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Non-linear turbojet engine controller with high operational performance has been designed for the high maneuverability UAV. The turbojet engine dynamic performance code has been developed to reflect the non-linear characteristics on controller design, by which the necessity of non-linear controller design was justified by investigating the limitation of linear model derived from the dynamic performance. The PI-like fuzzy controller was designed and enhanced by combining with conventional derivative control. This designed fuzzy controller proves its effectiveness by showing superior control performances over the conventional PID controller along with guaranteeing the safe operation within compressor surge, flame out and turbine temperature limits etc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

동적성능해석코드를 이용한 엔진의 동특성을 선형화된 모델로부터 구한 동적해석 결과와 비교하여 대상엔진의 비선형성을 파악해 보기로 한다. 이는 비선형해석과 관련한 제어기 설계의 필요성을 확인하기 위함이다.
이들 허용 운전영역을 무시한 고성능의 제어기 설계는 의미가 없으며 실제 성능이 반영되지 못한 유사모델을 이용한 제어기 설계 또한 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 선형모델의 문제점을 해소하고자 실제 터보제트엔진의 비선형 특성을 규명하고 이를 효과적으로 제어할 수 있는 엔진제어기법에 대해 논하기로 한다.
엔진제어기 설계의 목표는 연료량 입력에 대해서 엔진의 열역학적인 변수들의 압축기 서지 및 안전 연소영역 내에서 제한범위를 초과하지 않고 안정적이면서도 신속한 추력(Thrust) 특성을 얻는 것이다. 이를 위해 대개 측정 가능한 변수로써 추력 추이와 비례하는 엔진회전수를 이용하여 궤환(Feedback) 신호로 사용하기로 한다.
특히 제트엔진과 같은 초기의 비선형특성에 잘 부합되기 위한 퍼지제어기의 효용성은 퍼지화/비퍼지화, 퍼지추론 등의 변수 설정에 따라 좌우되며 논리법칙의 수, 퍼지변수, 경험 법칙의 정확성, 안정성 등에 대한 로직의 발전, 실시간 제어처리기능 향상 등에 힘입어 그 우수성이 입증되고 있으며 신경망과 결합하여 엔진운전 중 결함탐지와 손상허용 기법에도 적용성이 확장되고 있다. 이러한 엔진 허용운전범위 내 설계된 효과적인 퍼지제어기를 일반적인 PID제어기와 비교하여 그 효용성을 확인하기로 한다.

제안 방법

1. 광범위한 고기동 운전을 위한 제트엔진의 비선형특성을 규명하고 제어기 설계에 반영하기 위해 당해엔진의 동적해석코드를 개발하였다.
3. 비선형 제어를 위한 PI형 퍼지제어기를 도입하였고 일반 미분제어기와 결합하여 효율적인 엔진 제어기를 설계하였다.
5와 같다. RPM 변화에 대해 목표점 부근으로 갈수록 면밀히 배치하고 입력 연료량은 광범위한 운전영역임을 감안하여 비교적 고르게 분포하도록 배치하였다.
이러한 비선형 방정식과 함께 각 부품 간 성능곡선과의 열역학적 관계로부터 전 엔진 열역학 사이클이 도출되며 열평형의 수렴해를 얻기 위한 연산과정이 수행된다[12]. 본 논문에서는 각 비정상 열역학적 성분에 대한 연료량 및 온도 변화에 대한 열평형 관계를 이용하였다. 이들 과정을 도시하면 다음 Fig.
이 동적해석코드는 압축기 서지 및 연소안정영역, 열적 충격방지를 위한 엔진의 제약적인 운전 조건이 잘 반영되어 있어 실시간 비선형 특성에 대한 제어로직 개발에 효과적으로 사용될 수 있다. 본 동적해석코드를 이용하여, 운용점 섭동선형모델에 대한 동적성능과 비선형 특성을 갖는 실제 모델을 비교함으로써 비선형 제어기 설계의 당위성을 확인하기로 한다.
실제 터보제트엔진의 비선형 특성은 동적성능으로부터 파악될 수 있는 바, 여기서는 기존에 보유한 정적 성능해석코드를 기반으로 하여 여기에 압축기, 연소기, 터어빈 등 각 부품에 대한 동력평형, 에너지평형, 유량평형 등 3개의 비정상 열역학적 평형방정식[12]을 적용함으로써 동적성능해석이 가능한 해석코드를 개발하고자 한다. 이 동적해석코드는 압축기 서지 및 연소안정영역, 열적 충격방지를 위한 엔진의 제약적인 운전 조건이 잘 반영되어 있어 실시간 비선형 특성에 대한 제어로직 개발에 효과적으로 사용될 수 있다.
여기서 PI형 퍼지추론계(FIS: Fuzzy Inference System)를 사용한 적분기의 경우 와인드업(Wind-up)으로 인한 제어기의 포화현상을 방지하기 위해 매 스텝 당 이전의 누적된 값을 재조정(Reset)시키기 위한 방안으로 다음과 같은 형태의 증분형 추론 방식을 사용하기로 한다.
여기서는 본 제트엔진의 광범위한 최대한의 운용성능을 평가하기 위해 상온, 지상정지 및 비행속도 M=0.7에서 한계운용점 부근의 극심한 운전범위인 21,000 → 29,000 → 21,000 RPM의 계단명령(Step Input)에 대해 순차적으로 제어하였다.
이들 값은 최대 터빈출구온도, 서지 및 연소정지영역 등의 제한된 범위 내에서 정상상태성능을 최대한 발휘할 수 있도록 시행착오를 통해 도출하였다. 특히, 서지마진 및 연소정지 양상의 경우 상당한 여유가 있어 제어기가 최대성능을 발휘하지 못하는 것으로 보일 수 있으나 이는 매 순간 터빈온도한계 뿐만 아니라 서지 또는 연소정지 한계를 벗어난 경우 엔진은 정지되어 회복이 불능하므로 매우 짧은 순간일지라도 이 한계를 벗어나지 않도록 설계된 최대 제어영역을 표시한 것임에 유의해야 할 것이다.
엔진제어기 설계의 목표는 연료량 입력에 대해서 엔진의 열역학적인 변수들의 압축기 서지 및 안전 연소영역 내에서 제한범위를 초과하지 않고 안정적이면서도 신속한 추력(Thrust) 특성을 얻는 것이다. 이를 위해 대개 측정 가능한 변수로써 추력 추이와 비례하는 엔진회전수를 이용하여 궤환(Feedback) 신호로 사용하기로 한다. 이 경우 신속한 정상상태의 엔진회전수를 추종하는 문제로 귀결된다.
이 경우 모두 지상정지 조건에서 서지마진 및 터빈출구온도 등이 허용한계에 근접하는 양상을 보이고 있어 동 조건을 엔진 제어기의 설계점으로 설정하였다. 이에 따라 엔진 퍼지제어기의 비례게인( K_P ), 적분게인( K_I )은 각각 5.95, 0.1로 설계되었고, 대비되는 일반 PID제어기의 비례게인( k_P ), 적분게인( k_I )은 각각 0.0000285, 0.000000385로 설정하였다. 부가된 미분게인( k_D)은 공히 0.
여기서는 대표적인 제트엔진 동적해석코드인 DYNGEN[12]의 관련로직을 추출하여 정적성능해석코드에 적용하였다. 즉, 대상엔진의 설계된 각 부품성능 특성곡선으로부터 엔진 운용변수(회전수, 비행속도, 고도)에 대한 내부 유동변수(온도, 압력, 밀도, 속도 등)를 계산하고각 부품 간 열역학적인 평형조건을 적용하여 성능변수(추력, 연료소모율)를 구하는 정적성능해석코드에, 각 구성품에 대한 열적 동특성을 반영한 아래와 같은 3개의 비정상(Unsteady) 열역학적 평형방정식을 적용한 동적해석코드를 개발하였다. 여기서 비정상해석을 위한 제어체적(Control Volume)은 Fig.

대상 데이터

동적성능해석을 위한 대상엔진은 Fig. 1과 같은 고속 무인항공기용 추진기관으로 3단 압축기와 환형연소기, 1단 터빈으로 구성된 1축(One Spool) 터보제트엔진으로 동적해석을 위한 코어 모델을 보이고 있다. 동 엔진의 제어를 위한 주요 운용범위 및 운전 제한조건은 다음과 같다.
이때, 정상상태 RPM에 대한 연료량은 정적성능해석 결과를 사용하였다. 여기서 선형모델의 경우, 원 시스템과의 비선형성 오차정도를 파악하기 위해 천이 순간에서 각각 아래와 같은 운용점의 선형모델을 사용하였다.

이론/모형

Fuzzification)를 사용하여 다음과 같은 곱추론(Product Inference) 방법으로부터 구하였다.
본 대상엔진의 기존 정적성능해석코드에 동적성능해석을 위한 비정상 열역학 평형방정식을 적용하기로 한다. 여기서는 대표적인 제트엔진 동적해석코드인 DYNGEN[12]의 관련로직을 추출하여 정적성능해석코드에 적용하였다.
여기서 각 상태행렬은 매 시간증분을 각 상태 변수의 섭동량으로 상사시킨 자코비안 행렬 (Jacobian Matrix)에 해당되며 이 부분은 기존코드(DYGABCD)[11] 중 해당로직을 활용하였다.
본 대상엔진의 기존 정적성능해석코드에 동적성능해석을 위한 비정상 열역학 평형방정식을 적용하기로 한다. 여기서는 대표적인 제트엔진 동적해석코드인 DYNGEN[12]의 관련로직을 추출하여 정적성능해석코드에 적용하였다. 즉, 대상엔진의 설계된 각 부품성능 특성곡선으로부터 엔진 운용변수(회전수, 비행속도, 고도)에 대한 내부 유동변수(온도, 압력, 밀도, 속도 등)를 계산하고각 부품 간 열역학적인 평형조건을 적용하여 성능변수(추력, 연료소모율)를 구하는 정적성능해석코드에, 각 구성품에 대한 열적 동특성을 반영한 아래와 같은 3개의 비정상(Unsteady) 열역학적 평형방정식을 적용한 동적해석코드를 개발하였다.

성능/효과

2. 동적해석코드를 이용한 선형모델로부터 선형해석의 한계성을 검증함으로써 비선형 동특성을 반영한 제어기 설계의 당위성을 보였다.
4. 설계된 퍼지제어기를 압축기서지 및 연소정지영역, 터빈온도의 제한 등 안전운전 범위 내 운전을 보장하면서도 비교적 잘 설계된 일반 PID제어기와 비교하여 월등한 제어성능을 보임으로써 유용성을 입증하였다.
일반 PID제어기를 포함한 설계된 제어기 모두 전반적으로 양호한 제어 성능을 보이고 있으며 이중에서도 일반 미분제어기와 결합된 PI형 퍼지 제어기는 RPM 및 추력 등 주요출력 변수가 약 3초 이내 정상상태에 수렴하는 등 PID제어기에 비해 월등한 추종성능을 보이고 있다. 특히 제어기의 탈설계점(Off-design Point) 성능인 M=0.
일반 PID제어기를 포함한 설계된 제어기 모두 전반적으로 양호한 제어 성능을 보이고 있으며 이중에서도 일반 미분제어기와 결합된 PI형 퍼지 제어기는 RPM 및 추력 등 주요출력 변수가 약 3초 이내 정상상태에 수렴하는 등 PID제어기에 비해 월등한 추종성능을 보이고 있다. 특히 제어기의 탈설계점(Off-design Point) 성능인 M=0.7에서 PID제어기는 추종성능 저하가 뚜렷한 반면 설계된 퍼지제어기는 설계점 성능과 큰 차이가 없는 강인성을 보이고 있으며 PID제어기와 비교할 때 열역학적인 변수들의 정상상태 추종성능이 모두 향상되었음을 볼 수 있다. 특히 제트엔진의 출력성능을 대변하는 기동추력의 향상은 설계된 퍼지제어기의 유용성을 잘 보여주고 있다.

후속연구

향후 좀 더 광범위한 탈설계점 영역의 퍼지제어기 설계에 대한 보완 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인기 엔진을 동특성 제어할 때 어떤 문제를 초래하는가?	조종사가 탑승된 유인기와는 달리 급격 기동의 부담으로부터 자유로운 무인기는 실속한도 이내에서 엔진의 최대 천이 추력 발휘가 관건이라 할 수 있어 이에 부합하기 위한 엔진의 동특성 제어를 필요로 한다. 이때 온도, 압력 등의 과도 특성이 열역학적 안정성에 위배될 경우 압축기 서지 또는 화염소실 등으로 인한 엔진정지가 발생되고 한도 이상의 열충격이 발생할 경우 부품에 손상을 초래한다. 따라서 제트엔진은 연료량 및 노즐면적을 로타 회전수, 온도, 압력 등 상태 변수가 안정적인 압축기 운용영역 및 열적 허용범위 내에서 추력 또는 회전수 등이 요구하는 동특성을 만족하도록 제어하여야 한다.
	정찰 및 감시 외에도 사격 및 폭격 등의 임무를 수행하는 무인항공기는 어떤 특성을 보유해야 하는가?	정찰 및 감시 외에도 사격 및 폭격 등의 임무를 수행하는 무인항공기는 비행성능이나 운용범위에 있어 일반 무인항공기와는 차별화된 고기동의 비행특성을 보유하여야 한다. 따라서 이를 위한 강인한 조종면 성능 및 비행 안정성이 보장되어야 하며 이에 따른 고성능의 엔진추력 조종이 요구되는 바, 이를 효과적으로 제어하기 위한 엔진제어기 설계가 필수적이다.
	무인기가 실속한도 이내에서 엔진의 최대 천이 추력을 발휘하는 데 필요한 것은 무엇인가?	조종사가 탑승된 유인기와는 달리 급격 기동의 부담으로부터 자유로운 무인기는 실속한도 이내에서 엔진의 최대 천이 추력 발휘가 관건이라 할 수 있어 이에 부합하기 위한 엔진의 동특성 제어를 필요로 한다. 이때 온도, 압력 등의 과도 특성이 열역학적 안정성에 위배될 경우 압축기 서지 또는 화염소실 등으로 인한 엔진정지가 발생되고 한도 이상의 열충격이 발생할 경우 부품에 손상을 초래한다.

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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