[논문]초기 추력편향제어를 위한 자세각제어 구조에 대한 연구

김부민; 황익호

doi:10.5370/kiee.2017.66.10.1523

문제 정의

본 논문에서는 두 제어기에서 시간반응의 차이를 만들어 내는 요소를 검토하여, 그 요소를 제어기 설계 변수로 추가하는 방법을 제시하였다. 즉 자세각제어기에 feedforward 미분제어이득을 추가함으로써 제어기의 안정성은 동일하게 유지하고, 시간반응에 대해서는 응답속도와 overshoot 크기를 조율할 수 있는 feedforward 자세각제어기 구조를 제안하였고 시뮬레이션 결과를 통해 그 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 이러한 고받음각과 속도증가로 발생하는 불규칙한 모멘트를 공력 외란(Δq)으로 구성하여 외란에 대한 두 제어기의 강건성을 비교해 보았다.
본 논문에서는, 자세각 제어 및 자세각 변화율 제어를 위한 추력편향제어기를 설계하여, 앞에서 언급한 설계요구조건의 관점에서 안정성과 성능을 비교 평가하였다. 먼저 유도탄 발사 초기 공력에 의한 영향이 없다는 가정 하에 유도탄 운동방정식을 유도하고, 다음으로 제어변수가 서로 다른 각속도 제어와 자세각 제어 기반의 추력편향제어기를 각각 설계한다.
본 절에서는 두 제어기의 단점을 보완하기 위하여 그림 16과 같이 자세각제어기 구조에 feedforward 미분제어이득을 추가한 형태의 제어기를 제안한다. 이 제어기의 전달함수를 구하면 다음과 같다.
그러나 각속도 제어기의 경우에는 자세각 측정치를 이용하지 않으므로 자세각 추종성능을 저하시킬 수 있다. 이 문 제를 검토하기 위하여 각속도 제어기의 적분기에 누적되는 적분량의 물성에 대하여 생각해 보자. 그림 2에서 알 수 있듯이 제어기의 적분기는 각속도 명령에 대하여 실제로 추종하지 못한 각속도를 누적하는 형태이므로, 각속도의 적분치가 자세각임을 고려하면, 결과적으로 제어기 적분량은 제어입력 포화 등으로 인하여 추종하지 못한 자세각에 해당한다.

가설 설정

여기서 자세각 명령은 θC(s) = 1/s 로 가정하였다.

제안 방법

각속도 제어기는 다음 그림과 같이 각도명령의 미분치를 각속도 명령으로 설정하고, 각속도 명령을 추종하기 위한 PI 제어기 구조로 설계하였다.
개루프(open-loop)에 대한 안정성을 분석하기 위해, 다음과 같이 그림 1과 그림 2의 루프 절단점에서의 루프 전달함수를 계산하였다.
설계된 두 제어기의 특성 비교를 위하여 주파수 영역에서 안정성을 분석하고 시간 영역에서 시간응답 특성을 검토하며, 속도 증가와 고받음각으로 인해 발생하는 불확실한 공력의 영향을 외란으로 모델링하여 인가함으로써 외란에 대한 두 제어기의 강건성도 비교분석하였다. 또한 구동기 2차 모델을 추가하여 제어기 출력신호가 구동기 변위제한으로 크기가 제한될 때 두 제어기의 전체 시간응답특성에 미치는 영향도 분석하였다. 마지막으로 분석한 결과를 토대로 유도탄의 발사 초기 추력편향제어에 적합한 제어기 구조를 제안하였다.
또한 구동기 2차 모델을 추가하여 제어기 출력신호가 구동기 변위제한으로 크기가 제한될 때 두 제어기의 전체 시간응답특성에 미치는 영향도 분석하였다. 마지막으로 분석한 결과를 토대로 유도탄의 발사 초기 추력편향제어에 적합한 제어기 구조를 제안하였다.
이를 위해, 2가지 형태의 추력편향제어기를 설계하여 그 성능을 비교하였다. 먼저 각속도를 내부루프로 하고 자세각을 외부루프로 구성한 자세각제어기와 다음으로 각속도만을 이용한 각속도제어기를 설계한다.
본 논문에서는, 자세각 제어 및 자세각 변화율 제어를 위한 추력편향제어기를 설계하여, 앞에서 언급한 설계요구조건의 관점에서 안정성과 성능을 비교 평가하였다. 먼저 유도탄 발사 초기 공력에 의한 영향이 없다는 가정 하에 유도탄 운동방정식을 유도하고, 다음으로 제어변수가 서로 다른 각속도 제어와 자세각 제어 기반의 추력편향제어기를 각각 설계한다. 설계된 두 제어기의 특성 비교를 위하여 주파수 영역에서 안정성을 분석하고 시간 영역에서 시간응답 특성을 검토하며, 속도 증가와 고받음각으로 인해 발생하는 불확실한 공력의 영향을 외란으로 모델링하여 인가함으로써 외란에 대한 두 제어기의 강건성도 비교분석하였다.
먼저 이론적으로 외란에 대한 강건성을 비교하기 위해, 그림 1과 2에서 외란 Δq에 대한 출력 θ(피치각)의 루프 전달함수를 계산해 보았다.
유도탄에 적용 시 제어기에서 만들어낸 변위 명령을 받아들이는 구동기의 경우 시간반응속도, 최대변위, 최대각속도 등 성능에 한계가 존재한다. 본 절에서는 앞에서 설계된 제어루프에 구동기 모델이 추가되었을 경우 두 제어기의 성능에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 구동기는 그림 1과 2에서 종운동 동력학 앞에 위치한 것으로 모델링 하였다.
서론에서 언급하였듯이 유도탄의 초기 제어의 경우 안정성을 우선으로 고려하여야 하므로 다음 그림과 같은 PD 제어기 구조를 가지는 자세각제어기를 고려하였다.
먼저 유도탄 발사 초기 공력에 의한 영향이 없다는 가정 하에 유도탄 운동방정식을 유도하고, 다음으로 제어변수가 서로 다른 각속도 제어와 자세각 제어 기반의 추력편향제어기를 각각 설계한다. 설계된 두 제어기의 특성 비교를 위하여 주파수 영역에서 안정성을 분석하고 시간 영역에서 시간응답 특성을 검토하며, 속도 증가와 고받음각으로 인해 발생하는 불확실한 공력의 영향을 외란으로 모델링하여 인가함으로써 외란에 대한 두 제어기의 강건성도 비교분석하였다. 또한 구동기 2차 모델을 추가하여 제어기 출력신호가 구동기 변위제한으로 크기가 제한될 때 두 제어기의 전체 시간응답특성에 미치는 영향도 분석하였다.
수직 발사하는 유도탄의 발사 초기에 발사방향 및 자세를 빠르고 안정적으로 제어하기 위한 제어기를 설계하기 위해 각속도제어 기와 자세각제어기를 비교하였다. 설계된 두 제어기는 제어구조상 동일한 제어이득이 주어질 경우 동일한 안정성을 가지지만, 영점 (zero)의 유무로 인해 시간 응답 특성에서 차이를 보인다.
식 (4)와 (7)로 주어지는 두 제어기의 전달함수를 비교해 보면, 모두 같은 극점(pole)을 가지고 있으나 각속도제어기가 영점(zero)을 하나 더 가지고 있음을 알 수 있다. 이 차이는 두 가지 제어기의 성능에 차이를 줄 것으로 예상되며, 시뮬레이션을 통하여 시간응답특성을 비교하였다. 그림 5와 그림 6은 곡선형태의 자세각 명령에 대하여 두 제어기가 자세각과 각속도를 추종한 결과를 비교한 것이다.
수직으로 발사되는 유도탄은 초기에 피치각이 급격히 변화하는 명령을 제어기로 추종하여야 한다. 이를 위해, 2가지 형태의 추력편향제어기를 설계하여 그 성능을 비교하였다. 먼저 각속도를 내부루프로 하고 자세각을 외부루프로 구성한 자세각제어기와 다음으로 각속도만을 이용한 각속도제어기를 설계한다.
본 논문에서는 두 제어기에서 시간반응의 차이를 만들어 내는 요소를 검토하여, 그 요소를 제어기 설계 변수로 추가하는 방법을 제시하였다. 즉 자세각제어기에 feedforward 미분제어이득을 추가함으로써 제어기의 안정성은 동일하게 유지하고, 시간반응에 대해서는 응답속도와 overshoot 크기를 조율할 수 있는 feedforward 자세각제어기 구조를 제안하였고 시뮬레이션 결과를 통해 그 성능을 검증하였다. 제안된 제어기는 수직발사 유도탄의 추력벡터제어에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

성능/효과

발사 초기 추력편향제어기는 큰 제어명령에도 빠르고 안정적으로 동작하여야 한다. 2.3절에서 살펴본 바와 같이 설계된 두 제어기에 큰 제어명령과 외란이 주어질 경우, 자세각제어기는 안정적으로 명령을 추종하지만 반응속도가 느려, 고도를 상승시키고 속도증가를 방해하게 된다. 반면에 각속도제어기는 빠른 응답 특성을 보이지만 구동기 변위 제한이 있는 경우에 과다한 과도응답이 발생한다.
이는 초기 추력제어명령이 큰 값으로 입력되어야하는 원인이기도 하다.[2] 이러한 저속에서의 급기동은 유도탄에 불확실성과 비선형성을 증대시키는 고받음각을 유발 하고, 유도탄의 급격한 속도 증가에 따라 크고 불확실한 공력 외란을 형성하므로 추력편향제어기 설계 시 크고 불확실한 외란환경을 고려하여야 한다. 결론적으로 발사 초기 추력편향제어기는 빠른 응답속도와 크고 급격한 조종입력에도 안정성을 유지하며, 외란에 대해 강건한 특성을 모두 가지도록 설계되어야 한다.
설계된 두 제어기는 제어구조상 동일한 제어이득이 주어질 경우 동일한 안정성을 가지지만, 영점 (zero)의 유무로 인해 시간 응답 특성에서 차이를 보인다. 각속도 제어기는 빠른 응답과 약간의 overshoot가 발생하지만 자세각 명령을 정확히 추종하였고, 자세각제어기는 반응속도가 느리고 명령 추종 또한 느린 수렴성을 보였다. 또한 받음각과 속도 증가로 발생하는 불규칙한 공력을 외란으로 모델링하여 제어시스템에 미치는 영향을 분석한 결과에서도 외란이 없을 때와 유사한 특성을 보였다.
[2] 이러한 저속에서의 급기동은 유도탄에 불확실성과 비선형성을 증대시키는 고받음각을 유발 하고, 유도탄의 급격한 속도 증가에 따라 크고 불확실한 공력 외란을 형성하므로 추력편향제어기 설계 시 크고 불확실한 외란환경을 고려하여야 한다. 결론적으로 발사 초기 추력편향제어기는 빠른 응답속도와 크고 급격한 조종입력에도 안정성을 유지하며, 외란에 대해 강건한 특성을 모두 가지도록 설계되어야 한다.
또한 받음각과 속도 증가로 발생하는 불규칙한 공력을 외란으로 모델링하여 제어시스템에 미치는 영향을 분석한 결과에서도 외란이 없을 때와 유사한 특성을 보였다. 하지만 구동기 모델을 추가할 경우 각속도제어기는 외란에 대해 overshoot가 크게 나타나는 특성을 보인 반면, 자세각제어기는 반응속도는 느리지만 외란에 대해 강건함을 가지며 주어진 명령을 안정적으로 추종하는 것을 볼 수 있었다.

후속연구

즉 자세각제어기에 feedforward 미분제어이득을 추가함으로써 제어기의 안정성은 동일하게 유지하고, 시간반응에 대해서는 응답속도와 overshoot 크기를 조율할 수 있는 feedforward 자세각제어기 구조를 제안하였고 시뮬레이션 결과를 통해 그 성능을 검증하였다. 제안된 제어기는 수직발사 유도탄의 추력벡터제어에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수직 발사 유도탄의 초기설정은 무엇인가?	수직 발사 유도탄은 많은 경우에 발사 초기에 표적방향으로 신속히 비행 방향을 전환 하도록 요구조건이 설정된다[1]. 공력제어유도탄의 경우, 비행초기 저속에서는 자세제어에 필요한 공력이 충분히 발생하지 않으므로, 속도가 증가할 때까지 무유도 비행을 수행하도록 설계된다.
	유도탄의 초기 거동에서 추력편향제어가 필요한 이유는?	그러나 이러한 방식은 충분한 정적 안정성을 확보한 형상의 유도탄에만 적용할 수 있을 뿐 아니라 초기비행요구조건으로 고도제한이 있는 경우에는 정점 고도를 증가시킬 수밖에 없는 한계가 있다. 게다가 유도탄의 초기 거동은 유도탄의 속도 확보, 사거리 등에 큰 영향을 미치므로 전반적인 요구 성능을 만족하기 위하여 수직발사 유도탄에는 발사 초기 저속에서 자세제어를 위한 추력편향제어(TVC : thrust vector control)가 종종 적용된다.
	각속도제어 기와 자세각제어기의 차이점은 무엇인가?	수직 발사하는 유도탄의 발사 초기에 발사방향 및 자세를 빠르고 안정적으로 제어하기 위한 제어기를 설계하기 위해 각속도제어 기와 자세각제어기를 비교하였다. 설계된 두 제어기는 제어구조상 동일한 제어이득이 주어질 경우 동일한 안정성을 가지지만, 영점 (zero)의 유무로 인해 시간 응답 특성에서 차이를 보인다. 각속도 제어기는 빠른 응답과 약간의 overshoot가 발생하지만 자세각 명령을 정확히 추종하였고, 자세각제어기는 반응속도가 느리고 명령 추종 또한 느린 수렴성을 보였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초기 추력편향제어를 위한 자세각제어 구조에 대한 연구
A Research of Attitude Angle Control Structure for Thrust Vector Control of Missiles at Initial Boosting Phase 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초기 추력편향제어를 위한 자세각제어 구조에 대한 연구 A Research of Attitude Angle Control Structure for Thrust Vector Control of Missiles at Initial Boosting Phase 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

황익호 (20)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초기 추력편향제어를 위한 자세각제어 구조에 대한 연구
A Research of Attitude Angle Control Structure for Thrust Vector Control of Missiles at Initial Boosting Phase 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper