Slosh dynamics in a liquid propellant tank during a spacecraft maneuver can have an effect on the system stability and potentially lead to critical problems for the mission operation. In particular, the fuel sloshing problem has drawn significant attention in aerospace applications where a large portion of the gross weight is comprised of liquid fuel. Recently, many active control methods have been introduced as alternatives to passive approaches. However, the majority of these methods basically require the full-state condition. To guarantee the availability of the full-state condition, this dissertation proposes a cascade nonlinear state observer based on the sliding mode theory for estimating the unmeasurable slosh variables in a planar model. Additionally, for large amplitude estimation, a complete nonlinear mathematical model with a pendulum analogy is formulated without a linearization process. The stability analysis is theoretically proven by Lyapunov method. The effectiveness is demonstrated through simulations, and the performance comparison with a different observer method is also presented in the results.
이 논문에서는 인공위성 기동시 액화추진제의 움직임에 따른 외란을 효과적으로 제어하기 위하여 슬로싱 변수의 추정을 위한 비선형 관측기 설계를 제안하고 그 성능을 살펴보았다. 실제 인공위성의 기동에 있어 액화추진제의 움직임은 전체의 시스템 안정성에 영향을 끼칠 수 있으며 임무 수행에 있어 문제를 야기할 수 있다. 특히, 시스템의 총 중량대비 연료의 비중이 큰 항공우주분야에서는 과거에서 현재에 이르기까지 슬로싱 문제가 꾸준히 연구주제로 관심받아 왔다.
최근에는 기존의 수동적 슬로싱 저감방식을 대신하여 능동 슬로싱 제어 접근 방식에 대한 이론적인 연구와 실험이 수행되고 있다. 그러나, 기존의 연구들은 기본적으로 슬로싱 변수를 포함한 제어에 필요한 모든 정보를 알 수 있다고 가정하고 문제에 접근하고 있다. 실제로는 측정이 불가능한 슬로싱 변수에 대하여, 이 논문에서는 시그모이드 연속함수에 기반한 Cascade 구조의 비선형 상태관측기를 제안하였다. 이를 통해, 빠른 응답과 작은 오차로 그 값을 추정하고 결과적으로 모든 상태변수에 대한 정보를 획득하여 보다 실제적인 능동 슬로싱 제어가 가능케 하였다. 이를 위하여 시스템 가속도 변화를 항상 반영할 수 있는 진자운동방정식을 채택하고 슬로싱과 인공위성의 수학적 모델을 수립하였으며, 선형화과정없이 슬로싱변수의 추정을 위한 비선형 관측기를 설계하였다.
또한, 제안한 비선형 상태 관측기에 대해서 리아프노프 함수에 기반한 안정성 분석을 이론적으로 수행하였다. 슬로싱 모델의 구성과 상태관측기 안정성 증명과정에서 사용된 여러 가정들은 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 입증하였으며, 제안한 관측기 설계가 특정시스템에 국한되지 않음을 Vega 발사체의 AVUM과 Cassini 위성의 실제 파라미터를 참고하여 시뮬레이션을 수행하였다. 더불어, 기존의 다른 상태 관측기와 견주어 제안한 관측기 설계가 보다 향상된 성능을 가지고 슬로싱 변수를 추정하고 있음을 비선형 제어기를 포함한 폐루프 및 개루프 구성을 통해 다양한 측면에서 확인하였다.
