In this thesis, a missile control design considering aerodynamics uncertainties and actuator saturation and fault is proposed. A general controller is composed of control logic and control distribution logic. Many compensation techniques of control logic and the control distribution for uncertainties and actuator problem are devised and checked by numerical simulations. Contents can be divided into 3 parts.
A backstepping process combined with adaptive parameters in the form of sliding model control is applied to obtain a simple and robust controller for tracking the commanded path angle. The features introduced for adaptation and robustness in this work can handle the nonminimum phase effects as well as tracking errors induced by aerodynamic uncertainties. However, this control logic can not handle the system having unhealthy actuators.
Thus, the adaptive sliding mode pitch rate control logic with EKF (Extended Kalman Filter) estimator is developed for a missile with highly nonlinear aerodynamics and unhealthy actuators. Conventional sliding mode control algorithms have inherent robustness to system model errors, but they often induce chattering of the actuator commands. An adaptive switching gain varying with respect to the distance from the sliding surface is proposed to cope with system model error and unexpected changes in aerodynamic coefficients. The adaptive sliding gain helps to mitigate the chattering in the steady state. We propose a control command generation method which uses the estimated actuator characteristics by EKF. The proposed method mitigates the control performance degradation caused by actuator fault or model disagreement.
However, the performance degradation by actuator saturation is not avoided by using this control logic. The compensation of control distribution logic makes it possible to get out of this trouble. Accordingly, two on-line control allocation methods are proposed to effectively distribute the control command under presence of saturation and degradation of actuators. One method compensates for the poor tracking performance caused by actuator saturation, such as the deflection limit and the slew rate limit. This compensating logic is derived by reconfiguration of the command distribution logic to exclude saturated actuators. The other method minimizes the degradation of tracking performance due to model uncertainty and faulty actuators, by using the difference between the nominal actuator response and the actual actuator deflection. Combination of these two compensation methods is also considered for the case of simultaneous actuator failure and saturation. The proposed control allocation logic shows better control effective tracking performance than traditional control distribution logic.
The performances of the proposed techniques are compared and analyzed through numerical simulations.
본 논문에서는 공역학적 불확실성과 구동기 포화 및 고장 현상이 존재할 때의 유도탄 제어 알고리듬 설계 기법에 대해 연구한 결과를 소개하고 있다. 제어 시스템은 제어로직과 명령분배 로직으로 통상적으로 구성된다. 공력학적 불확실성과 구동기 고장에 대비한 제어 로직 보상 방법들과 구동기 포화 및 고장 현상에 대비한 명령 분배로직 설계방법들이 크게 3부분으로 나뉘어 제안되었으며 전산해석을 통해 성능을 검증하였다.
먼저, 수직 발사 유도탄의 초기 급기동을 요구하는 경로각 제어 방법으로서, 비선형 모델을 제어 방법 중 하나인 백스텝핑 제어 알고리듬을 근간으로 비 최소위상 특성 항과 가변 파라미터를 가진 슬라이딩 모드 제어항을 덧붙인 제어 로직을 제안하였다. 위 제어방법은 불확실한 공력 파라미터 및 제어 효율 상수 예측 값 정보를 이용하는 경우에도 강건한 명령추종 성능을 보여주지만 구동기 모델에 문제가 있는 경우에는 대응하지 못한다는 단점이 존재한다.
이에 가변 적응 슬라이딩 모드 제어 로직 및 신경망을 기반으로 하는 각 변화율 제어기를 설계 하였다. 위 제어기는 EKF 에 의해 추정된 구동기 변위를 조종 명령 발생시 사용하며 이로 인해 제어기 설계 시 사용된 구동기 모델과 실제 구동기 응답 차이에 의한 명령 추종 성능 저하 현상을 극복할 수 있다. 또한 적응 슬라이딩 이득값을 슬라이딩 곡면과의 거리에 대한 함수로서 도입하므로서 시스템 모델 오차에 강건하면서도 정상상태에서의 작은 채터링 현상을 가지도록 하였다. 또한 구동기 모델의 불확실성 및 고장에 대비하기 위하여 EKF 추정기를 이용한 명령 보상기법을 도입하여 구동기 모델 오차에 대비하였다. 그러나 고장난 구동기가 종방향 뿐 아니라 횡방향 및 롤방향에도 영향을 주는 경우에 대한 보상은 이루어지지 않았다.
위에서 기술한 조종 로직의 보상기법들에도 불구하고 구동기 포화 현상이나 고장 현상이 발생하면 조종 루프전체의 성능저하 현상이 일어난다. 이는 3축 제어 명령과 여러 개의 구동기를 거쳐 발생한 3축 효율 응답의 차이로부터 발생하며 이를 극복하기 위해 구동기 포화현상이 발생한 경우와 고장 현상이 발생한 경우 또는 동시에 두 가지 현상이 발생한 경우에 따라 명령 분배로직의 여러 보상기법 들을 고안하였다. 보상된 명령 분배로직 들은 전통적인 분배로직 결과에 비해 좋은 성능을 보였으며 각 방법들의 조합들의 성능이 전산 시뮬레이션을 통해 비교되었다.
5장에서는 제안된 세가지 모든 조종 알고리듬들의 조합에 대한 성능이 시뮬레이션을 통해 비교되었다. 경로각 명령을 받아 피치 각속도 명령을 산출하는 백스테핑 알고리듬과 피치레이트 명령을 추종하는 적응슬라이딩/신경망 제어기에 구동기 변위 포화 및 고장을 고려한 명령분배 로직을 합친 경우가 가장 성능이 높았다.
본 논문에서 제안된 조종 로직 및 명령 분배 로직은 공력 및 제어 변수의 불확실성과 구동기 포화현상 및 고장 발생시에도 유도탄의 임무 수행 능력 저하가 덜 발생하도록 설계되었으므로 유도탄 신뢰도 향상에 큰 기여를 할 수 있으리라 예측된다.
