Vertical launched missile has highly nonlinearity and control deficiency at boost-phase because of its high angle of attack maneuver and low velocity. The purpose of this thesis is to design the autopilot with aerodynamic fin and thrust vectoring control by reflecting these system characteristics. In this paper, modeling is performed based on the configuration of operating missile by using Missile DATCOM program. To analyze the model and maneuvering characteristics, trajectory optimization technique is introduced. Two control systems are designed, that are angle of attack controller which uses the command resulted from trajectory optimization and the pitch rate controller which follows real-time guidance command. Control techniques used in this research are the linear control using pole placement approach with gain scheduling method and the sliding mode control which is good for model uncertainty and nonlinearity. Because of little control power of aerodynamic fin at high angle of attack and low dynamic pressure, thrust vectoring control (TVC) system is developed and the control allocation is performed to cover all flight envelop. The 6-DOF simulation results can analyze and verify performances and capabilities of each control system.
대함 유도탄 방어용 수직 발사 유도탄은 전 방향 공격 능력 확보, 여러 가지 형태의 다량의 유도탄 배치 가능, 단시간 높은 화력 집중도 등에서 경사 발사 시스템에 비해 장점을 갖는다. 하지만 초기 발사 단계의 낮은 속도와 신속한 회전으로 인한 높은 받음각 영역에서의 운용으로 공력 핀의 제어만으로는 불충분한 한계가 있다. 본 논문의 목적은 수직 발사 유도탄의 초기단계 빠른 회전을 위해 공력 핀과 추력벡터제어 장치를 포함하는 유도탄의 제어 시스템을 설계하는 것이다.
현재 운용중인 함대공 유도탄 Aster-15 모델을 바탕으로 공력 모델을 추출하여 연구에 사용하였다. Missile DATCOM 프로그램을 사용하여 얻은 공력 모델을 분석하고 연료 사용에 의한 추력 및 질량 변화를 추가했다. 종방향 운동 방정식을 이용해 궤적 최적화를 수행하고 이 결과를 바탕으로 연구에 사용된 모델의 특성을 분석했다. 초기 낮은 속도에서 큰 회전을 하는 것이 최종 속도와 이후 운영 받음각 영역에서 유리한 결과를 보였다.
제어 시스템의 설계에 있어서는 최적화 결과를 제어 명령으로 사용하는 받음각 제어기 설계와 실시간 유도 명령을 따르는 피치 각속도 제어기 설계의 두 부분으로 나누어 볼 수 있다. 받음각 제어기로 사용된 선형제어 시스템은 기존 미사일 자동 조종장치 설계에 흔히 쓰인 게인 스케쥴링 기법을 이용한 것으로, 극점 배치 접근법을 도입하여 게인값 결정과 제어기 설계가 용이하다는 장점이 있다. 피치 각속도 제어기로는 불확실성과 비선형성을 가진 시스템의 제어에 사용되는 슬라이딩 모드 제어 시스템을 설계했다. 피치 각속도 제어기가 추종할 유도 명령은 최적화 결과 분석을 바탕으로 피치 각속도 함수를 성형하여 생성한다.
낮은 속도와 높은 받음각 영역에서는 공력 제어의 효용성이 크게 저하되므로 이를 보완해줄 수 있는 추력벡터제어 시스템을 추가하고 생성된 가상 제어 명령을 각 구동장치에 분배하는 로직을 개발하였다. 비행 영역에 따른 각 구동장치의 효용성 변화를 반영하기 위해 의사 역행렬 기법을 도입하고, 가중함수를 조절하여 제한치를 반영하는 방법을 제안했다. 각 자동 조종장치의 성능은 6 자유도 비선형 시뮬레이션을 통해 비교, 분석, 검증했다.
