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Unscented Kalman filter를 이용한 개방형 액체로켓엔진 고장검출 및 진단
차지형(Jihyoung Cha),고상호(Sangho Ko),박순영(Soon-Young Park),정은환(Eunhwan Jung) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12
본 논문에서는 천이상태에서의 개방형 액체로켓엔진 고장진단을 위하여 Unscented Kalman Filter(UKF)를 이용한 고장진단 알고리즘 연구를 수행하였다. 이를 위해 개방형 액체로켓엔진 비선형 시뮬레이션 모델을 구축하였으며 시동과정을 포함한 천이상태 시뮬레이션을 수행한다. 진단을 위해 임의로 고장을 주입하였으며 UKF 알고리즘을 기반으로 한 Multiple-Model(MM) 방법을 이용하여 액체로켓엔진의 고장진단을 수행하였다. 고장진단 알고리즘의 성능을 확인하기 위하여 수치적 시뮬레이션을 이용하였으며 본 연구를 통하여 제안된 고장진단 알고리즘이 성공적으로 수행할 수 있음을 확인하였다. This paper deals with fault detection and diagnosis(FDD) algorithm for transient state of an open-cycle Liquid Propellant Rocket Engine(LPRE) by using the Unscented Kalman Filter(UKF). To do this, we developed simulation modeling of an open-cycle LPRE and performed transient state including start-up process. For confirming the FDD algorithm based on the UKF, we injected a fault in the simulation model randomly and performed FDD algorithm using the Multiple-Model(MM) method based on the UKF. To verify the performance of the FDD algorithm, we used numerical simulation and determined the proposed FDD algorithm can be performed successfully to diagnose faults in an open-cycle LPRE.
Lee, Kyelim,Cha, Jihyoung,Ko, Sangho,Park, Soon-Young,Jung, Eunhwan Elsevier 2018 Acta astronautica Vol.150 No.-
<P><B>Abstract</B></P> <P>This paper deals with applications of fault detection and diagnosis algorithms based on the Kalman filter and fault factor method for an open-cycle liquid propellant rocket engine in a steady state. In order to develop the algorithms, we designed the Kalman filter with a linearized model of a liquid propellant rocket engine and energy balance equations with fault factors. To confirm the fault detection and diagnosis algorithms, we developed a mathematical model of an open-cycle liquid propellant rocket engine and artificially injected various faults, such as decreasing turbine efficiency and a sensor fault. We then executed the fault detection and diagnosis algorithms and analyzed the results of each algorithm. These processes are numerically demonstrated for the open-cycle liquid propellant rocket engine at full thrust level by using the simulated measurement data of the liquid propellant rocket engine mathematical model.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> A mathematical model of an open-cycle liquid propellant rocket engine (OCLPRE) is developed. </LI> <LI> Kalman filter and fault factor methods are used for fault detection-diagnosis of the OCLPRE. </LI> <LI> The pros and cons of each fault detection-diagnosis algorithms are analyzed. </LI> <LI> The performances of the algorithms are demonstrated by numerical simulations. </LI> </UL> </P>
한국형 발사체 엔진 정상상태 과정의 수학적 모델링 및 시뮬레이션
이계림(Kyelim Lee),차지형(Jihyoung Cha),고상호(Sangho Ko),박순영(Soon-Young Park),정은환(Eunhwan Jung) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12
본 논문은 가스발생기 사이클 액체로켓엔진인 한국형발사체(Korea Space Launch Vehicle Ⅱ, KSLV-Ⅱ)의 수학적 모델링 및 정상상태에서의 시뮬레이션을 수행한 내용을 다룬다. 액체로켓엔진의 각 구성품들은 열역학 및 동역학적 특성을 이용하여 크게 7개로 분류할 수 있으나 본 논문의 액체로켓엔진 시뮬레이션 모델을 간단화하기 위해 열전달 모델링을 생략하여 4개의 지배방정식(Govern Equation)을 이용하였다. 정상상태에서의 실험 데이터와 시뮬레이션 데이터의 오차율을 통해 모델링을 확인하였으며 공칭 작동점에서의 선형화 모델을 이용하여 안정성을 판단하였다. 또한, 시뮬레이션 모델링을 검증하기 위해 실험 데이터의 과도응답을 비교하였다. This paper deals with mathematical modeling of Korea Space Launch Vehicle Ⅱ(KSLV-Ⅱ) which is a gas generator cycle liquid rocket engine and the steady state simulation based on a nominal operating point. Each component of KSLV-Ⅱ can be classified into 7 major categories using thermodynamics and dynamics characteristics. To simplify the simulation model of Liquid Rocket Engine in this paper, we used 4 govern equations with assuming no heat transfer process. We confirmed the mathematical model of KSLV-Ⅱ by using the error ratio comparing with the experiment data and simulation data in steady state and checked the stability with the linearized model. Finally, we demonstrate the simulation model comparing to transient response of experimental data.
75톤급 액체로켓엔진의 가상적 고장 상황에서의 칼만 필터 잔차 생성
이계림(Kyelim Lee),차지형(Jihyoung Cha),고상호(Sangho Ko),박순영(Soon-Young Park),정은환(Eunhwan Jung) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5
본 논문은 75톤급 액체로켓엔진의 상태진단을 위해 칼만 필터를 이용한 고장진단 연구를 수행하였다. 칼만 필터 설계를 위해 75톤급 액체로켓엔진 비선형 시뮬레이션 모델을 공칭 작동점에서 선형화하였으며, 정상 모델의 상태량 변수 4가지를 이용하여 측정값과 추정값 비교를 통해 칼만 필터의 성능을 확인하였다. 이를 이용한 고장진단 알고리즘의 성능을 확인하기 위하여 터보펌프 고장을 모사하였으며 정상 모델의 잔차 변화를 비교하여 칼만 필터를 이용한 고장진단이 가능함을 확인하였다. This paper deals with a fault diagnosis algorithm using the Kalman filter for a 75-ton Liquid Propellant Rocket Engine (LPRE). To design the Kalman filter, we linearized a non-linear simulation model of a 75-ton LPRE at an operating point, and checked the performance of the Kalman filter by comparing the measured values with estimated values of the states. Then, we artificially injected a fault of the turbopump efficiency into the simulation to confirm the performance of the fault diagnosis algorithm with the developed Kalman filter by comparing the variation of the residuals of the normal state with that of the fault cases.