비행제어 성능향상을 위한 일반화된 3-루프 오토파일롯의 최적설계

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 일반화된 3-루프 오토파일롯 구조와 출력궤환 관점에서의 최적 설계 기법을 제안한다. 전통적인 3-루프 오토파일롯 구조가 꼬리날개조종 유도탄에 적용할 때 유용한 것으로 알려져 있으나, 다양한 유도탄 조종날개 배치에 대하여 최선의 구조인가에 대한 의문은 아직 해결되지 않았다. 이러한 질문을 대답하기 위해, 먼저 일반화된 구조로 3-루프 구조를 재해석한다. 3-루프 오토파일롯의 등가구조를 산출하여 받음각 추정기를 포함한 전체 상태궤환 제어기와 동적 보상기가 결합된 형태임을 보인다. 기존 3-루프 오토파일롯은 적분 보상기를 포함하고 있는데, 동적 보상기에 의해 가속도 추종성능이 좌우된다는 사실을 토대로 유도탄 조종방식에 따라 적절한 보상기 형태가 존재할 수 있다는 가설을 세운다. 적분 보상기와 비례-적분 보상기가 포함되었을 때 오토파일롯의 근궤적 살펴보면서 카나드조종 유도탄은 비례-적분 보상기를 활용할 때 발생하는 추가적인 영점으로 인해 설계 범위가 크게 확대된다는 것을 알 수 있다. 다음은 일반화된 구조를 최적 설계하기 위해 출력궤환 LQR 문제를 정의하였고 적절한 가중행렬을 선정하는 방법을 제시한다. 최적제어 기법을 적용했을 때 흔히 발생하는 안정도 문제를 피하기 위해 위상여유와 교차주파수를 설계변수로 두는 역최적화 문제로 접근하여 가중행렬을 산출하는 방법을 일반화된 3-루프 오토파일롯에 적용할 수 있도록 확장한다. 제안한 오토파일롯 구조의 유용성을 확인하기 위해 모의실험을 수행하여 카나드조종 유도탄은 비례-적분 보상기를 활용할 때 더 우수한 가속도 추종성능을 제공함을 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, a generalized three-loop longitudinal autopilot topology is proposed with a corresponding design method that is based on optimal output feedback. Although the traditional Nesline three-loop autopilot has been shown to be highly effective for tail-controlled missiles, the question remains on whether this can also be said for various fin configurations. To answer this question, a generalized topology is derived from the conventional three-loop topology. An equivalent structure of the three-loop autopilot is shown to consist of a full-state feedback controller with an angle of attack estimator and dynamic compensator. The conventional three-loop topology includes the I-compensator in the perspective of the equivalent structure. As the dynamic compensator affects the reference input tracking performance, it is inferred that there is a high possibility for an appropriate compensator form to exist according to the missile fin configuration. The root locus of autopilots with I-compensators and PI-compensators are compared to show that the additional zero from a PI-compensator expands the design scope for the canard control missile. An optimal design for the generalized 3-loop autopilot is presented within the framework of the output feedback linear quadratic control theory. The selection of appropriate weight parameters is done by being explicitly expressed with the open-loop crossover frequency and phase margin. This method solves the stability problem that accompanies many optimal control techniques. The effectiveness of the proposed topology is shown through simulation results that conclude that the tracking performance of canard control missiles is superior when implementing the PI-compensator.

목차 (Table of Contents)

• 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 학위논문 구성 4
• 2 Nesline 3-루프 오토파일롯 5
• 2.1 유도탄 종운동 모델링 6
• 2.2 조종날개 장착위치에 따른 비행동특성 분석 10
• 2.3 오토파일롯 구조의 일반화 16
• 2.3.1 3-루프 오토파일롯의 등가구조 16
• 2.3.2 일반화된 오토파일롯 구조 20
• 3 출력궤환 최적제어 이론을 이용한 일반화된 오토파일롯 설계 25
• 3.1 일반화된 3-루프 오토파일롯의 최적설계 25
• 3.2 출력궤환 최적제어기의 가중행렬 결정 31
• 3.3 성능분석 36
• 4 결론 40
• 4.1 결론 및 추후 연구 40
• References 41