해군함정용 디젤엔진 속도제어를 위한 IMC 기반 PID 제어기 설계 = Design of an IMC-Based PID Controller for Controlling the Speed of Naval Warship Diesel Engine

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Ministry of National Defense of the Republic of Korea is currently conducting a policy study on the design and construction of a medium-sized aircraft carrier capable of operating the KF-21 fighter jet. The current Landing Platform Helicopter(LPH) operated by the Navy will serve as a testbed for improving the initial operational capability of the aircraft carrier significantly.
Landing Platform Helicopter(LPH) possesses excellent tracking performance for variations in target rotation speed within the operational requirement area, while also being capable of a robust and stable speed control system in their propulsion engines that can swiftly recover to the original target speed even when unpredictable disturbances such as currents, waves, and gusts occur.
Therefore, this paper proposes an IMC-based PID controller with excellent rotational speed control performance and durability for the Pielstic 16PC diesel engine, a medium-speed propulsion system for the transport ships.
To obtain a detailed mathematical model that accurately reflects the inherent characteristics of the control subject, the engine assembly and Fuel Control Unit (FCU) are separated and the 3rd-order transfer function is derived utilizing data from trial runs in three different driving modes: low, medium, and high speeds. Then, the 3rd-order model is simplified into a first-order model with time delay to design a PID controller during the model period.
The proposed controller is designed to safety disturbance recovery capability and target tracking by composing advantages of IMC, which has only one design variables for filter time constant; and of PID, which has a simple structure.
The designed IMC-based PID controller is implemented into the actual engine's nominal and parameter uncertainty process, which is derived from the 3rd-order transfer function, in order to run simulations comprehensively.
Thus, the controller's reliability was verified through comparing its performance, robustness, and stability with these of existing reference controller following various evaluation criteria and the value.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구내용과 구성 3
• 제 2 장 해군함정용 디젤엔진의 모델링 5
• 2.1 Pielstic 16PC 디젤엔진의 구성 6
• 2.1.1 엔진 조립체 7
• 2.1.2 엔진제어시스템 9
• 2.2 Pielstic 16PC 디젤엔진의 모델링 11
• 2.2.1 엔진 조립체 11
• 2.2.2 연료제어장치 17
• 2.2.3 엔진 플랜트 22
• 제 3 장 제안하는 IMC 기반 PID 제어기 25
• 3.1 PID 제어기 구조 25
• 3.1.1 P 제어기 26
• 3.1.2 I 제어기 26
• 3.1.3 D 제어기 27
• 3.1.4 PID 제어 28
• 3.1.5 PID 제어기 파라미터 변동에 따른 특성 31
• 3.2 IMC 구조 33
• 제 4 장 IMC 기반 PID 제어기 설계 36
• 4.1 엔진 플랜트의 FOPTD 근사화 36
• 4.2 IMC 기반 PID 제어기 설계 41
• 4.2.1 비교대상 PID 제어기 동조법 41
• 4.2.2 IMC 기반 PID 제어기 동조 44
• 4.3 성능 평가지수 46
• 4.3.1 적분 오차 성능 평가지수 46
• 4.3.2 시간영역 성능 평가지수 48
• 4.3.3 강인성 평가지수 49
• 제 5 장 시뮬레이션 및 고찰 50
• 5.1 엔진 플랜트 51
• 5.1.1 공칭 프로세스 51
• 5.1.2 정상 이득 불확실성 프로세스 55
• 5.1.3 시간지연 불확실성 프로세스 59
• 5.1.4 시정수 불확실성 프로세스 63
• 5.2 엔진 플랜트 67
• 5.2.1 공칭 프로세스 67
• 5.2.2 정상 이득 불확실성 프로세스 71
• 5.2.3 시간지연 불확실성 프로세스 75
• 5.2.4 시정수 불확실성 프로세스 79
• 5.3 엔진 플랜트 83
• 5.3.1 공칭 프로세스 83
• 5.3.2 정상 이득 불확실성 프로세스 87
• 5.3.3 시간지연 불확실성 프로세스 91
• 5.3.4 시정수 불확실성 프로세스 95
• 제 6 장 결 론 99
• 참고문헌 101