KR100873430B1 - Flexible Launch Vehicle Ground Test-bed and Adaptive Controller - Google Patents
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Abstract
본 발명은 추력 구동 장치(thruster vector launcher)를 가진 유연 우주 발사체 지상 시험 장치에 관한 것이고, 구체적으로 센서 및 구동 장치의 상대 위치에 따른 유연 우주 비행체 제어 시스템의 성능 변화를 분석할 수 있는 유연 우주 발사체 지상 시험 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 지상 시험 장치는 실제 발사체의 형상을 모사한 발사체 모델; 발사체 모델을 추진시키기 위한 연료를 모사한 연료 수용 모델; 발사체 모텔의 회전을 제어하기 위한 추력 벡터 모듈; 발사체 모델 및 연료 수용 모델 사이에 설치된 각속도 감지 센서; 구조물 지지로 인한 마찰력을 제거하기 위한 공기 패드; 및 발사체 모델의 외란을 모사하기 위한 가진 장치를 포함하고, 상기에서 연료 수용 모델에 일정한 속도로 액체를 공급 및 배출할 수 있는 호스가 연결되고 그리고 공기 패드는 압축 공기에 의하여 작동되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a flexible space projectile ground test apparatus having a thruster vector launcher, and specifically, a flexible space projectile capable of analyzing the performance change of the flexible space vehicle control system according to the relative position of the sensor and the driving apparatus. It relates to a ground test apparatus. Ground test apparatus according to the present invention is a projectile model that simulates the shape of the actual projectile; A fuel accommodating model that simulates fuel for propelling a projectile model; A thrust vector module for controlling the rotation of the projectile motel; An angular velocity sensor mounted between the projectile model and the fuel receiving model; An air pad to remove frictional forces due to the structure support; And an excitation device for simulating the disturbance of the projectile model, wherein a hose capable of supplying and discharging liquid at a constant speed is connected to the fuel receiving model, and the air pad is operated by compressed air. .
유연 발사체, 추력 구동 장치, 압축 공기, 다중 노치 필터 Flexible Projectile, Thrust Drive, Compressed Air, Multiple Notch Filter
Description
도 1a는 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치의 개략적인 형태를 도시한 것이다.Figure 1a shows a schematic form of a projectile ground test apparatus according to the present invention.
도 1b는 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치의 수학적 분석을 위한 모델링 형태를 도시한 것이다. Figure 1b shows a modeling form for mathematical analysis of the projectile ground test apparatus according to the present invention.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치에 적용될 수 있는 노치 필터의 실시 예를 도시한 것이다. 2A and 2B illustrate an embodiment of a notch filter that can be applied to a projectile ground test apparatus according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치의 제어를 위한 비선형 적응 제어기의 실시 예를 도시한 것이다. Figure 3 illustrates an embodiment of a non-linear adaptive controller for the control of the projectile ground test apparatus according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치의 제어를 위한 시험 장치의 실시 예를 도시한 것이다 .Figure 4 shows an embodiment of a test apparatus for the control of the projectile ground test apparatus according to the present invention.
도 5a, 5b 및 5c는 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치에 대한 제어 시험 결과를 그래프로 도시한 것이다. Figures 5a, 5b and 5c graphically shows the control test results for the projectile ground test apparatus according to the present invention.
본 발명은 추력 구동 장치(thruster vector launcher)를 가진 유연 우주 발사체 지상 시험 장치에 관한 것이고, 구체적으로 센서 및 구동 장치의 상대 위치에 따른 유연 우주 비행체 제어 시스템의 성능 변화를 분석할 수 있는 유연 우주 발사체 지상 시험 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a flexible space projectile ground test apparatus having a thruster vector launcher, and specifically, a flexible space projectile capable of analyzing the performance change of the flexible space vehicle control system according to the relative position of the sensor and the driving apparatus. It relates to a ground test apparatus.
발사체에 관한 선행 발명으로 US 특허번호 5,529,264가 있다. 선행 발명의 발사체 시스템은 적어도 하나의 주 고체 연료 모터, 페이로드를 수용하는 측판(shroud) 및 자세 제어 시스템을 포함한다. 그리고 자세 제어 시스템은 원형의 외벽 및 로켓 시스템의 길이 축을 따라 추진하기 위한 액체 연료 모터를 가진다. A prior invention on projectiles is US Pat. No. 5,529,264. The projectile system of the prior invention comprises at least one main solid fuel motor, a shroud for receiving the payload and an attitude control system. And the attitude control system has a circular outer wall and a liquid fuel motor for propulsion along the longitudinal axis of the rocket system.
액체 추진 로켓의 자세 제어 명령은 로켓의 강체 운동에 따른 자세 데이터 및 탄성 변형에 의한 회전 운동 요소를 포함하는 로켓 탑재 부분에 위치하는 관성 장치에서 측정된 자세 및 각속도로부터 계산될 수 있다. 그러나 자세 데이터를 위한 센서 및 구동 장치는 서로 다른 곳에 위치하게 되고 그리고 이로 인하여 자세 제어 불안정성이 커진다는 문제점이 제기되어 왔다. 그러므로 로켓의 자세 제어 시스템의 설계 과정에서 이와 같은 구조적 되먹임에 의한 자세 제어 불안전성이 고려되어야 하고 이를 위하여 매우 큰 변형을 가진 고유 진동수 근처에서 구조 진동에 의한 영향을 최소화하기 위한 필터 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이와 같은 제어기 설계 기법에 대한 연구의 진행에도 불구하고 발사체의 특성으로 인하여 실제 비행을 통한 반복적인 실험이 어려워 제어 기법에 따른 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 결과만을 토대로 분석이 되었다. The attitude control command of the liquid propulsion rocket can be calculated from the attitude and angular velocity measured in the inertial device located in the rocket mounted portion including the attitude data according to the rigid motion of the rocket and the rotational motion element by elastic deformation. However, a problem has been raised that the sensor and the driving device for the attitude data are located at different places, thereby increasing the attitude control instability. Therefore, in the design process of the rocket attitude control system, the attitude control instability due to such structural feedback should be taken into consideration. For this purpose, the filter research has been conducted to minimize the effect of structural vibration near the natural frequency with very large deformation. However, despite the progress of the study of the controller design technique, it is difficult to repeat the experiment through actual flight due to the characteristics of the projectile, and the study of the control technique was analyzed based only on the results of computer simulation.
본 발명은 이와 같은 연구를 바탕으로 유연 구조 발사체를 모델링하고 그리 고 제어기 설계 기법을 검토하여 실험을 통하여 발사체의 동특성 및 제어 시스템 성능 분석을 할 수 있는 지상 실험 장치를 제안하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다. The present invention is to propose a ground test apparatus for modeling a flexible structure projectile and reviewing the controller design technique and analyzing the dynamic characteristics and control system performance of the projectile through experiments. Have
본 발명의 목적은 유연 우주 발사체의 자세 제어 시스템의 동적 특성 및 제어 기법의 성능을 시험할 수 있는 발사체 지상 시험 장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a projectile ground test apparatus capable of testing the dynamic characteristics of the attitude control system of the flexible space projectile and the performance of the control technique.
본 발명의 다른 목적은 유연 발사체 지상 시험 장치의 성능을 시험할 수 있는 적응 제어기를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an adaptive controller capable of testing the performance of a flexible projectile ground test apparatus.
본 발명의 또 다른 목적은 유연 발사체 지상 시험 성능 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a flexible projectile ground test performance system.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 유연 발사체 지상 시험 장치는 실제 발사체의 형상을 모사한 발사체 모델; 발사체 모델을 추진시키기 위한 연료를 모사한 연료 수용 모델; 발사체 모텔의 회전을 제어하기 위한 추력 벡터 모듈; 발사체 모델 및 연료 수용 모델 사이에 설치된 각속도 감지 센서; 구조물 지지로 인한 마찰력을 제거하기 위한 공기 패드; 및 발사체 모델의 외란을 모사하기 위한 가진 장치를 포함하고, 상기에서 연료 수용 모델에 일정한 속도로 액체를 공급 및 배출할 수 있는 호스가 연결되고 그리고 공기 패드는 압축 공기에 의하여 작동된다. According to a preferred embodiment of the present invention, a flexible projectile ground testing apparatus includes a projectile model that simulates the shape of an actual projectile; A fuel accommodating model that simulates fuel for propelling a projectile model; A thrust vector module for controlling the rotation of the projectile motel; An angular velocity sensor mounted between the projectile model and the fuel receiving model; An air pad to remove frictional forces due to the structure support; And an excitation device for simulating the disturbance of the projectile model, wherein a hose capable of supplying and discharging liquid at a constant speed is connected to the fuel receiving model and the air pad is operated by compressed air.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 추력 벡터 모듈은 모터의 조절에 의하여 방향 및 배출량이 조절되는 압축 공기 호스를 포함한다. According to another suitable embodiment of the invention, the thrust vector module comprises a compressed air hose whose direction and displacement are adjusted by the adjustment of the motor.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 발사체를 모사한 유연 발사체 지상 시험 장치의 성능을 시험하기 위한 방법은 각속도를 측정하여 다중 모드 노치 필터로 고유 진동수를 구하여 각속도 신호를 필터링 하는 단계; 및 필터링이 된 각 및 각속도로 출력 신호를 계산하여 모멘트를 구하여 유연 발사체 지상 시험 장치의 회전시키는 단계를 포함하고, 상기에서 고유 진동수는 실시간으로 측정되어 제어 명령의 이득 값이 신경망 알고리즘을 통하여 최적화가 된다. According to another suitable embodiment of the present invention, a method for testing the performance of a flexible projectile ground test apparatus that simulates a projectile includes measuring the angular velocity to obtain a natural frequency with a multi-mode notch filter to filter the angular velocity signal; And calculating the output signal at the filtered angular and angular velocity to obtain a moment and rotating the flexible projectile ground test apparatus, wherein the natural frequency is measured in real time so that the gain value of the control command is optimized through a neural network algorithm. do.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 유연 발사체 지상 시험 장치의 성능을 시험하기 위한 장치는 발사체를 모사한 유연 발사체 지상 시험 모델; 유연 발사체 지상 시험 모델의 각속도를 측정하기 위한 각속도 측정 장치; 각속도 측정 장치의 신호를 수신하는 신호 변환 보드; 신호 변환 보드의 신호를 수신하여 제어 명령을 발생시키는 적응 노치 필터 및 적응 제어기를 가진 자세 제어 컴퓨터; 신호 변화 보드로부터 명령 신호에 따라 유연 발사체 지상 시험 모텔의 추력을 구동시키는 추력 벡터 구동기; 및 유연 발사체 지상 시험 모델의 외란을 모사하기 위한 외란 모사 장치를 포함한다. According to another suitable embodiment of the present invention, an apparatus for testing the performance of a flexible projectile ground test apparatus includes: a flexible projectile ground test model that simulates a projectile; An angular velocity measuring device for measuring an angular velocity of the flexible projectile ground test model; A signal conversion board for receiving a signal of the angular velocity measuring device; An attitude control computer having an adaptive notch filter and an adaptive controller for receiving a signal from the signal conversion board and generating a control command; A thrust vector driver for driving thrust of the flexible projectile ground test motel according to a command signal from the signal change board; And a disturbance simulation apparatus for simulating the disturbance of the flexible projectile ground test model.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 각속도는 200 Hz로 신호 변환 보드에 입력된다. According to another suitable embodiment of the present invention, the angular velocity is input to the signal conversion board at 200 Hz.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 세장 구조를 가지는 액체 추진 로켓의 지상 시험 장치는 실제 발사체의 형상을 모사한 발사체 모델; 호스에 의하여 일정한 속도로 물을 공급받고 그리고 배출하는 투명 비닐 재킷; 투명 비닐 재킷의 상부에 위치하는 다수 개의 공기 배출 구멍; 발사체 모텔의 회전을 제어하기 위한 추력 벡터 모듈; 발사체 모델 및 연료 수용 모델 사이에 설치된 각속도 감지 센서; 구조물 지지로 인한 마찰력을 제거하기 위한 공기 패드; 및 발사체 모델의 외란을 모사하기 위한 가진 장치를 포함하고, 상기에서 지상 시험 장치는 회전 중심, 유연 빔 및 추력 벡터 제어 모듈로 모델링이 될 수 있다. According to another suitable embodiment of the present invention, a ground test apparatus for a liquid-propelled rocket having an elongate structure includes a projectile model that simulates the shape of an actual projectile; A transparent vinyl jacket that receives and discharges water at a constant speed by a hose; A plurality of air exhaust holes located on top of the transparent vinyl jacket; A thrust vector module for controlling the rotation of the projectile motel; An angular velocity sensor mounted between the projectile model and the fuel receiving model; An air pad to remove frictional forces due to the structure support; And an excitation device for simulating the disturbance of the projectile model, wherein the ground test device can be modeled with a center of rotation, flexible beam, and thrust vector control module.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 호스를 통한 물 공급 및 배출 속도는 초당 0.02 kg 내지 0.06 kg이 된다. According to another suitable embodiment of the present invention, the rate of water supply and discharge through the hose is from 0.02 kg to 0.06 kg per second.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 액체 추진 로켓의 제어 시스템의 성능 분석을 위한 지상 시험 장치가 제공된다. According to another suitable embodiment of the present invention, a ground test apparatus for performance analysis of a control system of a liquid propulsion rocket is provided.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면 및 실시 예를 사용하여 상세하게 설명된다. 제시된 실시 예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. The invention is described in detail below using the accompanying drawings and examples. The examples presented are exemplary and are not intended to limit the scope of the invention.
발사체 시험 장치는 비행 경계 조건을 충족하여야 한다. 비행 경계 조건으로 아래와 같은 2가지 조건을 설정하였다. The projectile testing device must meet flight boundary conditions. The following two conditions were set as flight boundary conditions.
(i) 구조물의 진동 발생과 자세 변경의 경우 공기력을 제외한 구조물 지지로 인한 마찰력이 없을 것; 그리고 (i) there shall be no frictional forces due to the support of the structure, except for aerodynamic forces, in the event of vibration and posture change of the structure; And
(ii) 연구를 위한 추력 벡터 제어(Thruster Vector Control) 모듈 또는 발사체에 가해지는 교란을 야기하는 힘을 모사하기 위한 반작용 휠과 같은 추가적인 구조물의 부착 및 지지가 용이할 것. (ii) Easily attach and support additional structures, such as thrust vector control modules for research, or reaction wheels to simulate the forces causing disturbances on projectiles.
이와 같은 조건을 충족시키기 위하여 도 1a에 도시된 것과 같은 장치를 설계하였다. In order to meet these conditions, a device such as that shown in FIG. 1A was designed.
도 1a는 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치의 개략적인 형태를 도시한 것이다. Figure 1a shows a schematic form of a projectile ground test apparatus according to the present invention.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 시험 장치는 실제 발사체의 형상을 모사한 발사체 모델(11); 발사 과정에서 발사체 모델(11)을 추진시키기 위한 연료를 모사한 연료 수용 모델(12); 발사체 모델(11)의 추력 방향을 제어하기 위한 모터(13); 연료 수용 모델(12)의 연료를 배출시키면서 발사체 모델(11)에 추력을 발생시키는 추력 모델(131)을 포함한다. 1A, a test apparatus according to the present invention includes a
발사체 모델(11)은 피봇(pivot)으로 지지되어 외부로부터 전달되는 진동 또는 추력 제어에 따라 방향이 자유로이 변화될 수 있도록 설치된다. 발사체 모델(11)은 다양한 요인에 의하여 동역학이 변화될 수 있고 그리고 이러한 동역학의 변화는 발사체 모델(11) 및 연료 수용 모델(12) 사이에 설치된 각속도 센서(18)에 의하여 감지된다. 이미 위에서 설명을 한 것처럼 공기력을 제외한 구조물 지지로 인한 마찰력이 시험 장치에 작용하지 않도록 하기 위하여 공기 패드(15a,15b)가 설치될 수 있다. 그리고 시험 과정에서 연료의 소모를 모사하기 위하여 연료 수용 모델(12)에 적절한 투명 비닐 패킷이 설치될 수 있다. The
연료 수용 모델(12)의 액체 연료를 모사하는 물은 투명 비닐 패킷에 저장하게 될 수 있고 그리고 투명 비닐 패킷은 전기 펌프에 의하여 배출량을 조절하는 호스(122)에 연결된다. 연료 수용 모델(12)의 투명 비닐 패킷에 물을 공급하는 경우에도 마찬가지로 호스(122)가 사용된다. 연료 수용 모델(12)에 물을 공급하는 경우 투명 비닐 패킷의 내부에 공기가 존재하므로 물이 채워질수록 내부 압력이 높아진다. 그러므로 투명 비닐 패킷 상단부에 공기 배출 구멍(121)이 형성된다. 발사체의 시험의 모사하기 위한 실험이 진행되는 경우 호스(122)를 통한 물 공급 및 배출 속도는 초당 0.02 내지 0.06 kg이 될 수 있다. 공기 패드(15a, 15b)는 압축 공기 호스(151)를 통하여 공급되는 압축공기로 작동되며 도 1에서 앞뒤에 각각 2개씩 4개가 설치되어 있지만 필요에 따라 적절한 수의 공개 패드(15a, 15b)가 설치될 수 있다. 공기 패드(15a,15b)는 발사체 지상 시험 장치를 부양시켜 지면과의 마찰을 방지한다. 실제 발사체는 추진 과정에서 외란을 가지게 되므로 가진 장치(14)가 발사체 모델(11)에 설치되어 실제 발사체의 외란을 모사한다. 추력 모델(131)은 모터(13)의 조절에 의하여 방향 및 배출량이 조절되는 압축 공기 호스로 만들어져 압축공기로 작동될 수 있다.Water that mimics the liquid fuel of the
위와 같이 제작된 발사체 지상 시험 장치의 실제 소형 위성 발사체와의 상사 여부 및 시험 장치의 성능 확인을 위하여 진동 시험(modal test)을 실시하였다. 진동 시험을 위하여 발사체 지상 시험 장치의 유한 해석법에 따른 해석을 위하여 도 1b에 도시된 것과 같이 모델링을 하였다. In order to confirm whether the projectile ground test apparatus manufactured as described above is similar to the actual small satellite projectile and the performance of the test apparatus, a vibration test was performed. For the vibration test was modeled as shown in Figure 1b for the analysis according to the finite analysis method of the projectile ground test apparatus.
발사체 모델(11)은 관성 모멘트; 그리고 연료 수용 모델(12)은 선밀도로 각각 표시될 수 있으므로 도 1b에서 수학적 해석을 위하여 발사체 모델(11)은 회전 중심(21), 연료 수용 모델(12)은 유연 빔(22); 그리고 모터(13) 및 추진기 모델(131)은 하나의 추력 벡터 제어 모듈(Thruster Vector Control Module)(23)로 표시될 수 있다. 제조된 발사체 지상 시험 장치를 4개의 질점(m1, m2, m3 및 mt)으로 이산화를 시켜 아래와 같은 상수 값으로 모델링을 하였다. The
유연 빔의 선밀도 ρm = 0.2 ~ 0.5 kg/m; 단위 길이 당 변형률 E = 30 Gpa; 단면 1차 모멘트 값 I = 7 ×10-11 m4; 중앙 회전 중심의 관성 모멘트 Ic = 0 kg㎡, 유연 빔의 끝단의 질량 mt = 0.3 kg; 회전 중심의 반경 l0 = 0 m; 유연 빔의 길이 l = 1.3 m Linear density of the flexible beam ρ m = 0.2 to 0.5 kg / m; Strain per unit length E = 30 Gpa; Cross section first moment value I = 7 × 10 -11 m 4 ; Moment of inertia at center of rotation I c = 0 kg㎡, mass of the end of the flexible beam m t = 0.3 kg; Radius of rotation center l 0 = 0 m; Length of flexible beam l = 1.3 m
이와 같은 상수 조건을 적용하여 제조된 발사체 지상 시험 장치에 대하여 진동 모드에 대한 해석 연구 및 실제 진동 실험을 통하여 고유 진동수를 구하여 결과를 표 1로 나타냈다. For the projectile ground test apparatus manufactured by applying such constant conditions, natural frequency was obtained through an analysis study on vibration mode and an actual vibration test, and the results are shown in Table 1.
표 1: 고유 진동수 Table 1: Natural Frequency
표 1에서 해석모델은 지상 실험 장치를 단순한 빔으로 가정하여 구성한 수치모델을 의미한다. 그리고 제1, 제2 및 제3 모드는 구성된 실험장치의 고유진동수 모드를 의미한다. ρm은 유연 빔의 선밀도로 물이 채워진 경우 최대 0.5 kg/m를 가지고 물이 없을 경우 최소 0.2 kg/m을 가질 수 있다. In Table 1, the analytical model refers to a numerical model constructed by assuming that the ground test apparatus is a simple beam. The first, second and third modes mean natural frequency modes of the configured experimental apparatus. ρ m can have a maximum density of 0.5 kg / m when filled with water at the linear density of the flexible beam and at least 0.2 kg / m without water.
표 1에서 초기 상태는 발사체 연료를 모사한 액체로 인하여 시험 장치의 무게가 무거운 상태가 되고 그리고 최종 상태는 액체의 분출로 인하여 시험 장치의 무게가 가볍게 된 상태이다. 실지로 발사체의 경우 질량이 급격하게 변하지만 제조 된 발사체 지상 시험 장치는 시험 장비의 제약으로 인하여 제1차 벤딩 모드는 약 1 Hz 그리고 2차 모드는 1.5 Hz의 차이를 나타내었다.In Table 1, the initial state is that the weight of the test device is heavy due to the liquid that simulates the projectile fuel, and the final state is light weight of the test device due to the ejection of liquid. Indeed, in the case of projectiles, the mass changes drastically, but the manufactured projectile ground test apparatus showed a difference of about 1 Hz in the first bending mode and 1.5 Hz in the secondary mode due to the limitation of the test equipment.
발사체 지상 시험 장치의 자세 제어를 위하여 비선형 적응 제어기를 설계하여 적용시켰다. 비선형 적응 제어기는 노치 필터와 함께 구성될 수 있다. 먼저 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치에 적용된 다중 모드 적응 노치 필터에 대하여 설명한다. A nonlinear adaptive controller was designed and applied for the attitude control of the projectile ground test apparatus. The nonlinear adaptive controller can be configured with a notch filter. First, the multi-mode adaptive notch filter applied to the projectile ground test apparatus according to the present invention will be described.
적응 adaptation 노치Notch 필터 설계 Filter design
모델링 오차에 민감한 노치 필터의 단점을 보완하기 위하여 적응 노치 필터가 사용된다. 적응 노치 필터는 실제 시스템의 주파수를 정확히 추정하기 위하여 센서 신호를 사용하여 그리고 노치 필터의 설계 변수는 실제 시스템의 상수를 정확히 추정하기 위해 실시간으로 갱신된다. An adaptive notch filter is used to compensate for the shortcomings of the notch filter sensitive to modeling error. The adaptive notch filter uses the sensor signal to accurately estimate the frequency of the real system and the design parameters of the notch filter are updated in real time to accurately estimate the constant of the real system.
다중 정현파 신호의 입력에 대한 주파수를 추정하기 한 필터구조로 ARMA(Autoregressive moving average) 모델이 공지되어 있다. ARMA 모델의 계수 추정 방법은 비선형 최소 자승법에 의하여 구해질 수 있지만 지역 최소치로 잘못 수렴될 수 있고 그리고 연산 시간이 많이 소요된다는 단점을 가진다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 2차 노치 필터의 블록을 배치하여 다중 모드 노치 주파수를 추정한다. 도 2a는 다중 모드 노치 필터의 실시 예를 도시한 것이다. An autoregressive moving average (ARMA) model is known as a filter structure for estimating the frequency of the input of the multiple sinusoidal signals. The coefficient estimation method of the ARMA model can be obtained by the nonlinear least-squares method, but it has the disadvantage that it can be wrongly converged to the local minimum and it takes a lot of computation time. To compensate for these drawbacks, multi-block notch frequencies are estimated by arranging blocks of second-order notch filters. 2A illustrates an embodiment of a multi-mode notch filter.
도 2a를 참조하면, μ(n)은 입력 함수; yk(n)은 출력함수; 그리고 Hk(z-1)는 복수 주파수 z에 대한 회로망 함수를 각각 나타내고 yk(n)이 k번째 블록에 되먹임이 된다. 회로망 함수를 선택하여 발사체 지상 시험 장치 모델의 고유 진동수를 계산할 수 있지만 k번째 블록의 수렴 여부가 k번 뒤의 블록과 별개로 갱신되어 k번 뒤의 블록에서 수렴하고 있는 노치 주파수가 다시 k번째 블록에서 수렴할 수 있게 된다는 문제점이 발생한다. 또한 서로 잘 수렴하고 있는 노치 주파수가 다시 교차되어 수렴할 수도 있게 된다는 문제점이 발생한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도 2b와 같은 형태의 다중 모드 노치 필터가 사용되었다. 도 2b에 도시된 것처럼, 최종 단계의 노치 블록의 출력 값이 각 블록에 되먹임이 되어 위에서 제기한 문제의 발생을 감소시켰다. 2A, μ (n) is the input function; y k (n) is an output function; H k (z −1 ) represents a network function for a plurality of frequencies z, and y k (n) is fed back to the k-th block. You can calculate the natural frequencies of the projectile ground tester model by selecting the network function, but the convergence of the kth block is updated separately from the block after k so that the notch frequency converged in the block after k is again the kth block. The problem arises that we can converge at. In addition, a problem arises that the notch frequencies that are well converging with each other may converge again. In order to solve this problem, a multi-mode notch filter of FIG. 2B is used. As shown in Fig. 2b, the output value of the notch block of the final stage is fed back to each block, reducing the occurrence of the problem raised above.
비선형 적응 제어기 설계 Nonlinear Adaptive Controller Design
발사체 지상 시험 장치의 자세 제어기인 비선형 적응 제어기는 시간에 따라 시스템의 계수가 변하는 경우 이득 계획(gain scheduling)의 방법으로 설계될 수 있다. 그러나 적용 과정에서 모델링 오차가 존재하면 시스템이 불안정해질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 비선형 적응 제어기는 위에서 설명한 다중 적응 노치 필터를 포함하여 설계한다. The nonlinear adaptive controller, which is the attitude controller of the projectile ground test apparatus, may be designed by a method of gain scheduling when the coefficient of the system changes with time. However, the presence of modeling errors in the application process can lead to system instability. To prevent this, the nonlinear adaptive controller is designed to include the multiple adaptive notch filter described above.
도 3은 다중 적응 노치 필터를 포함하는 비선형 적응 제어기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 3 schematically illustrates a configuration of a nonlinear adaptive controller including multiple adaptive notch filters.
일반적으로 발사체 제어 알고리즘의 경우 모델을 최대한 정확히 구해 사전에 이득 계획 방법으로 설계한다. 그러나 본 발명에 따른 모델의 실험을 위한 제어기의 경우 모델의 고유진동수를 실시간으로 추정해 제어기가 모델 오차에 강인하도록 설계하였다. 제어기는 제어부와 필터를 포함하고 그리고 제어기는 신경망을 이용하여 모델이 변할 경우 제어기의 이득 값을 신경망 알고리즘을 이용해 최적화하여 명령에 충분히 추종하도록 한다. 또한 유연 구조물에서는 구동기와 센서가 같은 곳에 놓이지 않을 경우 센서의 신호에 위상차가 발생해 제어기가 불안정해 질 수 있다. 이와 같은 경우 구조물의 고유진동수에 해당하는 부분에서 제어기의 이득 및 위상 여유가 작아질 수 있다. 본 발명에 따른 제어기의 경우 노치필터를 이용해 신호를 제거함으로서 이득 및 위상 여유를 회복하였다. 본 발명에 따른 제어기의 경우 적응노치필터를 적용해 실시간으로 고유진동수가 변하는 경우 자동으로 추종함으로서 모델 오차에 강인하다는 특징을 가진다. 지상 실험 장치에 대한 제어 과정을 살펴보면, 먼저 실험 장치의 각속도 센서(31)로부터 획득된 신호를 수신하여 다중 모드 노치필터(32)를 이용해 1,2차 고유 진동수를 구한다. 본 발명에 따른 제어기의 경우 다중 모드 노치필터(32)의 블록이 하나의 고유 진동수를 구하도록 하였으며 블록을 더 많이 사용할수록 실험장치의 더 상위 모드의 고유진동수도 추정할 수 있다. 이와 같이 구한 고유진동수를 이용해 일반적인 2차의 노치필터를 적용해 각속도 신호를 필터링한다. 그리고 필터링이 된 각속도 정보를 제어부(33)의 입력으로 사용하고 그리고 각도 정보는 각속도 정보를 적분해 사용한다. 제어부(33)는 필터링이 된 각도 및 각속도 정보를 이용해 제어 출력을 계산하게 된다. 계산된 출력에 해당하는 제어 명령에 따라 추력벡터 각도만큼 구동기로 사용된 모터가 추력벡터모 듈(34)을 위치시키고 그리고 추력벡터 힘과 회전중심에서의 거리의 곱이 모멘트로 작용해 실험 장치를 회전시키게 된다. In general, the projectile control algorithm obtains the model as accurately as possible and designs it by the gain planning method in advance. However, in the case of the controller for the experiment of the model according to the present invention, the controller is designed to be robust to the model error by estimating the natural frequency of the model in real time. The controller includes a controller and a filter, and the controller optimizes the gain value of the controller using a neural network algorithm when the model changes using the neural network to sufficiently follow the instruction. Also, in flexible structures, if the driver and sensor are not placed in the same place, phase difference may occur in the signal of the sensor and the controller may become unstable. In this case, the gain and phase margin of the controller can be reduced in the portion corresponding to the natural frequency of the structure. In the case of the controller according to the present invention, the gain and phase margin are recovered by removing the signal using a notch filter. In the controller according to the present invention, the adaptive notch filter is applied to automatically follow the model error when the natural frequency changes in real time. Looking at the control process for the terrestrial experiment apparatus, first, the signal obtained from the
비선형 적응 제어기의 적용Application of nonlinear adaptive controller
위에서 설명한 비선형 적응 제어기를 본 발명에 따른 발사체 지상 시험 장치에 적용하기 위하여 도 4에 도시된 것과 시험 장치를 구성하였다. In order to apply the non-linear adaptive controller described above to the projectile ground test apparatus according to the present invention, the test apparatus is configured as shown in FIG.
도 4를 참조하면, 유연 발사체 지상 시험 장치(45)의 몸체의 회전 속도는 정밀 각속도 센서(47)에 의해 측정되며 신호 변환 보드(43)에서 200Hz로 읽혀진다. 신호 변환 보드(43)는 A/D(아날로그/디지털) 및 D/A(디지털/아날로그) 보드(43)를 의미한다. 각도 정보는 각속도 센서(47)를 적분하여 사용하며 적응 노치 필터(41) 및 적응 제어기(42)를 포함하는 제어 컴퓨터는 적응 노치 필터(41)와 신경망을 이용한 적응 제어기(42)의 계산을 수행한다. 추력 벡터 구동기(44)는 추력 벡터 제어(TVC)방식을 이용하며 제어 컴퓨터에서 25Hz로 TVC 구동기(44)의 제어 명령을 보낸다. 증폭기 및 가진기를 사용하여 외부 교란을 모사하는 외란 모사 장치(46)가 실제 발사체 외란을 모사하여 유연 발사체 지상 시험 장치(45)에 전달한다. 다른 유연 발사체 지상 시험 장치(45)의 입력으로 적응 제어기(42)에서 계산된 추력 벡터 각도가 입력이 된다. 추력 벡터 구동기(44)는 계산된 명령 각도로 추력벡터 모듈을 위치시킨다. 이에 따라 해당되는 모멘트가 발생하여 유연 발사체 지상 시험 장치(45)가 회전하게 되고 그리고 다시 회전속도가 출력이 되어 각속도 측정 장치(47)에 의하여 측정된다.Referring to FIG. 4, the rotational speed of the body of the flexible projectile
결과result
시험 결과를 도 5a, 도 5b 및 도 5c로 나타내었다. The test results are shown in FIGS. 5A, 5B and 5C.
도 5a는 노치 필터와 PD형태의 제어기로 구성된 실험 결과를 나타낸 것이다. 노치 필터 계수는 초기에 오차를 두었다. 실제 적용한 노치 필터의 주파수는 2.4Hz와 6.7Hz로서 약 14%의 초기 오차를 가진다. 도 5a의 실험결과로부터 알 수 있는 것처럼 시간이 지날수록 각도 오차와 각속도가 안정화 되지 않고 진동하는 현상을 볼 수 있다. 이것은 부정확한 노치 필터의 설계로 인해 생기는 결과이다. 초기 노치 필터의 오차가 시간이 지나면 시스템의 벤딩 모드 주파수의 증가로 인해 크게 나타나므로 시간이 지날수록 시스템이 불안정해 진다. 위의 실험 결과를 보완하기 위해 적응노치필터와 신경망을 사용한 비선형 적응제어기를 사용해 시험하고 그리고 결과를 도 5b로 나타내었다. 앞의 경우와 마찬 가지로 초기 정지 상태에서 주기 12초인 사인파를 명령으로 사용하였다. 초기 1, 2차 노치 주파수는 1.5Hz로 46%이상의 오차를 갖도록 설계하였다. 도 5b에 나타난 것처럼 적응제어기를 사용하는 경우 자세 오차가 작으며 각속도신호에서 진동 현상이 없어진다. 앞의 노치필터를 사용한 PD제어기의 경우와 다르게 시스템이 안정화 되어 있다. 도 5c는 추정된 시스템의 벤딩 모드 주파수를 나타낸 것이다. 실제 10초 뒤 적응 노치 필터의 주파수가 실제 지상 모델의 벤딩 모드 주파수를 잘 추정하고 있다는 것을 알 수 있다. Figure 5a shows the experimental results composed of a notch filter and the PD-type controller. Notch filter coefficients initially had an error. Actually applied notch filter frequency is 2.4Hz and 6.7Hz, which has initial error of about 14%. As can be seen from the experimental result of FIG. 5A, the angular error and the angular velocity do not stabilize as time passes. This is the result of incorrect notch filter design. The error of the initial notch filter is large due to the increase of the bending mode frequency of the system over time, so the system becomes unstable over time. In order to supplement the above experimental results, a nonlinear adaptive controller using an adaptive notch filter and a neural network was tested and the results are shown in FIG. 5B. As in the previous case, a sine wave with a period of 12 seconds from the initial stop state was used as a command. Initial 1st and 2nd notch frequency is 1.5Hz and designed to have error more than 46%. As shown in FIG. 5B, when the adaptive controller is used, the posture error is small and the vibration phenomenon is eliminated in the angular velocity signal. Unlike the PD controller using the notch filter, the system is stabilized. Figure 5c shows the bending mode frequency of the estimated system. It can be seen that the frequency of the adaptive notch filter after 10 seconds actually estimates the bending mode frequency of the real terrestrial model.
본 발명에 따라 실제 발사체와 유사하게 질량 변화를 고려해 유연 발사체 지상 시험 장치가 제조되었다. 그리고 제조된 지상 시험 장치가 비선형 제어기로 성 능 시험이 되었다. 본 발명은 실제 비행을 통한 반복적인 실험이 어려운 다양한 제어 기법에 대한 성능시험이 가능하도록 한다. 그리고 성능 시험에 따른 결과는 실제 발사체에 응용될 수 있도록 한다는 이점을 가진다. According to the present invention, a flexible projectile ground test apparatus was manufactured in consideration of mass changes similar to an actual projectile. And the ground test equipment manufactured was performance tested with nonlinear controller. The present invention allows the performance test for various control techniques that are difficult to repeat the experiment through real flight. And the result of the performance test has the advantage that it can be applied to the actual projectile.
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