KR101963045B1 - Controller of nonlinear zet engine using fuzzy adaptive unscented kalman filter - Google Patents

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    • G05B13/0275Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using fuzzy logic only

Abstract

The present invention relates to a control apparatus of a non-linear zet engine using a fuzzy adaptive unscented Kalman filter. The control apparatus of a non-linear zet engine using a fuzzy adaptive unscented Kalman filter according to the present invention comprises: a fuzzy controller controlling an input fuel quantity of a jet engine by using fuzzy inference with respect to a non-linear dynamic characteristic model of a jet engine; and a fuzzy adaptive unscented Kalman filter, wherein an unscented Kalman filter is used to assess an output measured value with respect to a state variable of the fuzzy controller and the non-linear dynamic characteristic model, and a fuzzy logic is adopted during the process of tuning the unscented Kalman filter in order to reduce a covariance error caused by a noise while allowing the filter to be adaptive to the optimum gain.

Description

퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치 {CONTROLLER OF NONLINEAR ZET ENGINE USING FUZZY ADAPTIVE UNSCENTED KALMAN FILTER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a control device for a nonlinear jet engine employing a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter,

본 발명은 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심한 비선형 동특성을 갖는 제트엔진의 제어 장치에 있어서 퍼지 튜닝방식을 적용한 무향칼만필터를 이용하여 제어를 수행하는 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a control apparatus for a nonlinear jet engine to which a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter is applied, and more particularly, to a control apparatus for a jet engine having a severe nonlinear dynamic characteristic, And more particularly to a control apparatus for a nonlinear jet engine to which a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter is applied.

광범위한 운용영역에 대해서 신속한 추력 출력특성을 갖는 터보제트엔진은 비선형 동특성과 함께 운영 중 프로세스잡음과 측정잡음 특성을 파악하여 이를 효과적으로 제어하는 것이 관건이다. Turbojet engines with rapid thrust output characteristics over a wide operating range are critical to understanding nonlinear dynamics and operating noise and noise characteristics during operation and effectively controlling them.

그 동안 선형 및 비선형 제어방식을 이용하여 잡음 또는 외란 특성에 강인한 항공기용 제트엔진의 제어기 설계기법에 관한 연구가 진행되어 왔다. 이중 대부분은 선형모델에 일반적인 칼만필터를 적용하였고 비선형모델에 비선형필터를 적용한 경우는 거의 전무한 실정이다. 하지만, 비선형 영역에서 일반적인 칼만필터의 적용은 명백한 한계가 있고, 비선형성을 반영한 제트엔진의 동특성 코드에 비선형필터를 적용하기가 곤란하여 실제 시스템 적용에는 많은 제약이 있어왔다. 따라서, 실제적인 제트엔진의 효과적인 운용을 위해서는 비선형 동특성을 반영한 비선형 제어기에 적용되는 비선형필터의 설계가 시급하다고 할 것이다.In the meantime, researches have been made on the controller design technique of jet engines for aircraft that are robust against noise or disturbance characteristics using linear and nonlinear control methods. Most of them apply the general Kalman filter to the linear model, and there is almost no case where the nonlinear filter is applied to the nonlinear model. However, the application of the general Kalman filter in the nonlinear region has a clear limit, and it is difficult to apply the nonlinear filter to the dynamic characteristic code of the jet engine reflecting the nonlinearity, so that there are many restrictions on the practical application of the system. Therefore, it is urgent to design a nonlinear filter that is applied to a nonlinear controller that reflects nonlinear dynamic characteristics for effective operation of a real jet engine.

비선형 필터의 대표적인 것으로는, 가우시안 잡음을 가정한 국지적 접근(local approach) 방식의 확장칼만필터(extended Kalman filter), 이를 개선한 무향칼만필터(unscented Kalman filter), 및 전반적인 접근(global approach) 방식으로 몬테카를로(Monte Carlo) 방법에 의한 입자필터(particle filter) 등이 알려져 있으며, 항법, 유도, 감시/추적, 금융이나 증권시장의 예측 등 다양한 분야에 사용되고 있다. Representative examples of the nonlinear filter include an extended Kalman filter based on a local approach based on Gaussian noise, an unscented Kalman filter and an improved global approach And particle filter by Monte Carlo method are known and used in various fields such as navigation, guidance, monitoring / tracking, financial and stock market prediction.

확장칼만필터는 제트엔진과 같이 비선형성이 심한 경우에 국지적인 선형화를 통한 평균과 공분산의 왜곡으로 인해 오차가 발산될 수 있어 필터의 안정성을 보장할 수 없고, 사이클 해석을 통한 순차적인 수치해석 방식의 전산코딩 해법에 있어서는 선형화를 위한 쟈코비안(Jabobian)의 전산화가 복잡해지므로 엔진사이클 해석코드에 적용하기에는 부적합한 측면이 있다. 또한, 비선형특성을 잘 반영하고 있는 입자필터는 배치점(collocation points)의 수를 증대시킴에 따라 안정적인 필터성능을 보장할 수 있으나 이로 인해 매 단계별(time step) 많은 계산시간이 요구되는 단점이 있다. 이에 반해, 무향칼만필터는 비선형특성을 반영한 정률 무향변환(scaled unscented transformation)을 이용하여 평균과 공분산의 왜곡을 최소화시킴으로써 설계점 선형화로 인해 발생되는 국지적 최적화로 인한 발산문제가 상당히 해소될 수 있고 쟈코비안을 구할 필요가 없는 적용의 용이성 등으로 인해 오늘날 비선형필터 설계에 많이 사용하고 있다. The extended Kalman filter can not guarantee the stability of the filter because the error can be diverted due to the average and covariance distortion due to the local linearization when the nonlinearity is severe like the jet engine, and the sequential numerical analysis method The computerization of Jabobian for linearization is complicated, which is unsuitable for application to engine cycle analysis codes. In addition, a particle filter that reflects non-linear characteristics well can secure stable filter performance by increasing the number of collocation points, but it has a drawback in that it requires a long calculation time in each step (time step) . On the other hand, the non-directed Kalman filter minimizes the distortion of mean and covariance by using scaled unscented transformation that reflects nonlinear characteristics, so that the divergence problem due to local optimization caused by design point linearization can be solved considerably. Due to the ease of application that does not require Corbian, it is widely used in today's nonlinear filter designs.

하지만, 제트엔진의 경우 심한 비선형특성을 가져서 고정 게인 방식의 기존의 무향칼만필터만으로는 제어에 한계가 있다. However, the jet engine has a severe nonlinear characteristic, and the control is limited only by the conventional unoriented Kalman filter of the fixed gain type.

본 특허는 이러한 무향칼만밀터를 적용한 제트엔진의 제어 설계에 있어서의 한계를 파악하고, 이에 대하여 새로운 설계 방안을 제시하고자 한다. This patent grasps the limitations in the control design of a jet engine employing such a non-directional Kalman miller, and proposes a new designing method.

논문: Han, D. J., “Non-linear Control of Turbojet Engine for High Maneuverability UAV," Journal of Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 40(5), May 2012, pp. 431-438.The paper is organized as follows. Han, D. J., "Non-linear Control of Turbojet Engine for High Maneuverability UAV," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 40 (5), May 2012, pp. 431-438.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시간 단계에 따라 능동적으로 필터성능을 적응하도록 무향칼만필터를 튜닝하는 과정에서 퍼지논리를 적용하여 비선형 동특성을 가지는 제트엔진의 제어 성능을 향상시킬 수 있는 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a control method of a jet engine having nonlinear dynamic characteristics by applying fuzzy logic in a process of tuning an ungrained Kalman filter to actively adapt the filter performance according to a time step, The present invention provides a control apparatus for a nonlinear jet engine to which a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter capable of improving performance is applied.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 제트엔진의 비선형 동특성 모델에 대하여 퍼지추론계를 이용하여 상기 제트엔진의 입력 연료량을 제어하는 퍼지 제어기; 및 상기 퍼지 제어기와 상기 비선형 동특성 모델의 상태변수에 관한 출력 측정치의 평가를 위해 무향칼만필터를 사용하되, 잡음에 의한 공분산 오차를 줄이면서 최적 게인에 적응하도록 상기 무향칼만필터를 튜닝하는 과정에서 퍼지논리를 적용한 퍼지 적응형 무향칼만필터를 포함하는 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치에 의해 달성될 수가 있다. The above object can be accomplished by a fuzzy controller for controlling an input fuel quantity of a jet engine using a fuzzy inference system for a nonlinear dynamic model of a jet engine according to the present invention; And a non-linear Kalman filter for estimating output measurements on the fuzzy controller and the state variable of the nonlinear dynamic behavior model, wherein the non-linear Kalman filter is tuned to adapt to the optimal gain while reducing covariance error by noise, The present invention can be achieved by a control apparatus of a nonlinear jet engine applying a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter including a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter to which logic is applied.

여기서, 상기 퍼지 적응형 무향칼만필터는 이산 시간의 단계 k에서 측정값과 평가값의 차이를 정의하는 이노베이션에 대한 공분산과 출력 공분산과의 매칭오차(DOMk)를 최소화하기 위해 측정잡음의 공분산으로 표시되는 Rk = Rk -1+ΔRk 를 매 단계(k)마다 조정할 수가 있다. Here, the fuzzy adaptive non-directed Kalman filter is a covariance of the measurement noise in order to minimize the matching error (DOM k ) between the covariance for innovation and the output covariance, which defines the difference between the measurement value and the evaluation value at step k of the discrete time The displayed R k = R k -1 + R k can be adjusted for each step (k).

여기서, 상기 퍼지 적응형 무향칼만필터는 최적 필터게인을 갖는 상기 DOMk에 대한 ΔRk를 구하는 과정에서 상기 퍼지논리를 적용할 수가 있다. Herein, the fuzzy logic may be applied to the fuzzy adaptive non-directed Kalman filter in the process of obtaining the parameter ΔR k for the DOM k with the optimal filter gain.

여기서, 상기 퍼지 제어기는 PI형 퍼지 제어기와 미분 제어기를 조합하여 형성될 수가 있다. Here, the fuzzy controller may be formed by combining a PI type fuzzy controller and a differential controller.

상기한 바와 같은 본 발명의 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치에 따르면 기존의 무향칼만필터를 사용하는 경우와 비교하여 제어 성능이 현격하게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. According to the controller of the nonlinear jet engine to which the fuzzy adaptive irregular Kalman filter of the present invention as described above is applied, the control performance can be remarkably improved as compared with the case of using the conventional irregular Kalman filter.

도 1은 본 발명의 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치가 적용된 대상 제트엔진의 일 예를 도시한다.
도 2는 도 1의 압축기, 연소기, 터빈의 특성 곡선을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 퍼지 제어기의 제어 흐름을 도시하는 도면이다.
도 4는 퍼지 제어기에 사용되는 소속함수의 일 예를 도시한다.
도 5는 제트 엔진의 제어를 위해 사용된 퍼지 제어기와 상태변수(엔진 회전수)에 관한 출력 측정치(추력)에 관한 평가(estimator)를 위해 무향칼만필터를 적용한 제트엔진 제어 장치의 전체 제어 흐름도를 도시한다.
도 6은 무향칼만필터를 가지는 퍼지 제어기를 사용하여 제트 엔진의 제어를 수행할 때 엔진 회전수와 추력에 관한 제어 성능을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 퍼지논리를 이용한 퍼지 적응형 무향칼만필터의 튜닝 과정을 도시하는 제어 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 퍼지 적응형 무향칼만필터의 설계 과정에서 매칭오차(DOMk)와 ΔRk의 소속함수의 일 예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치를 사용하여 제트 엔진의 제어를 수행할 때 엔진 회전수와 추력에 관한 제어 성능을 도시하는 그래프이다.
FIG. 1 shows an example of a target jet engine to which a control device of a nonlinear jet engine applying the fuzzy-adaptive non-directed Kalman filter of the present invention is applied.
Fig. 2 shows characteristic curves of the compressor, combustor and turbine of Fig.
3 is a diagram showing a control flow of the fuzzy controller according to the present invention.
Fig. 4 shows an example of the membership function used in the fuzzy controller.
5 shows an overall control flow diagram of a jet engine control apparatus to which an anisotropic Kalman filter is applied for a fuzzy controller used for controlling a jet engine and an estimator for an output measurement value (thrust) relating to a state variable (engine speed) Respectively.
6 is a graph showing the control performance regarding the engine speed and the thrust when the control of the jet engine is performed using the purge controller having the non-directed Kalman filter.
7 is a control flowchart illustrating a tuning process of a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter using fuzzy logic according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows an example of the membership function of the matching error DOMk and? R k in the design process of the fuzzy adaptive non-directed Kalman filter according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the control performance regarding the engine speed and the thrust when the control of the jet engine is performed using the controller of the nonlinear jet engine to which the fuzzy adaptive non-directed Kalman filter according to the embodiment of the present invention is applied .

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of the embodiments are included in the detailed description and the drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings for explaining a control apparatus for a nonlinear jet engine to which a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter is applied according to embodiments of the present invention.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치를 설명하기에 앞서, 제트엔진을 제어하는 퍼지 제어기 및 무향칼만필터의 설계에 관하여 설명하기로 한다. First, a description will be made of a design of a fuzzy controller and an unirradiated Kalman filter for controlling a jet engine, prior to describing a control apparatus for a nonlinear jet engine applying a fuzzy adaptive irregular Kalman filter according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치가 적용된 대상 제트엔진의 일 예를 도시하고, 도 2는 도 1의 압축기, 연소기, 터빈의 특성 곡선을 도시하고, 도 3은 본 발명에 따른 퍼지 제어기의 제어 흐름을 도시하는 도면이고, 도 4는 퍼지 제어기에 사용되는 소속함수의 일 예를 도시하고, 도 5는 제트 엔진의 제어를 위해 사용된 퍼지 제어기와 상태변수(엔진 회전수)에 관한 출력 측정치(추력)에 관한 평가(estimator)를 위해 무향칼만필터를 적용한 제트엔진 제어 장치의 전체 제어 흐름도를 도시하고, 도 6은 무향칼만필터를 가지는 퍼지 제어기를 사용하여 제트 엔진의 제어를 수행할 때 엔진 회전수와 추력에 관한 제어 성능을 도시하는 그래프이다.FIG. 1 shows an example of a target jet engine to which a control device of a nonlinear jet engine applying a fuzzy-adaptive non-directed Kalman filter according to the present invention is applied. FIG. 2 shows characteristic curves of a compressor, a combustor, Fig. 3 is a diagram showing a control flow of the fuzzy controller according to the present invention, Fig. 4 shows an example of the belonging function used in the fuzzy controller, Fig. 5 shows the fuzzy controller used for the control of the jet engine, FIG. 6 shows a general control flowchart of a jet engine control apparatus to which an unleaded Kalman filter is applied for estimating an output measurement value (thrust) with respect to a variable (engine revolution number). FIG. And the control performance regarding the engine speed and thrust when performing the control of the jet engine.

도 1은 본 발명에 따라 제어를 수행하는 대상 제트엔진의 일 예를 도시하고 있는데, 실제 무인항공기용으로 사용되는 터보제트엔진(TRI 60-3)이다. FIG. 1 shows an example of a target jet engine for performing control according to the present invention, which is a turbo jet engine (TRI 60-3) used for an actual unmanned aerial vehicle.

도 1과 같은 제트엔진의 동특성 모델은 열역학적 천이(Transient) 성능으로부터 구할 수가 있다. 이는 설계점을 기준으로 도 2에 도시된 것과 같이 제트엔진의 각 구성품인 압축기(10), 연소기(20), 터빈(30) 등의 특성곡선에 열역학적 변수를 도출하는 열역학 사이클 해석을 기본으로 하여, 엔진의 운용변수(엔진 회전수, 비행속도, 고도)에 대한 엔진 내부의 유동변수(온도, 압력, 밀도, 속도 등)를 계산한 후, 각 부품 간 열역학적인 평형조건을 적용하여 성능변수(추력, 연료소모율)를 구하는 정적성능해석 결과에, 각 구성품에 대한 동력, 에너지, 유량 등에 대하여 하기의 수학식 1 내지 수학식 3과 같은 비정상(unsteady) 열평형 방정식을 적용하고, The dynamic characteristic model of the jet engine as shown in Fig. 1 can be obtained from the thermodynamic transient performance. This is based on the thermodynamic cycle analysis that derives the thermodynamic parameters on the characteristic curves of the compressor 10, the combustor 20, the turbine 30, etc., which are components of the jet engine, (Temperature, pressure, density, speed, etc.) for the operating parameters of the engine (engine speed, flight speed, altitude) and then apply the thermodynamic equilibrium conditions The unsteady thermal equilibrium equation of Equation 1 to Equation 3 is applied to the power, energy, flow rate, and the like for each component in the static performance analysis result for determining the thrust, fuel consumption rate,

압축기(c) - 터빈(t) 간 동력평형:Power balance between compressor (c) and turbine (t):

Figure 112017109362306-pat00001
<수학식 1>
Figure 112017109362306-pat00001
&Quot; (1) &quot;

에너지평형:Energy balance:

Figure 112017109362306-pat00002
<수학식 2>
Figure 112017109362306-pat00002
&Quot; (2) &quot;

유량평형:Flow Equilibrium:

Figure 112017109362306-pat00003
<수학식 3>
Figure 112017109362306-pat00003
&Quot; (3) &quot;

(여기서, c: 압축기(10), t: 터빈(30), o: 출력 측, i: 입력 측, W: 유량, P: (전)압력, T: (전)온도, I: 로타 축관성모멘트, N: 엔진 회전수(RPM), H: 엔탈피, V: 체적, U: 내부에너지)I: input side, W: flow rate, P: (total) pressure, T: (total) temperature, I: rotor shaft inertia (t) N: engine speed (RPM), H: enthalpy, V: volume, U: internal energy)

이를 입력 연료량 대비 열평형 관계를 이산시간(discrete time) k에 따른 비선형 동특성 방정식으로 표시하면 다음과 같다.The thermal equilibrium relation with respect to the input fuel quantity is expressed by the nonlinear dynamics equation according to discrete time k as follows.

Figure 112017109362306-pat00004
<수학식 4>
Figure 112017109362306-pat00004
&Quot; (4) &quot;

(여기서, x: 상태변수(엔진 회전수, 압력, 온도), y: 출력변수(추력), u: 연료입력, w: 프로세스잡음 v; 측정잡음, k: 샘플시간) (Where, x: the state variables (engine speed, pressure, temperature), y: the output variables (thrust), u: Fuel input, w: noise process v; measurement noise, k: sample time)

상기와 같이 구해진 비선형 동특성 모델에 적합한 비선형 제어기를 설계하기로 한다. 이때, 제트엔진의 제어기 설계의 목표는 <수학식 4>와 같은 비선형특성을 갖는 제트엔진 시스템에 대해서 압축기(10) 서지영역 이내에서 안정적이고 신속한 추력(thrust) 특성을 얻도록 입력 연료량을 효과적으로 제어하는 것으로써, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 비선형 제어기의 설계에 퍼지 제어기법을 적용한다. A nonlinear controller suitable for the nonlinear dynamic model as described above will be designed. At this time, the controller design goal of the jet engine is to control the input fuel amount effectively to obtain a stable and rapid thrust characteristic within the surge region of the compressor 10 for the jet engine system having the non-linear characteristic as shown in Equation (4) The fuzzy control technique is applied to the design of the nonlinear controller as shown in FIG.

이때, 상기 퍼지 제어기법을 적용한 퍼지 제어기(100)는 PI형 퍼지제어기와 일반적인 미분제어기를 조합하여 구성될 수가 있다. 보다 자세히 설명하면, 추력과 비례하는 엔진 회전수를 상태변수로 하는 PI형 퍼지제어기와 효용성을 기반으로 효율적인 제어기 설계를 위해 일반적인 미분제어기를 조합하여 구성될 수가 있다. 이때, PI형 퍼지추론계(fuzzy inference system)를 사용한 퍼지 제어기(100)에서 적분기의 경우, 와인드업(wind-up)으로 인한 제어입력의 포화현상을 방지하기 위해 매 스텝 당 이전의 누적된 값을 청산(reset)시키기 위해서 다음과 같은 형태의 증분형 추론 방식을 사용할 수가 있다. At this time, the fuzzy controller 100 to which the fuzzy control technique is applied may be configured by combining a PI type fuzzy controller and a general differential controller. More specifically, the PI type fuzzy controller with the engine speed proportional to the thrust can be used as a state variable, and a general differential controller for efficient controller design based on efficiency. In this case, in the fuzzy controller 100 using the PI type fuzzy inference system, in order to prevent the saturation of the control input due to the wind-up in the case of the integrator, The following type of incremental reasoning method can be used for resetting.

다음과 같은 퍼지규칙(i-th rule)에 대해For the following fuzzy rule (i-th rule)

Figure 112017109362306-pat00005
Figure 112017109362306-pat00005

Figure 112017109362306-pat00006
는 각각 전제부와 결론부의 소속함수들로서, 7개의 삼각형 퍼지화 변수(NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB)를 사용하였고, 입력(
Figure 112017109362306-pat00007
)으로는 엔진 전수(RPM)(오차, 오차증분)가 되며 출력값 증분
Figure 112017109362306-pat00008
는 연료량 증분이 된다. 이때 사용된 전제부 및 결론부 각각의 소속함수는 도 4에 도시된 함수일 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112017109362306-pat00006
(NB, NM, NS, ZO, PS, PM, and PB) are used as the membership functions of the pre-
Figure 112017109362306-pat00007
(RPM) (error, error increment), and the output value increment
Figure 112017109362306-pat00008
Becomes the fuel amount increment. The membership functions of the preamble and the conclusion used at this time may be the functions shown in FIG. 4, but the present invention is not limited thereto.

입력 연료량(

Figure 112017109362306-pat00009
)은 도출된 퍼지 출력값과 함께 오차증분
Figure 112017109362306-pat00010
에 대한 일반적인 미분제어기를 결합한 다음과 같은 PID형 퍼지 제어기(100)를 통하여 구해질 수가 있다.Input fuel amount (
Figure 112017109362306-pat00009
) &Lt; / RTI &gt; is the error increment along with the derived fuzzy output value
Figure 112017109362306-pat00010
Can be obtained through the following PID type fuzzy controller 100 which combines a general differential controller for the PID type.

Figure 112017109362306-pat00011
<수학식 5>
Figure 112017109362306-pat00011
Equation (5)

여기서,

Figure 112017109362306-pat00012
는 각각 엔진 회전수(RPM)의 오차증분 및 오차의 퍼지추론값, 오차증분의 변화량을 표시하고,
Figure 112017109362306-pat00013
는 각각 비례퍼지게인, 적분퍼지게인, 일반적인 미분게인으로서 각각 5.95, 0.1, 0.00035로 조정된다. here,
Figure 112017109362306-pat00012
Respectively represent the error increment of the engine speed RPM and the fuzzy inference value of the error and the variation amount of the error increment,
Figure 112017109362306-pat00013
Are adjusted to 5.95, 0.1, and 0.00035, respectively, as general differential gain, proportional spreading, integral spreading, respectively.

이하, 상기와 같은 퍼지 제어기(100)가 적용된 제어기에 무향칼만필터를 적용하는 경우를 설명하기로 한다. Hereinafter, the case where the non-directed Kalman filter is applied to the controller to which the above-described fuzzy controller 100 is applied will be described.

프로세스 및 출력 측정치에 작용하는 각각의 가우시안 잡음으로 가정한 공분산

Figure 112017109362306-pat00014
,
Figure 112017109362306-pat00015
에 대해 평균
Figure 112017109362306-pat00016
과 공분산
Figure 112017109362306-pat00017
을 매개변수로 변환된 비선형변수
Figure 112017109362306-pat00018
로 수학식 6과 같이 시그마점(sigma point)을 표시한 후,The covariance assuming each Gaussian noise acting on the process and output measurements
Figure 112017109362306-pat00014
,
Figure 112017109362306-pat00015
Average for
Figure 112017109362306-pat00016
And covariance
Figure 112017109362306-pat00017
Into nonparametric variables
Figure 112017109362306-pat00018
, A sigma point is expressed as Equation (6)

Figure 112017109362306-pat00019
<수학식 6>
Figure 112017109362306-pat00019
&Quot; (6) &quot;

(여기서, (단, L : 상태변수 개수,

Figure 112017109362306-pat00020
: 조정상수)(Where, L : number of state variables,
Figure 112017109362306-pat00020
: Adjustment constant)

상태변수와 출력에 대해서 각각 다음과 같이 무향변환 시키면, Converting the state variables and outputs to the following, respectively,

Figure 112017109362306-pat00021
<수학식 7>
Figure 112017109362306-pat00021
&Quot; (7) &quot;

Figure 112017109362306-pat00022
<수학식 8>
Figure 112017109362306-pat00022
&Quot; (8) &quot;

각각에 대한 평균과 공분산은 다음과 같이 예측(predict)되고, The mean and covariance for each are predicted as follows,

Figure 112017109362306-pat00023
<수학식 9>
Figure 112017109362306-pat00023
&Quot; (9) &quot;

Figure 112017109362306-pat00024
<수학식 10>
Figure 112017109362306-pat00024
&Quot; (10) &quot;

Figure 112017109362306-pat00025
<수학식 11>
Figure 112017109362306-pat00025
Equation (11)

Figure 112017109362306-pat00026
<수학식 12>
Figure 112017109362306-pat00026
&Quot; (12) &quot;

Figure 112017109362306-pat00027
<수학식 13>
Figure 112017109362306-pat00027
&Quot; (13) &quot;

(여기서,

Figure 112017109362306-pat00028
는 각각 평균과 공분산의 가중치로서 적당한 값을 정한다.)(here,
Figure 112017109362306-pat00028
Is a weight of the mean and covariance, respectively.

이를 필터게인(

Figure 112017109362306-pat00029
)을 이용하여 다음과 같이 실시간(k)으로 평균과 공분산을 보정(update)한 후,This is called filter gain
Figure 112017109362306-pat00029
) To update the mean and covariance in real time (k) as follows,

Figure 112017109362306-pat00030
<수학식 14>
Figure 112017109362306-pat00030
&Quot; (14) &quot;

Figure 112017109362306-pat00031
<수학식 15>
Figure 112017109362306-pat00031
&Quot; (15) &quot;

다음 시간단계(time step)에서 수학식 6 내지 수학식 15의 과정을 반복 진행한다. The process of Equations (6) to (15) is repeated at the next time step.

참고로, 도 5는 도 1의 대상 제트엔진에 제어를 위해 사용된 퍼지 제어기(100)와 상태변수(엔진 회전수)에 관한 출력측정치(추력)의 평가(estimator)를 위해 무향칼만필터를 적용한 제트엔진 제어기의 전체 제어 흐름도를 도시한다.  For reference, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the fuzzy controller 100 used for the control of the target jet engine of FIG. 1 and an unirradiated Kalman filter for estimating output measurements (thrust) 1 shows a general control flow diagram of a jet engine controller.

도 6은 회전수와 추력 측정치의 잡음 공분산을 각각 1000 RPM, 100 N으로 하였을 경우에, 필터가 없는 잡음에 의한 실제값(true w/o filter)과 무향칼만필터를 적용한 경우 각각의 퍼지 제어기(100)의 성능을 상태변수인 엔진 회전수와 출력변수인 추력에 대해 비교한 것이다. 엔진 회전수 및 추력 공히 천이(transient) 이후에 제어기 및 필터의 성능이 급격히 저하되고 있음을 볼 수 있다. 엔진 회전수의 경우 필터가 없는 실제값과 비교하여 오히려 분산오차는 물론 평균값인 추세에서 큰 오차를 보이고 있다. 특히 정상상태 부근값인 27,000 RPM을 이탈하고 있어 무향변환으로 인한 평균값의 왜곡이 심하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 추력의 경우 분산오차는 실제값에 비해 다소 감소하였으나 평균값인 추세가 정상상태 값에 비해 발산되는 경향을 보이고 있어 무향변환에 의해 평균값이 발산하는 불안정한 필터성능을 나타내고 있다. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the actual covariance (true w / o filter) and the non-covariant Kalman filter, when the noise covariance of the rotational speed and the thrust measurement is 1000 RPM and 100 N, respectively. 100) is compared with the engine speed, the state variable, and the output variable, thrust. It can be seen that the performance of the controller and the filter is rapidly deteriorated after the transient of the engine speed and the thrust. In the case of the engine speed, there is a large error in the tendency of the average value as well as the dispersion error in comparison with the actual value without the filter. Especially, it is deviated from the steady state value of 27,000 RPM, which shows that the distortion of the average value due to the smell diffusion is severely appeared. In the case of thrust, the dispersion error is somewhat reduced compared to the actual value, but the trend of the average value tends to be divergent compared to the steady state value, indicating the unstable filter performance in which the average value diverges due to the non-conversion.

수학식 4로 표시된 대상 제트엔진의 비선형성은 도 6에서의 운용범위(22,000 RPM -> 27,000 RPM) 부근과 대비해서 매우 큰 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 비선형필터의 일종인 무향칼만필터의 성능저하는 대상 제트엔진의 심한 비선형특성에 기인한 것으로, 이런 경우에는 무향변환에서 발생되는 왜곡오차로 인해 고정게인 방식의 기존 무향칼만필터만으로는 한계가 있음을 알 수 있다.It can be seen that the nonlinearity of the target jet engine represented by Equation (4) shows a very large tendency in comparison with the operating range in FIG. 6 (22,000 RPM -> 27,000 RPM). Thus, the performance degradation of the non-linear Kalman filter, which is a kind of nonlinear filter, is due to the severe non-linear characteristics of the target jet engine. In this case, due to the distortion error generated in the non- .

대상 제트엔진과 같이 심한 비선형특성을 갖는 시스템에 가장 최적의 비선형필터로는 확률밀도함수(PDF: probability density function)로 표시되는 측정값을 기준으로 하는 베이시안(Bayesian) 방식의 입자필터가 있다. 그러나 가우시안 형태의 확률밀도함수로 최적화된 베이시안 필터의 사용은 극히 제한적이고 무엇보다도 매 시간단계 별 몬테카를로 시뮬레이션에 소요되는 막대한 계산시간으로 인해 이를 이용한 제어기 및 필터의 설계에는 근본적인 한계가 있음은 전술한 바와 같다. 따라서, 기존의 무향칼만필터를 보완하는 방안이 가장 효과적이라 판단하여, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 이를 위해 시간단계에 따라 능동적으로 필터성능을 적응하여 가는 방식의 적응 필터게인 조정방식을 통해 기존의 무향칼만필터에 대해 필터게인의 추가적인 튜닝과정을 거치도록 한다.The most suitable nonlinear filter for a system with severe nonlinear characteristics such as the target jet engine is Bayesian type particle filter based on a measurement value represented by a probability density function (PDF). However, the use of the Bayesian filter optimized with the Gaussian type probability density function is extremely limited, and there is a fundamental limitation in the design of the controller and the filter using the Bessian filter because of the enormous computation time required for the Monte Carlo simulation at each time step. Same as. Accordingly, it is determined that a method of supplementing the conventional non-directed Kalman filter is most effective. According to the present invention, as described later, the adaptive filter gain adjustment method, which adapts the filter performance actively according to the time step, The non-directed Kalman filter is subjected to additional tuning of the filter gain.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조로, 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치에 관하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a control apparatus for a nonlinear jet engine to which a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter according to an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 7 to 9. FIG.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 퍼지논리를 이용한 퍼지 적응형 무향칼만필터의 튜닝 과정을 도시하는 제어 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 퍼지 적응형 무향칼만필터의 설계 과정에서 매칭오차(DOMk)와 ΔRk의 소속함수의 일 예를 도시하고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치를 사용하여 제트 엔진의 제어를 수행할 때 엔진 회전수와 추력에 관한 제어 성능을 도시하는 그래프이다.FIG. 7 is a control flowchart showing a tuning process of a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter using fuzzy logic according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a flowchart illustrating a process of tuning a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter according to an embodiment of the present invention. 9 shows an example of the membership function of the matching error DOMk and the deviation error function R k in the process of the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph showing the control performance regarding the engine speed and thrust when performing the control of FIG.

본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치는 퍼지 제어기(100) 및 퍼지 적응형 무향칼만필터(200)를 포함하여 구성될 수가 있다. The controller of the nonlinear jet engine applying the fuzzy adaptive irregular Kalman filter according to an embodiment of the present invention may be configured to include the fuzzy controller 100 and the fuzzy adaptive irregular Kalman filter 200. [

퍼지 제어기(100)는 전술한 바와 같이 구한 제트엔진의 비선형 동특성 모델에 대하여 퍼지추론계를 이용하여 제트엔진의 입력 연료량을 제어한다. 본 발명에서 퍼지 제어기(100)는 PI형 퍼지 제어기와 일반적인 미분 제어기를 조합하여 구성될 수가 있는데, 퍼지 제어기(100)에 관한 설명은 도 3을 기초로 전술하였으므로 이에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다. The fuzzy controller 100 controls the input fuel amount of the jet engine using a fuzzy inference system for the nonlinear dynamic model of the jet engine obtained as described above. In the present invention, the fuzzy controller 100 may be configured by combining a PI type fuzzy controller and a general differential controller. Since the description of the fuzzy controller 100 has been described with reference to FIG. 3, detailed description thereof will be omitted .

퍼지 적응형 무향칼만필터(200)는 퍼지 제어기(100)와 비선형 동특성 모델의 상태변수의 평가를 위해 전술한 무향칼만필터를 사용하되, 접음에 의한 공분산 오차를 줄이면서 최적 게인에 적응하도록 무향칼만필터를 튜닝하는 과정에서 퍼지논지를 추가로 적용한 무향칼만필터이다. The fuzzy adaptive non-directed Kalman filter 200 uses the above-described non-directed Kalman filter to evaluate the state variables of the fuzzy controller 100 and the nonlinear dynamic behavior model, and uses the non-directed Kalman filter to reduce the covariance error by folding, It is an unfiltered Kalman filter with additional fuzzy logic in the process of tuning the filter.

즉, 단계 k에서 측정값과 평가값의 차이를 정의하는 이노베이션(Innovation)That is, in step k, an innovation, which defines the difference between the measured value and the evaluated value,

Figure 112017109362306-pat00032
<수학식 16>
Figure 112017109362306-pat00032
&Quot; (16) &quot;

에 대한 공분산Covariance to

Figure 112017109362306-pat00033
<수학식 17>
Figure 112017109362306-pat00033
&Quot; (17) &quot;

(여기서, M: 윈도우길이)(Where M is the window length)

과 출력 공분산과의 매칭오차(DOM: Degree of Matching)인

Figure 112017109362306-pat00034
를 최소화하기 위해 측정잡음의 공분산으로 표시되는
Figure 112017109362306-pat00035
을 이에 매 단계(k)마다 조정하여 적응해 가는 과정이다(도 7 참조). 이때, 최적 필터게인을 갖는
Figure 112017109362306-pat00036
에 대한
Figure 112017109362306-pat00037
을 구하는 방안에 있어 다음과 같은 퍼지논리를 적용할 수가 있다. And the output covariance (DOM: Degree of Matching)
Figure 112017109362306-pat00034
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; covariance &lt; / RTI &gt; of the measurement noise to minimize
Figure 112017109362306-pat00035
(K) for each step (see FIG. 7). At this time,
Figure 112017109362306-pat00036
For
Figure 112017109362306-pat00037
The following fuzzy logic can be applied.

전제부와 결론부의 소속함수는 각각 5개의 삼각형 퍼지화 변수(NM, NS, ZE, PS, PM), (IL, I, M, D, DL)를 사용하며 사용된 퍼지규칙은 다음과 같고,The fuzzy rules used in this paper are as follows. The fuzzy rules used are five triangular fuzzy variables (NM, NS, ZE, PS, PM) and (IL, I, M, D, DL)

Figure 112017109362306-pat00038
Figure 112017109362306-pat00038

Figure 112017109362306-pat00039
각각의 소속함수의 일 예의 형상은 도 8과 같을 수가 있는데, 퍼지규칙 및 소속함수의 예는 이에 한정되는 것은 아니다. 이때,
Figure 112017109362306-pat00040
는 목표점 부근으로 갈수록 면밀히 배치하고
Figure 112017109362306-pat00041
는 더욱 조밀하게 분포시켜 튜닝의 정밀도가 확보될 수가 있다.
Figure 112017109362306-pat00039
The shape of an example of each belonging function may be the same as that of FIG. 8, but examples of the fuzzy rule and the membership function are not limited thereto. At this time,
Figure 112017109362306-pat00040
Is placed closer and closer to the target point
Figure 112017109362306-pat00041
Can be distributed more densely and the accuracy of tuning can be ensured.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 적응형 무향칼만필터(FAUKF : Fuzzy Adaptive Unscented Kalman Filter)의 튜닝과정을 도시한다.FIG. 7 illustrates a tuning process of a fuzzy adaptive unscented Kalman filter (FAUKF) according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명에 따라 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 제어 장치의 엔진 회전수 및 추력 성능을 도시한다. 정성적인 양상을 살펴보면, 기존 무향칼만필터를 적용한 결과인 도 6에 비해 실제값과 분산오차는 물론 평균값인 추이도 오차가 크게 감소하였고, 실제값 보다도 분산오차가 감소된 안정된 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 특히, 엔진 회전수의 경우 실제값보다 분산오차는 물론 평균값 오차가 감소한 안정된 양상의 필터성능을 보이고 있고, 추력의 경우도 천이 이후의 정상상태 추이가 상당히 안정된 양상을 보이고 있음을 알 수 있다. Fig. 9 shows the engine speed and thrust performance of a control apparatus using a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter according to the present invention. As shown in Fig. 6, it can be seen that the error of the average value, as well as the actual value and the dispersion error, are significantly reduced compared with the result of applying the conventional unoriented Kalman filter, and that the dispersion error is less stable than the actual value . In particular, the engine performance shows a stable filter performance with a reduced average error as well as variance error than the actual value, and the steady state trend after the transition shows a fairly stable state even in the thrust case.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

10: 압축기
20: 연소기
30: 터빈
100: 퍼지 제어기
200: 퍼지 적응형 무향칼만필터
10: Compressor
20: Combustor
30: Turbine
100: Fuzzy controller
200: Fuzzy adaptive irregular Kalman filter

Claims (4)

제트엔진의 비선형 동특성 모델에 대하여 퍼지추론계를 이용하여 상기 제트엔진의 입력 연료량을 제어하는 퍼지 제어기; 및
상기 퍼지 제어기와 상기 비선형 동특성 모델의 상태변수에 관한 출력 측정치의 평가를 위해 무향칼만필터를 사용하되, 잡음에 의한 공분산 오차를 줄이면서 최적 게인에 적응하도록 상기 무향칼만필터를 튜닝하는 과정에서 퍼지논리를 적용한 퍼지 적응형 무향칼만필터를 포함하고,
상기 퍼지 적응형 무향칼만필터는
이산 시간의 단계 k에서 측정값과 평가값의 차이를 정의하는 이노베이션에 대한 공분산과 출력 공분산과의 매칭오차(DOMk)를 최소화하기 위해 측정잡음의 공분산으로 표시되는 Rk= Rk-1+ΔRk 를 매 단계(k)마다 조정하는 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치.
A fuzzy controller for controlling an input fuel quantity of the jet engine using a fuzzy inference system for a nonlinear dynamic model of the jet engine; And
Wherein the non-linear Kalman filter is used for the evaluation of the output measurement values of the fuzzy controller and the state variable of the nonlinear dynamic behavior model, and wherein in the process of tuning the non-Kalman filter to adapt to the optimum gain while reducing the covariance error by noise, And a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter to which the fuzzy adaptive non-directed Kalman filter is applied,
The fuzzy adaptive irregular Kalman filter
Matching error between the covariance and the output covariance of the innovations, which defines the difference between the measured value and the evaluation value in step k the discrete time (DOM k) of R k = R k-1 represented by the covariance of the measurement noise to minimize + A controller for a nonlinear jet engine applying a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter for adjusting? R k every step (k).
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 퍼지 적응형 무향칼만필터는 최적 필터게인을 갖는 상기 DOMk에 대한 ΔRk를 구하는 과정에서 상기 퍼지논리를 적용하는 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the fuzzy adaptive non-directed Kalman filter is a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter for applying the fuzzy logic in the process of obtaining ΔR k for the DOM k with an optimal filter gain.
제 1 항에 있어서,
상기 퍼지 제어기는 PI형 퍼지 제어기와 미분 제어기를 조합하여 형성되는 퍼지 적응형 무향칼만필터를 적용한 비선형 제트엔진의 제어 장치.

The method according to claim 1,
Wherein the fuzzy controller is a fuzzy adaptive non-directed Kalman filter formed by combining a PI type fuzzy controller and a differential controller.

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