KR20130118024A - Nonlinear control method for gas generator - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A nonlinear control method of a gas generator is provided to obtain the high performance of control so as to be insensitive to the change of inner space size. CONSTITUTION: A nonlinear control method of a gas generator calculates the difference between an input command (11) and a pressure sensing signal (15) that senses the substantial pressure of the gas generator (10), and uses the calculated difference as the nozzle throat size adjusting valve control signal by applying a control gain (13) to the calculated difference. The control gain is continuously changed by the size of the inner space of the gas generator that is estimated by the pressure sensing signal and a space estimator (16). [Reference numerals] (10) Gas generator; (11) Command; (16) Space estimating

Description

가스 발생기의 비선형 제어방법{Nonlinear Control Method for Gas Generator}Nonlinear Control Method for Gas Generator

본 발명은 로켓 등의 추진체에서 연소가스를 발생시키는 가스 발생기의 노즐을 통해 배출되는 유량 및 추력을 조절하기 위하여 노즐의 출구 단면적을 가변시키는 노즐 크기 조절밸브를 제어하기 위한 가스 발생기의 비선형 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a non-linear control method of a gas generator for controlling a nozzle size control valve varying an outlet cross-sectional area of a nozzle to adjust a flow rate and thrust discharged through a nozzle of a gas generator that generates combustion gas from a propellant such as a rocket. It is about.

일반적으로 로켓 등의 추진체에서 연소가스를 발생시키는 가스 발생기 및 그 제어시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 고체 추진제(51)가 채워지며 연소가스의 고압을 지지하는 고압 용기(50)와, 상기 고압 용기(50)에 장착되어 연소 가스가 배출되도록 하는 노즐(55)과, 상기 고압 용기(50)에 형성되는 내부 공간(53)의 압력을 감지하는 압력 센서(57)와, 상기 노즐(55)에 설치되어 상기 노즐(55)의 단면적을 가변시키는 노즐목 크기 조절밸브(56)와, 상기 압력 센서(57)에 의해 측정된 상기 내부 공간(53)의 압력에 따라 상기 노즐 크기 조절밸브(56)를 제어하여 상기 노즐(55)의 유로 단면적을 조절하는 제어장치(58)로 이루어져 있다.In general, a gas generator for generating combustion gas in a propellant such as a rocket and a control system thereof include a high pressure vessel 50 filled with a solid propellant 51 and supporting high pressure of the combustion gas, as shown in FIG. A nozzle 55 mounted on the container 50 to discharge the combustion gas, a pressure sensor 57 sensing the pressure of the internal space 53 formed in the high pressure container 50, and the nozzle 55 A nozzle neck size control valve 56 which is installed at and varies the cross-sectional area of the nozzle 55 and the nozzle size control valve 56 according to the pressure of the internal space 53 measured by the pressure sensor 57. ) To control the flow path cross-sectional area of the nozzle (55).

상기한 종래의 가스 발생기 및 그 제어시스템은 고체 추진제의 연소에 따라 변화되는 고압 용기의 내부 압력에 따라 노즐의 출구 단면적을 조절함으로써 연소 가스의 배출 유량 및 추진체의 추력을 결정하게 된다.The conventional gas generator and its control system determine the discharge flow rate of the combustion gas and the thrust of the propellant by adjusting the outlet cross-sectional area of the nozzle in accordance with the internal pressure of the high pressure vessel which changes with the combustion of the solid propellant.

고압 용기(50)에 충전된 고체 추진제(51)가 도면상 화살표 방향을 따라 연소되고, 상기 고체 추진제(51)의 연소에 따라 연소가스가 발생한다. 발생한 연소가스는 상기 고압 용기(50)에 형성된 내부 공간(53)을 통과한 후 노즐(55)로 배출된다. 이때, 연소가 시작된 상기 고체 추진제(51)는 연소가 종료할 때까지 계속하여 연소가스를 발생시키게 된다. The solid propellant 51 filled in the high pressure vessel 50 is burned in the direction of the arrow in the drawing, and combustion gas is generated in accordance with the combustion of the solid propellant 51. The generated combustion gas is discharged to the nozzle 55 after passing through the internal space 53 formed in the high-pressure container 50. At this time, the solid propellant 51 commenced combustion continues to generate combustion gas until the combustion ends.

한편, 상기한 가스 발생기가 구비된 로켓 등의 추진체에서는 추력을 조절하기 위하여 상기 노즐(55)을 통해 배출되는 가스의 유량을 조절하고 있다. 즉 상기 노즐(55)에 설치된 노즐 크기 조절밸브(56)를 움직임으로써 상기 노즐(55)의 출구 단면적을 제어하게 된다.On the other hand, the propellant, such as a rocket equipped with the gas generator is controlling the flow rate of the gas discharged through the nozzle 55 in order to control the thrust. That is, the outlet cross-sectional area of the nozzle 55 is controlled by moving the nozzle size control valve 56 installed in the nozzle 55.

상기 고압 용기(50)에 형성되는 내부 공간(53)의 압력은 상기 노즐(55)의 출구 단면적이 감소하여 연소가스의 발생량보다 배출량이 감소함에 따라 증가하고, 증가한 내부 압력은 상기 고체 추진제(51)가 더욱 빠르게 연소하게 하는 효과를 야기한다. 즉, 상기 내부 공간(53)의 압력과 상기 고체 추진제(51)의 연소 속도는 서로 상관관계가 있다.The pressure of the internal space 53 formed in the high pressure vessel 50 increases as the discharge cross-sectional area of the nozzle 55 decreases than the amount of combustion gas generated, and the increased internal pressure increases the solid propellant 51. ) Causes the effect of burning faster. That is, the pressure of the internal space 53 and the combustion rate of the solid propellant 51 are correlated with each other.

따라서, 추진체에 있어서 원하는 노즐(55)의 출구 유량과 추력을 얻기 위해서는, 노즐 크기 조절밸브(56)를 움직여 상기 고압 용기(50)에 형성된 내부 공간(53)의 압력을 조절할 필요가 있다. 즉, 상기 고압 용기(50)에 압력 센서(57)를 설치하여 상기 고압 용기(50)의 내부 압력을 상기 압력 센서(57)로 측정하고, 전자식 제어장치(58)를 이용하여 상기 노즐 크기 조절밸브(56)를 제어함으로써 상기 고압 용기(50)의 내부 압력을 조절하는 것이다.Therefore, in order to obtain the desired outlet flow rate and thrust of the nozzle 55 in the propellant, it is necessary to adjust the pressure of the internal space 53 formed in the high pressure vessel 50 by moving the nozzle size control valve 56. That is, the pressure sensor 57 is installed in the high pressure vessel 50 to measure the internal pressure of the high pressure vessel 50 with the pressure sensor 57, and the nozzle size is adjusted using the electronic controller 58. The internal pressure of the high pressure vessel 50 is controlled by controlling the valve 56.

이러한 가스 발생기의 내부 압력을 조절하는 방법은 복잡한 비선형 운동방정식을 기반으로 가스 발생기를 설계하여 노즐 크기 조절밸브의 운동량을 비선형 제어하는 방법과 선형 운동방정식을 기반으로 가스 발생기를 설계하여 선형 제어하는 방법이 있다.The method of controlling the internal pressure of the gas generator is a method of nonlinear control of the momentum of the nozzle size control valve by designing the gas generator based on a complex nonlinear equation of motion and a method of linear control of the gas generator based on the linear equation of motion. There is this.

그러나, 비선형 제어방법의 경우 측정해야 하는 물리량이 압력 이외에도 더 많은 변수를 측정해야 하거나, 측정이 불가능한 변수는 복잡한 계산에 의해 추정해야 한다. 이러한 접근 방식은 문제의 해결을 어렵게 하고 있으며 원하는 제어 성능을 얻기 위해서는 변수를 정확하게 추정해야 하는 제약조건이 있다.However, in the case of the nonlinear control method, the physical quantity to be measured should measure more variables in addition to the pressure, or variables which cannot be measured should be estimated by complicated calculations. This approach makes it difficult to solve the problem and has the constraint of accurately estimating the variables to achieve the desired control performance.

선형 제어방법은 상기한 비선형 제어방법에 비해서는 상대적으로 문제 해결이 용이하나 특정한 평형 조건에서만 효과적으로 제어 성능을 가진다는 단점이 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 고압 용기의 내부 형상이 설계점을 벗어난 시점에서는 제어 성능이 좋지 않게 된다. 특히, 장시간이 지나면 제어 성능은 만족할 수 없는 수준을 지나 불안정한 상태를 보일 수 있기 때문에, 하나의 제어이득을 이용하여 제어 알고리즘을 구성하면 만족할만한 출력을 얻을 수 없다.The linear control method is relatively easy to solve the problem compared to the non-linear control method described above, but has a disadvantage in that it has an effective control performance only under specific equilibrium conditions. That is, as shown in FIG. 2, when the internal shape of the high pressure vessel is out of the design point, the control performance is not good. In particular, since a long time passes, the control performance may be unstable and may be unstable. Therefore, when a control algorithm is configured using one control gain, a satisfactory output cannot be obtained.

따라서, 고압 용기의 내부 공간 크기에 따른 여러 개의 평형 조건에 대하여 제어 이득을 각각 설정하고, 이 제어 이득을 상기 고압 용기의 내부 공간 크기에 따라 연속적으로 변경해주면 원하는 제어 성능을 얻을 수 있게 된다. 이와 같이 제어 이득을 변경해가면서 제어하는 방법을 이득 스케줄링 기법이라 한다.Therefore, if the control gains are set for several equilibrium conditions according to the internal space size of the high pressure vessel, and the control gains are continuously changed according to the internal space size of the high pressure vessel, desired control performance can be obtained. As described above, a method of controlling while changing the control gain is called a gain scheduling technique.

상기한 이득 스케줄링 기법을 가스 발생기에 적용하기 위해서는 가스 발생기를 구성하는 고압 용기의 내부 공간 크기를 측정할 필요가 있다. 고압 용기의 내부 공간 크기를 측정하기 위해서 센서를 추가 장착하여야 하지만, 고온의 연소가스가 발생하는 가스 발생기의 특성을 고려하면 센서의 장착을 통해 고압 용기의 내부 공간 크기를 측정하는 것은 불가능하다.In order to apply the above-described gain scheduling technique to the gas generator, it is necessary to measure the internal space size of the high pressure vessel constituting the gas generator. In order to measure the internal space size of the high pressure vessel, a sensor must be additionally installed, but considering the characteristics of the gas generator that generates a high temperature combustion gas, it is impossible to measure the internal space size of the high pressure vessel through the installation of the sensor.

다시 말해서, 가스 발생기를 구성하는 고압 용기에 센서를 부착하여 내부 공간 크기를 측정할 수 없기 때문에, 이득 스케줄링 기법을 가스 발생기의 제어에 적용하는 것은 불가능하다.In other words, it is impossible to apply the gain scheduling technique to the control of the gas generator because the internal space size cannot be measured by attaching a sensor to the high pressure vessel constituting the gas generator.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가스 발생기의 내부 공간의 크기를 직접 측정하지 않고 내부 공간의 압력을 감지하는 압력 센서에 의해 감지된 압력 신호를 이용하여 내부 공간의 크기를 추정한 후 이를 가스 발생기의 노즐 단면적 제어에 이용함으로써, 이득 스케줄링 기법을 가스 발생기의 제어에 적용할 수 있음은 물론 가스 발생기의 내부 공간 크기 변화에 둔감한 높은 제어 성능을 얻을 수 있는 가스 발생기의 비선형 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the size of the internal space using a pressure signal detected by the pressure sensor for detecting the pressure of the internal space without directly measuring the size of the internal space of the gas generator. By estimating and using this to control the nozzle cross-sectional area of the gas generator, the gain scheduling technique can be applied to the control of the gas generator and the nonlinearity of the gas generator can obtain high control performance insensitive to changes in the internal space size of the gas generator. The purpose is to provide a control method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스 발생기의 노즐에 설치된 노즐 크기 조절밸브를 제어하여 가스 유량 및 추력을 조절하는 가스 발생기의 비선형 제어 방법에 있어서, 입력된 명령과 상기 가스 발생기의 실제 압력을 감지한 압력 감지신호와의 차이를 계산하고, 여기에 제어 이득을 적용하여 가스발생기의 노즐목 크기 조절밸브 제어신호로 사용하되, 상기 제어 이득은 상기 압력 감지신호와 공간 추정기에 의해 추정된 상기 가스발생기의 내부 공간의 크기에 의해 연속적으로 변화하도록 한 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, in the non-linear control method of the gas generator to control the gas flow rate and thrust by controlling the nozzle size control valve installed in the nozzle of the gas generator, the input command and the actual pressure of the gas generator The difference between the detected pressure sensing signal is calculated and a control gain is applied to the nozzle neck size control valve control signal of the gas generator, wherein the control gain is the gas estimated by the pressure sensing signal and the space estimator. It is characterized by continuously changing by the size of the internal space of the generator.

또, 본 발명의 가스 발생기의 비선형 제어방법에 있어서, 상기 공간 추정기는 다음의 수식을 이용하여 공간 추정값을 계산하는 것을 특징으로 한다;Further, in the nonlinear control method of the gas generator of the present invention, the spatial estimator calculates a spatial estimation value using the following equation;

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, 상기 V i 는 현재의 내부 공간 크기, V 0 는 연소 시작전의 내부 공간 크기, V i-1 은 현재보다 dt 시간 전의 내부 공간 크기, P는 압력 센서를 통해 측정한 압력값, n은 추진제 특성 상수, A는 추진제의 연소 단면적, dt는 계산 주기를 의미한다.Here, V i is the current internal space size, V 0 is the internal space size before the start of combustion, V i-1 is the internal space size dt hours before the present, P is the pressure value measured by the pressure sensor, n is the propellant The characteristic constant, A, is the combustion cross section of the propellant, and dt is the calculation cycle.

본 발명의 가스 발생기의 비선형 제어방법은 가스 발생기의 노즐에 설치된 노즐 크기 제어밸브를 조절하기 위한 신호를 생성할 때 입력된 명령에 따른 제어값만을 이용하지 않고 압력 센서에 의해 감지된 가스 발생기 압력의 피드백 신호와 함께 내부 공간의 크기에 따른 제어 이득을 반영하여 제어 신호로 결정하게 되므로, 내부 공간의 크기 변화에 둔감한 높은 제어성능을 얻을 수 있음은 물론 이득 스케줄링 기법의 적용에 따라 신뢰성이 높아지는 효과가 있다.The non-linear control method of the gas generator of the present invention does not use the control value according to the command input when generating a signal for adjusting the nozzle size control valve installed in the nozzle of the gas generator. As the control signal reflects the control gain according to the size of the internal space together with the feedback signal, it is possible to obtain high control performance insensitive to the change in the size of the internal space and to increase the reliability by applying the gain scheduling technique. There is.

또, 본 발명의 가스 발생기의 비선형 제어방법에 따르면, 가스 발생기의 내부 공간의 크기를 측정하기 위하여 별도의 센서를 추가하지 않고 기존에 설치된 압력 센서의 피드백 신호를 이용하여 내부 공간의 크기를 계산하게 되므로, 비용 증가의 부담이 없어지는 효과가 있다. In addition, according to the non-linear control method of the gas generator of the present invention, in order to measure the size of the internal space of the gas generator, it is possible to calculate the size of the internal space using a feedback signal of the existing pressure sensor without adding a separate sensor. Therefore, there is an effect that the burden of cost increase is eliminated.

도 1은 일반적인 가스 발생기 및 그 제어시스템이 개략적으로 도시된 구성도.
도 2는 종래의 가스 발생기의 선형 제어방법을 적용할 경우의 명령 압력에 따른 응답 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 가스 발생기의 비선형 제어방법에 따른 제어 알고리즘이 도시된 구성도.
도 4는 본 발명의 가스 발생기의 비선형 제어방법을 적용할 경우의 명령 압력에 따른 응답 특성을 나타낸 그래프.1 is a schematic view showing a general gas generator and a control system thereof.
Figure 2 is a graph showing the response characteristics according to the command pressure when applying a linear control method of a conventional gas generator.
3 is a configuration diagram showing a control algorithm according to the non-linear control method of the gas generator according to the present invention.
Figure 4 is a graph showing the response characteristics according to the command pressure when applying the non-linear control method of the gas generator of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 가스 발생기의 비선형 제어방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a nonlinear control method of a gas generator of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 의한 가스 발생기의 비선형 제어방법은, 가스 발생기(10)의 노즐에 설치된 노즐 크기 조절밸브를 제어하여 가스 유량 및 추력을 조절하는 방법으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 입력된 명령(11)에 따른 제어값과 제어된 상기 가스 발생기(10)의 실제 압력을 감지한 압력 센서의 압력 감지신호(15)와의 차이를 계산한 후 제어 이득(13)을 적용하고, 상기 제어 이득(13)이 적용된 신호를, 상기 가스발생기(10)의 노즐 크기 조절밸브를 조종하는, 명령 신호로 사용한다. 여기서, 상기 제어 이득(13)을 계산할 경우에는 상기 압력 감지신호(15)의 크기를 이용하며, 공간 추정기(16)를 이용하여 상기 가스발생기(10)의 내부 공간 크기를 연속적으로 계산하고, 상기 공간 추정기(16)에 의해 추정된 공간 추정값을 이용하여 상기 제어 이득(13)의 크기를 다시 조정하도록 구성되어 있다.Non-linear control method of the gas generator according to the present invention is a method for controlling the gas flow rate and thrust by controlling the nozzle size control valve installed in the nozzle of the gas generator 10, as shown in FIG. 11, after calculating a difference between the control value according to the control value and the pressure detection signal 15 of the pressure sensor which senses the actual pressure of the controlled gas generator 10, a control gain 13 is applied, and the control gain 13 ) Is used as a command signal for controlling the nozzle size control valve of the gas generator 10. Here, when calculating the control gain 13, the size of the pressure sensing signal 15 is used, and the internal space size of the gas generator 10 is continuously calculated using the space estimator 16, and Configured to resize the control gain 13 using the spatial estimate estimated by the spatial estimator 16.

여기서, 미설명 부호 12는 상기한 명령에 따른 신호와 피드백된 압력 감지신호와의 차이를 계산하는 계산기이고, 미설명 부호 14는 제어된 가스발생기의 내부 공간에서의 압력이다.Here, reference numeral 12 denotes a calculator for calculating a difference between the signal according to the above command and the feedback pressure sensing signal, and reference numeral 14 denotes a pressure in the internal space of the controlled gas generator.

그리고, 상기 공간 추정기(16)에 의해 추정되는 상기 가스 발생기(10)의 내부 공간 크기를 의미하는 공간 추정값은 다음의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.In addition, a space estimation value representing an internal space size of the gas generator 10 estimated by the space estimator 16 may be obtained using Equation 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, 상기 V i 는 현재의 내부 공간 크기, V 0 는 연소 시작전의 내부 공간 크기, V i -1 은 현재보다 dt 시간 전의 내부 공간 크기, P는 압력 센서를 통해 측정한 압력값, n은 추진제 특성 상수, A는 추진제의 연소 단면적, dt는 계산 주기를 의미한다.Where V i is the current internal space size, V 0 is the internal space size before commencement of combustion, V i -1 is the internal space size dt hours before the present, P is the pressure value measured by the pressure sensor, n is the propellant The characteristic constant, A, is the combustion cross section of the propellant, and dt is the calculation cycle.

따라서, 도 4와 같이 명령에 의한 입력 값(명령 압력)의 결과로 나타나는 출력 값(응답 압력)이 명령 압력에 빠른 시간 내에 일치하고, 과도한 압력상승을 발생시키지 않는 좋은 제어성능을 얻을 수 있게 된다. Therefore, as shown in Fig. 4, the output value (response pressure) resulting from the input value (command pressure) by the command coincides with the command pressure within a short time, and good control performance is obtained without causing excessive pressure rise. .

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Changes will be possible.

10...가스 발생기
11...명령
12...계산기
13...비교기
14...가스 발생기의 내부 공간에서의 압력
15...압력 감지신호
16...공간 추정기10 ... gas generator
11 ... command
12.Calculator
13 ... Comparators
14 ... pressure in the internal space of the gas generator
15 ... pressure detection signal
16 ... Space estimator

Claims (3)

가스 발생기(10)의 노즐에 설치된 노즐 크기 조절밸브를 제어하여 가스 유량 및 추력을 조절하는 가스 발생기의 비선형 제어 방법에 있어서,
입력된 명령(11)과 상기 가스 발생기(10)의 실제 압력을 감지한 압력 감지신호(15)와의 차이를 계산하고, 여기에 제어 이득(13)을 적용하여 가스발생기(10)의 노즐목 크기 조절밸브 제어신호로 사용하되,
상기 제어 이득(13)은 상기 압력 감지신호(15)와 공간 추정기(16)에 의해 추정된 상기 가스발생기(10)의 내부 공간의 크기에 의해 연속적으로 변화하도록 한 것을 특징으로 하는 가스 발생기의 비선형 제어방법.In the non-linear control method of the gas generator for controlling the gas flow rate and thrust by controlling the nozzle size control valve installed in the nozzle of the gas generator 10,
The difference between the input command 11 and the pressure detection signal 15 that detects the actual pressure of the gas generator 10 is calculated, and the control gain 13 is applied to the nozzle neck size of the gas generator 10. Use as a control valve control signal,
The control gain 13 is a non-linearity of the gas generator, characterized in that it is continuously changed by the size of the internal space of the gas generator 10 estimated by the pressure sensing signal 15 and the space estimator 16. Control method. 제 1항에 있어서,
상기 공간 추정기(16)는 피드백 제어를 위해 사용하고 있는 상기 압력 감지신호(15)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 가스 발생기의 비선형 제어방법.The method of claim 1,
The spatial estimator (16) is a non-linear control method of the gas generator, characterized in that the calculation using the pressure detection signal (15) that is used for feedback control. 제1항에 있어서,
상기 공간 추정기(16)는 다음의 수식을 이용하여 공간 추정값을 계산하는 것을 특징으로 하는 가스 발생기의 비선형 제어방법;
Figure pat00003

여기서, 상기 V i 는 현재의 내부 공간 크기, V 0 는 연소 시작전의 내부 공간 크기, V i -1 은 현재보다 dt 시간 전의 내부 공간 크기, P는 압력 센서를 통해 측정한 압력값, n은 추진제 특성 상수, A는 추진제의 연소 단면적, dt는 계산 주기를 의미한다.

The method of claim 1,
The space estimator (16) is a non-linear control method of the gas generator, characterized in that for calculating a space estimate using the following equation;
Figure pat00003

Where V i is the current internal space size, V 0 is the internal space size before commencement of combustion, V i -1 is the internal space size dt hours before the present, P is the pressure value measured by the pressure sensor, n is the propellant The characteristic constant, A, is the combustion cross section of the propellant, and dt is the calculation cycle.

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