[논문 리뷰] Missile Acceleration Controller Design using PI and Time-Delay Adaptive Feedback Linearization Methodology

Chang-Hun Lee, Min-Guk Seo외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 05.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비최소위상 동역학과 모델 불확실성 문제를 해결하기 위해 피드백 선형화와 시간지연 적응법칙, PI 제어를 조합한 계단형 구조를 사용하는 새로운 미사일 가속도 제어기를 제안한다. 미사일 시스템을 최소위상 시스템으로 근사하고 적응 보정을 적용함으로써 6자유도 비선형 시뮬레이션에서 강인한 가속도 추적성과 향상된 안정성을 달성한다.

ABSTRACT

A straight forward application of feedback linearization to the missile autopilot design for acceleration control may be limited due to the nonminimum characteristics and the model uncertainties. As a remedy, this paper presents a cascade structure of an acceleration controller based on approximate feedback linearization methodology with a time-delay adaptation scheme. The inner loop controller is constructed by applying feedback linearization to the approximate system which is a minimum phase system and provides the desired acceleration signal caused by the angle-of-attack. This controller is augmented by the time-delay adaptive law and the outer loop PI (proportional-integral) controller in order to adaptively compensate for feedback linearization error because of model uncertainty and in order to track the desired acceleration signal. The performance of the proposed method is examined through numerical simulations. Moreover, the proposed controller is tested by using an intercept scenario in 6DOF nonlinear simulations.

연구 동기 및 목표

• 비최소위상 특성과 모델 불확실성으로 인해 표준 피드백 선형화가 미사일 자동조종장치에서 성능에 한계를 가지는 문제를 해결하기 위해.
• 불확실한 동역학 하에서 작동하는 전술 미사일을 위한 강인한 가속도 제어 전략을 개발하기 위해.
• 시스템 불확실성으로 인한 피드백 선형화 오차를 줄이기 위해 적응 보정 메커니즘을 통합하기 위해.
• 고정밀 비선형 비행 환경에서 원하는 가속도 명령의 정확한 추적을 보장하기 위해.
• 수치 시뮬레이션과 6DOF 비선형 격추 시나리오를 통해 성능를 검증하기 위해.

제안 방법

• 원래의 비최소위상 미사일 동역학을 최소위상 시스템으로 근사하기 위해 근사 피드백 선형화를 적용하여 제어기 설계를 위한 기반을 마련한다.
• 근사된 시스템의 피드백 선형화에 기반한 내부 루프 제어기를 설계하여 원하는 공격각 명령을 생성한다.
• 모델 불확실성으로 인한 피드백 선형화 오차를 추정하고 보정하기 위해 시간지연 적응 법칙을 도입한다.
• 원하는 가속도 기준 신호를 추적하고 일시적 반응을 향상시키기 위해 외부 루프 PI 제어기를 구현한다.
• PI 제어기가 내부 루프 선형화 시스템을 구동하는 계단형 제어 아키텍처를 구성하여 전체 추적 정확도를 향상시킨다.
• 명시적인 시스템 식별이 필요 없이 미모델링 동역학과 외란을 추정하기 위해 시간지연 추정 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델 불확실성이 상당한 비최소위상 미사일 시스템에 대해 피드백 선형화를 효과적으로 적용할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 실시간으로 피드백 선형화 오차를 강인하게 보정할 수 있는 적응 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 PI 제어와 시간지연 적응 제어의 통합이 가속도 추적 성능에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 고정밀 6DOF 비선형 격추 시뮬레이션에서 제안된 제어기의 성능은 어떠한가?
• RQ5 불확실하거나 변동하는 비행 조건 하에서도 제안된 방법이 안정성과 정확성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 비최소위상 미사일 동역학을 최소위상 시스템으로 근사함으로써 성공적으로 안정화시켰다.
• 시간지연 적응 법칙은 모델 불확실성으로 인한 피드백 선형화 오차를 효과적으로 추정하고 보정하였다.
• 계단형 PI 및 적응 제어 구조는 표준 피드백 선형화 대비 가속도 추적 정확도를 크게 향상시켰다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 제어기의 매개변수 불확실성과 외부 간섭에 대한 강인성을 확인하였다.
• 6DOF 비선형 시뮬레이션에서 제어기는 더 작은 타격 오차와 안정된 비행 동역학을 달성하며 정확한 격추 성능을 보였다.
• 이 방법은 뛰어난 일시적 반응과 정 steady-state 정확도를 보이며 실제 전투 상황에서의 효과성을 입증하였다.