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L1적응제어기를 이용한 초공동 수중운동체의 운항영역보호기법 연구
A study on L1 adaptive control based operation envelope protection for a supercavitating underwater vehicle

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor김용환-
dc.contributor.author김선홍-
dc.date.accessioned2018-05-28T16:26:14Z-
dc.date.available2018-05-28T16:26:14Z-
dc.date.issued2018-02-
dc.identifier.other000000150745-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/140716-
dc.description학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 조선해양공학과, 2018. 2. 김용환.-
dc.description.abstract초공동 기술은 기존 수중운동체의 속도한계를 극복하기 위한 방안으로 제안된 기술로써 군사선진국을 중심으로 활발히 연구되어왔다. 초공동 상태는 유체의 속도 및 압력 변화로 인해 발생하는 공동이 수중운동체를 완전히 감쌀 수 있을 정도로 발달된 상태이다. 수중운동체 항력의 대부분은 마찰저항에 의한 것으로, 추력을 증가시킴으로써 수중운동체의 속력을 증가시키는 것은 한계가 있다. 초공동 기술을 이용하면 물과의 접촉면을 제거하여 마찰저항을 극단적으로 줄일 수 있으며, 기존 수중운동체의 5~8배에 달하는 속도로 주행할 수 있다.
초공동 수중운동체의 빠른 주행속도는 목표까지의 도달시간을 단축할 수 있다는 장점이 있지만, 운동체와 공동의 상태 변화에 따라 유체력이 불연속적, 비선형적으로 변하기 때문에 운동체의 안정성을 보장하기 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 초공동 수중운동체가 항주상태에서 운동체의 안정성을 유지하고 플레이닝을 발생시키지 않도록 운항영역을 보호하는 기법에 대한 연구를 수행하였다. 초공동 수중운동체의 동역학 모델링은 공동의 크기 모델링, 공동 중심축 변형 및 시간지연 모델링, 캐비테이터 및 꼬리날개의 모델링, 몸체 유체력 모델링을 포함시켰다. 이렇게 구성된 비선형 통합 운동방정식을 통해 초공동 운동체의 물리적 특성을 파악하고 주행상황을 모사할 수 있도록 하였다.
시뮬레이션에 사용될 운동체의 주요제원을 결정하기 위하여 초공동 수중운동체의 설계 제약조건에 대한 연구를 수행하였다. 캐비테이터는 최대속도 항주상태에서 공동이 초월공동을 생성하여 운동체 전체를 감쌀 수 있도록 선택하였고, 꼬리날개는 운동체의 주행 안정성을 보장할 수 있도록 선택하였다. 추력의 크기 및 지속시간 등 추진기관 관련 제약조건은 운동체 내부 추진기관의 크기 및 연소형태를 고려하여 제안하였다. 제안된 제약조건을 만족하면서 목표 거리를 최단시간에 도달할 수 있는 운동체 주요제원이 계산되었고 이를 시뮬레이션에 적용하였다.
초공동 수중운동체의 운항영역보호기법은 운동체가 안정성을 유지하고 주어진 명령을 추종할 수 있는 상태를 벗어나지 않도록 운동체의 자세 및 공동수를 제어하는 기법이다. 운항영역보호기법은 공동수를 조절하여 공동의 크기를 변화시킴으로써 운동체의 한계를 보호하는 기법과 운동체의 자세 변화를 제한함으로써 플레이닝을 회피하는 기법으로 분류하여 각각에 대해 연구를 수행하였다. 공동수 제어를 통한 운항영역보호기법에는 공동수 자체의 안정성, 운동체의 안정성, 플레이닝 회피가 고려되었다. 자세제어를 통한 운항영역보호기법은 플레이닝이 발생하는 순간의 운동체 자세를 예측하는 한계예측과 추정된 자세한계를 넘지 않도록 명령을 생성하는 한계보호기법으로 나누어 연구를 수행하였다.
한계보호기법에서 생성된 명령을 추종하기 위한 자세제어기법으로 L1 적응제어기를 사용하였다. L1 적응제어기법을 통해 모델링 불확실성을 보상하고 천이구간 및 정상상태 구간에서의 안정성을 보장하도록 제어기를 설계하였다. 모델링 불확실을 추정하기 위하여 상태관측기의 상태추종과 제어입력을 계산하는데 신경회로망 이론을 적용하였다.
제안된 초공동 수중운동체 동역학 모델링을 기반으로 주행상황을 모사할 수 있는 시뮬레이션 기반을 구축하였다. 이를 바탕으로 기존에 수행된 주행시험과의 비교를 통해 초공동 수중운동체의 모델링 타당성을 검증하고, 제안된 운항영역 보호기법과 L1 신경회로망 적응제어기법의 성능을 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 6자유도 운동방정식이 초공동 수중운동체가 가지는 동역학적 특성을 재현할 수 있으며 구축된 시뮬레이션을 통해 수중주행 상황을 예측/모사할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 수행한 초공동 수중운동체의 모델링 기법 및 설계범위 제약조건은 초공동 수중운동체 초기 개발단계에서 주요 제원 및 목표 성능을 설정하는데 사용될 수 있으며, 운항영역 보호기법과 L1 적응제어기법을 통해 실제 운용상황에서 초공동 수중운동체의 모델링 불확실성에 따른 운동체 안정성 문제를 해결할 수 있다.
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dc.description.abstractA Supercavitating technology has been actively researched centered on military advanced countries as a technology proposed to overcome the speed limit of conventional underwater vehicles. The supercavitating state is that the cavities is fully developed to be able to completely cover a whole vehicle body. Most of the drag force of the underwater vehicle is caused by the frictional resistance, and there is a limit to increase the speed of the underwater vehicle by increasing thrust force. By using the supercavitating, the frictional resistance can be extremely reduced by removing the contact surface with the water, and it is possible to travel at a speed of 5 to 8 times that of the conventional underwater vehicle.
Although the fast speed of the supercavitating underwater vehicle has the advantage of shortening the reaching time to the target, it has a disadvantage that it is difficult to guarantee the stability of the vehicle because the hydrodynamic force is changed discontinuously and nonlinearly according to the state change of the moving body and the cavity. In this research, a study was made on a method to protect the operation envelope so that the supercavitating underwater vehicle maintains the stability and does not cause a planing in the supercavitating state. Dynamics modeling of the supercavitating underwater vehicle includes cavity size modeling, cavity center axis deformation and time delay modeling, modeling of cavitator and fins, and forces acting on the wetted body. Through this nonlinear integrated equation of motion, we can analyze the physical characteristics of the supercavitating underwater vehicle and simulate the vehicle maneuver.
In order to determine the specifications of the vehicle to be used in the simulation, the studies on design constraint of the vehicle were performed. Cavitator diameter was chosen to allow the cavity could create the supercavity cavity at maximum speed and the entire body could be covered. The fin span length was chosen to ensure the stability of the vehicle. The constraints related to propulsion system such as magnitude and duration time of thrust force were proposed considering the size and combustion type of propellant. The main specifications of the vehicle which can reach the target distance in the shortest time while satisfying the proposed constraint are calculated and applied to the simulation.
The operation envelope protection for a supercavitating vehicle is a method to control the vehicle attitude and the cavitation number so that the vehicle does not deviate from the state in which it can maintain the stability and follow the given tracking command. The operation envelope protection was divided into a method of protecting the limits of the vehicle by changing the cavity size by controlling the cavity number, and a method of avoiding the planing by limiting the attitude of the vehicle. The operation envelope protection techniques through the cavitation number control considered the stability of the cavity itself, stability of the vehicle, and avoidance of planing. The operation envelope protection scheme through the attitude control of vehicle is divided into a limit estimation that predicts the vehicle attitude at the moment of planing and a limit protection that generates the command that does not make the vehicle exceed the estimated attitude limit.
L1 adaptive controller is used as a vehicle attitude control method to make vehicle follow command generated in the limit protection scheme. The controller is designed to compensate modeling uncertainty through L1 adaptive control technique and to guarantee transition and steady state performance. To estimate the modeling uncertainty, the artificial neural network was applied to calculate the vehicle state and control inputs in state predictor.
Based on the proposed dynamics modeling of a supercavitating underwater vehicle, a simulation was performed to simulate the maneuvering situation. Based on the simulation, we verify the validity of the modeling of the supercavitating underwater vehicle by comparing it with the existing running test, and confirmed the performance of the proposed operation envelope protection system and the L1 neural network adaptive controller. Simulation results show that the proposed 6 DOF equation of motion can analyze the dynamic characteristics and simulate the vehicle motion.
The studies on dynamics modeling and the design constraints of supercavitating underwater vehicle can be used to determine the specifications and the desired performance in the initial development stage. Based on the proposed operation envelope protection and L1 neural network adaptive control method, the stability and tracking performance can be guaranteed in spite of the modeling uncertainty in the actual operating situation.
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dc.description.tableofcontents1 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 현황 5
1.2.1 초공동 수중운동체 동역학 모델링 5
1.2.2 운항영역 보호기법 6
1.2.3 초공동 수중운동체 제어기법 7
1.3 주요 연구 내용 및 목표 8
2 초공동 수중운동체 모델링 12
2.1 6자유도 운동방정식 13
2.2 공동형상 모델링 16
2.2.1 공동 직경/길이 모델링 17
2.2.2 공동 중심축 변형 모델링 21
2.3 캐비테이터 유체력 모델링 28
2.4 꼬리날개 유체력 모델링 30
2.5 침수부 위치 및 크기 계산 34
2.6 플레이닝 유체력 모델링 36
2.7 몸체 유체력 모델링 41
2.8 초공동 수중운동체 선형 운동방정식 45
2.9 초공동 수중운동체 주요치수 결정 48
2.9.1 설계 변수 설정 48
2.9.2 설계 제약조건 49
3 초공동 수중운동체 운항영역 보호기법 59
3.1 공동수 제어기법 61
3.2 한계예측 기법 69
3.3 비교모델 기반 한계보호기법 73
3.4 포텐셜함수 기반 한계보호기법 79
4 초공동 수중운동체 자세제어기법 86
4.1 Base line 제어기-LQR 제어기법 87
4.2 L1 적응제어기법 90
4.3 신경회로망을 통한 비정합 불확실성 추정 101
4.4 초공동 수중운동체 동역학에의 적용 109
5 초공동 수중운동체 주행시뮬레이션 기반 구축 115
5.1 초공동 수중운동체 주요치수 도출 115
5.2 초공동 수중운동체 동역학 모델링 검증 123
6 운항영역 보호기법 성능검증 138
6.1 공동수 제어 기반 운항영역 보호기법 138
6.1.1 목표 공동수 고정 시뮬레이션 138
6.1.2 플레이닝 회피 공동수 사용 140
6.1.3 플레이닝 회피 공동수 + 안정화 사용 141
6.2 L1 적응제어기법 기반 운항영역 보호기법 145
6.2.1 포텐셜기반 한계보호기법 시뮬레이션 145
6.2.2 L1 적응제어기반 운항영역 보호성능 147
6.2.3 강건성 및 적용가능성 분석 161
6.2.4 기존 제어기법과의 비교 174
7 결론 180
참고문헌 185
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dc.formatapplication/pdf-
dc.format.extent10371973 bytes-
dc.format.mediumapplication/pdf-
dc.language.isoko-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subject초공동 수중운동체-
dc.subject운항영역보호기법-
dc.subjectL1 적응제어기법-
dc.subject신경회로망-
dc.subject동역학 모델링-
dc.subject플레이닝 회피-
dc.subject.ddc623.8-
dc.titleL1적응제어기를 이용한 초공동 수중운동체의 운항영역보호기법 연구-
dc.title.alternativeA study on L1 adaptive control based operation envelope protection for a supercavitating underwater vehicle-
dc.typeThesis-
dc.contributor.AlternativeAuthorSeonhong Kim-
dc.description.degreeDoctor-
dc.contributor.affiliation공과대학 조선해양공학과-
dc.date.awarded2018-02-
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._조선해양공학과)
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