L1적응제어기를 이용한 초공동 수중운동체의 운항영역보호기법 연구

김선홍 서울대학교 대학원 2018 국내박사

A 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. 초공동 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.

초공동 수중운동체의 천이구간 특성을 고려한 모델링 및 제어 연구

김선홍 서울대학교 대학원 2013 국내석사

초공동 수중운동체는 물과의 마찰저항을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 수중운동체를 기포로 감싸게 되면 물과의 접촉면이 줄어들어 마찰저항이 감소한다. 초공동기술은 이러한 기포를 인위적으로 크게 만들어 운동체와 물의 접촉을 완전히 제거함으로써 마찰저항에 의한 추력손실을 없애는 기술이다. 이러한 초공동기술을 통해 수중운동체는 기존의 수중속력한계를 뛰어넘게 된다. 초공동 수중운동체는 발사초기단계부터 천이영역을 거쳐 초공동상태에 이르게된다. 천이영역에서는 공동이 운동체를 완전히 감싸지 않은 상태인 부분공동상태로 존재하게 된다. 부분공동으로 인해 운동체는 물과 접촉하는 액침이 생기게 된다. 완전한 공동의 발달전까지 운동체의 몸체뿐 아니라 캐비테이터, 핀 등에 생기는 액침은 계속해서 변하게 되고 이로인한 유체력역시 불안정하게 작용하게 된다. 천이구간에서 작용하는 불안정한 힘을 적절하게 제어하지 않으면 운동체의 상태가 발산하게 되어 목표한 임무를 달성할 수 없게 된다. 따라서 천이구간에서 운동체가 받는 힘을 모델링하는 것과 그 힘을 적절하게 제어하여 운동체를 안정시키는 것이 필요하다. 또한 가능하다면 불안정한 힘을 받는 천이구간 자체를 줄이는 노력이 필요하다. 본 연구에서는 초공동수중운동체의 천이구간 특성을 고려한 모델링을 수행하고 이를 바탕으로 천이구간에서 운동체의 자세 및 심도를 유지할 수 있는 제어기를 설계하였다. 수중운동체의 모델링을 수행하기 위해 6자유도 비선형방정식 이용하였다. 천이구간에서 운동체가 받는 힘은 액침에 의한 유체력, 중력, 캐비테이터 및 핀에 의한 힘이 있다. 각각에 대한 모델링을 수행하고 이를 바탕으로 운동체의 심도 및 자세를 유지하는 제어기를 설계하였다. 제어기는 PID제어를 이용하였고 이중루프구조를 통해 자세뿐 아니라 심도제어도 가능하게 하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 초공동 수중운동체의 천이구간 특성을 고려한 모델링이 물리적으로 타당함을 확인하였고 제어기를 사용한 제어 시뮬레이션을 통해 초공동 수중운동체가 천이구간에서의 심도유지 및 안정화구간에서 심도변경명령을 추종하는 것을 확인하였다. A supercavitation is modern technology that can be used to reduce the frictional resistance of the underwater vehicle. In the process of reaching the supercavity condition which cavity envelops whole vehicle body, a vehicle passes through transition phase from fully-wetted to supercaviting operation. During this phase of flight, unsteady hydrodynamic forces and moments are created by partial cavity. In this paper, analytical and numerical investigations into the dynamics of supercavitating vehicle in transition phase are presented. The ventilated cavity model is used to lead rapid supercavity condition, when the cavitation number is relatively high. Immersion depth of fins and body, which is decided by the cavity profile, is calculated to determine hydrodynamical effects on the body. Additionally, the frictional drag reduction associated by the downstream flow is considered. Numerical simulation for depth tracking control is performed to verify modeling quality using PID controller. Depth command is transformed to attitude control using double loop control structure.

초공동 수중운동체 캐비테이터의 항력과 양력특성에 관한 수치해석적 연구

장세연 서울대학교 대학원 2013 국내석사

초공동 수중 운동체는 초공동 현상과 해수 흡입형 로켓추진기관을 이용하여 평균 100m/s의 속도로 진행하는 어뢰의 한 종류이다. 운동체 두부에 위치하는 캐비테이터는 운동체가 만드는 양력의 절반가량을 생성하며, 대부분의 항력을 받는다. 추진기관의 설계에 앞서 캐비테이터 상에 존재하는 해수 흡입구를 통해 펌프로 유입되는 해수의 압력 및 수두를 계산해야 한다. 본 연구는 수치 해석적 방법을 이용해 해수흡입구를 고려한 초공동 수중운동체 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력손실에 관한 연구를 수행하였다. 흡입구 직경과 캐비테이터의 직경의 비, 흡입 유로에서의 속도와 프리 스트림 속도의 비, 흡입구의 곡률반경을 흡입구 직경에 대한 비로 나타낸 무차원 수 및 캐비테이터의 받음각의 조건을 변경하며, 그에 대한 영향을 확인하였다. 직경비가 커지면 항력계수와 흡입구의 압력 손실계수는 감소한다. 속도비가 증가할 때, 항력계수와 양력계수는 감소하며 흡입구의 압력 손실계수는 증가한다. 흡입구에 곡률이 존재할 때, 흡입 유로내부에는 흡입구에 의한 유동의 박리 및 재부착이 발생하지 않으며, 흡입구 압력 손실계수는 감소한다. 그러나 항력계수에 미치는 영향은 무시할 수 있을 만큼 작다. 캐비테이터의 받음각이 0°≤ α ≤ 10°의 범위일 때, α가 증가해도 항력계수와 압력 손실계수의 변화는 미미하다. 반면에, 양력계수는 α가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다.