표제지
목차
ABSTRACT 13
제1장 서론 14
제1절 연구 배경 14
제2절 연구 내용 18
1. 비행동역학 모델링 18
2. F-16 전술기동의 비선형최적제어문제 해석 18
3. 자세 각 및 항공기 전체속도 추종 제어기 설계 18
4. Command 및 제어기의 자세 각 매개변수에 따른 결과 비교 19
제2장 비선형최적제어문제 20
제1절 비선형최적제어문제 20
제2절 Direct Dynamic Simulation Approach 23
제3절 DDSA와 Pseudo spectral method의 비교 27
제3장 Backstepping 제어기 31
제1절 Lyapunov Stability 31
제2절 Lyapunov Direct Method 34
제3절 Backstepping 제어기 설계과정 36
제4절 F-16 Backstepping 제어기의 Gain 값 설정 39
제5절 F-16 Backstepping 제어기의 검증 42
제4장 Finite Rotation Angle Implementation 50
제1절 Finite Rotation Angle과 좌표변환 행렬 52
제2절 Finite Rotation Angle의 각도 변위가 0인 경우의 자세 각 매개변수의 계산 59
제3절 Finite Rotation Angle의 Attitude Kinematics 62
제5장 F-16 항공기 전술 기동의 최적 경로 생성 67
제1절 F-16 항공기의 전술 기동 NOCP Formulation 68
제2절 Falcon Turn Maneuver 71
제3절 Split S Maneuver 75
제4절 Muscle Climb Maneuver 80
제5절 Double Immelmann Turn Maneuver 85
제6장 F-16 항공기 전술 기동의 비선형 제어기 적용 결과 90
제1절 Falcon Turn Maneuver의 Backstepping 제어기 적용 결과 93
제2절 Split S Maneuver의 Backstepping 제어기 적용 결과 98
제3절 Muscle Climb Maneuver의 Backstepping 제어기 적용 결과 104
제4절 Double Immelmann Turn Maneuver의 Backstepping 제어기 적용 결과 110
제7장 F-16 항공기 전술 기동의 비선형 제어기 적용 시 자세 각 매개 변수에 따른 결과 비교 116
제1절 자세 각 매개 변수 비교를 위한 적용 구조 116
제2절 F-16 Falcon Turn 기동의 자세 각 매개변수 영향 분석 결과 119
제3절 F-16 Split S기동의 자세 각 매개변수 영향 분석 결과 130
제4절 Maximum Performance Climb 141
제5절 F-16 Maximum Performance Climb 기동의 비선형 제어기 적용 시 자세 각 매개변수 영향 분석 결과 146
제8장 결론 162
참고문헌 165
부록 169
[부록 A] 169
[부록 B] 174
[부록 C] 178
[부록 D] 183
[부록 E] 193
국문초록 204
표 2-1. DDSA와 Pseudo spectral method의 KKT system 크기 차이 28
표 2-2. DDSA와 Pseudo spectral method의 Soft lunar landing 최적 경로 생성 결과 비교 30
표 3-1. Lyapunov function의 일반적인 예시 35
표 5-1. F-16 항공기 조종면의 사용 가능한 범위 69
표 6-1. Command filter parameters 91
표 F-1. Roll angle의 Natural frequency 변경에 따른 Error의 RMS 값 195
표 F-2. Pitch angle의 Natural frequency 변경에 따른 Error의 RMS 값 197
표 F-3. Yaw angle의 Natural frequency 변경에 따른 Error의 RMS 값 198
표 F-4. Roll angle의 Damping ratio 변경에 따른 Error의 RMS 값 200
표 F-5. Pitch angle의 Damping ratio 변경에 따른 Error의 RMS 값 201
표 F-6. Yaw angle의 Damping ratio 변경에 따른 Error의 RMS 값 201
그림. 2-1. Pseudo spectral method의 Collocation points 21
그림. 2-2. DDSA의 Collocation points와 Computational points 23
그림. 2-3. DDSA를 이용하여 계산한 Soft lunar landing의 최적경로 29
그림. 2-4. Pseudo spectral method로 계산한 Soft lunar landing의 최적경로 30
그림. 3-1. Lyapunov stability 33
그림. 3-2. Roll angle SAS type control input result 43
그림. 3-3. Roll angle SAS type control input visualization result 44
그림. 3-4. Pitch angle SAS type control input result 45
그림. 3-5. Pitch angle SAS type control input visualization result 46
그림. 3-6. Yaw angle SAS type control input result 47
그림. 3-7. Yaw angle SAS type control input visualization result 47
그림. 3-8. Total velocity and SAS type control input result 49
그림. 3-9. Total velocity and SAS type control input visualization result 49
그림. 4-1. Gimbal을 통해 표현한 항공기의 자세 각 50
그림. 4-2. Gimbal Lock 현상 51
그림. 4-3. Finite rotation angle의 구조 52
그림. 5-1. F-16 Falcon Turn Maneuver 72
그림. 5-2. Reference Trajectory of Falcon Turn 72
그림. 5-3. Optimal trajectory of Falcon Turn calculated by DDSA 74
그림. 5-4. Visualization of Falcon Turn's optimal trajectory 74
그림. 5-5. F-16 Split S Maneuver 76
그림. 5-6. Reference Trajectory of Split S 76
그림. 5-7. Optimal trajectory of Split S calculated by DDSA 78
그림. 5-8. Visualization of Split S's optimal trajectory 78
그림. 5-9. F-16 Muscle Climb Maneuver 81
그림. 5-10. Reference Trajectory of Muscle Climb 81
그림. 5-11. Optimal trajectory of Muscle Climb calculated by DDSA 83
그림. 5-12. Visualization of Muscle Climb's optimal trajectory 83
그림. 5-13. F-16 Double Immelmann Turn Maneuver 86
그림. 5-14. Reference Trajectory of Double Immelmann Turn 87
그림. 5-15. Optimal trajectory of Double Immelmann Turn calculated by DDSA 88
그림. 5-16. Visualization of Double Immelmann Turn's optimal trajectory 89
그림. 6-1. 설계된 Backstepping control의 분석을 위한 제어기 적용 과정 92
그림. 6-2. Command Filter를 이용한 Falcon Turn의 Desired Trajectory 94
그림. 6-3. Falcon Turn Backstepping 제어기 추종 결과 96
그림. 6-4. Falcon Turn Backstepping 제어기 추종 오차 97
그림. 6-5. Command Filter를 이용한 Split S의 Desired Trajectory 99
그림. 6-6. Split S Backstepping 제어기 추종 결과 102
그림. 6-7. Split S Backstepping 제어기 추종 오차 102
그림. 6-8. Command Filter를 이용한 Muscle Climb의 Desired Trajectory 105
그림. 6-9. Muscle Climb Backstepping 제어기 추종 결과 108
그림. 6-10. Muscle Climb Backstepping 제어기 추종 오차 108
그림. 6-11. Command Filter를 이용한 Double Immelmann Turn의 Desired Trajectory 111
그림. 6-12. Double Immelmann Turn Backstepping 제어기 추종 결과 114
그림. 6-13. Double Immelmann Turn Backstepping 제어기 주종 오차 114
그림. 7-1. 자세 각 매개변수에 대한 영향을 비교하기 위한 비선형 제어기 적용 구조 117
그림. 7-2. Euler angle을 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 결과 121
그림. 7-3. Euler angle을 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 추종 오차 121
그림. 7-4. Euler angle로 최적 경로를 나타낸 경우 Euler angle기반 비선형 제어기와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 추종 오차 비교 122
그림. 7-5. FRA를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 결과 124
그림. 7-6. FRA를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 추종 오차 125
그림. 7-7. FRA를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 결과 127
그림. 7-8. FRA를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 추종 오차 128
그림. 7-9. FRA로 최적 경로를 나타낸 경우 Euler angle기반 비선형 제어기와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Falcon Turn 기동 추종 오차 비교 129
그림. 7-10. Euler angle을 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 결과 132
그림. 7-11. Euler angle을 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 추종 오차 132
그림. 7-12. Euler angle로 최적 경로를 나타낸 경우 Euler angle기반 비선형 제어기와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 추종 오차 비교 133
그림. 7-13. FRA를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 결과 135
그림. 7-14. FRA를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 추종 오차 136
그림. 7-15. FRA를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 결과 138
그림. 7-16. FRA를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 추종 오차 139
그림. 7-17. FRA로 최적 경로를 나타낸 경우 Euler angle기반 비선형 제어기와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Split S 기동 추종 오차 비교 140
그림. 7-18. Desired Trajectory of Maximum Performance Climb 142
그림. 7-19. Optimal trajectory of Maximum Performance Climb calculated by DDSA 144
그림. 7-20. Visualization of Maximum Performance Climb's optimal trajectory 144
그림. 7-21. Euler angle을 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 결과 148
그림. 7-22. Euler angle을 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 추종 오차 148
그림. 7-23. Euler angle을 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 결과 151
그림. 7-24. Euler angle을 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 추종 오차 151
그림. 7-25. Euler angle로 최적 경로를 나타낸 경우 Euler angle기반 비선형 제어기와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동... 152
그림. 7-26. Euler angle를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 결과의 시각화 153
그림. 7-27. Euler angle를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 결과의 시각화 154
그림. 7-28. FRA를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 결과 156
그림. 7-29. FRA를 이용한 최적 경로와 Euler angle 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 추종 오차 157
그림. 7-30. FRA를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 결과 159
그림. 7-31. FRA를 이용한 최적 경로와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 추종 오차 160
그림. 7-32. FRA로 최적 경로를 나타낸 경우 Euler angle기반 비선형 제어기와 FRA 기반의 비선형 제어기를 적용한 Maximum Performance Climb 기동 추종... 161
그림. A-1. SQP 알고리즘 순서도 173
그림. D-1. F-16 고정이 항공기의 Body-fixed coordinate 183
그림. D-2. F-16 Throttle 입력에 따른 Power command 187
그림. D-3. F-16의 엔진 Power 반응 모델 188
그림. D-4. Engine Power Command와 Engine Power의 차이에 의한 Engine-Thrust time constant 189
그림. F-1. Roll angle의 Natural frequency가 1rad/sec인 경우의 결과 194
그림. F-2. Roll angle의 Natural frequency가 10 rad/sec인 경우의 결과 195
그림. F-3. Roll angle의 Natural frequency가 70.0rad/sec인 경우의 결과 196
그림. F-4. Roll angle의 Natural frequency가 15.0rad/sec인 경우의 결과 197
그림. F-5. Pitch angle의 Natural frequency가 60.0rad/sec인 경우의 결과 198
그림. F-6. Yaw angle의 Natural frequency가 25.0rad/sec인 경우의 결과 199
그림. F-7. 항공기 전체 속도의 Time constant가 0.1인 경우의 결과 202
그림. F-8. 항공기 전체 속도의 Time constant가 0.7인 경우의 결과 203