함정용 MT3040 엔진의 저압터빈 속도제어를 위한 2자유도 PI 제어기 설계

Abstract

가스터빈 엔진은 왕복동 피스톤 엔진에 비해 단위 부피당 출력이 높고, 작은 진동, 빠른 가·감속 등의 여러 장점으로 인해 산업용으로 처음 실용화된 후 기술 발전과 더불어 항공용 및 해상용으로 적용 범위가 지속적으로 확대되고 다양해지고 있다. 함정에 적용된 가스터빈 엔진은 다양한 운용환경에서 안정적으로 성능을 유지해야 하며, 이를 위해서는 엔진의 특성을 반영한 정확한 모델링과 제어기 설계가 필요하다. 그리고 산업현장 전반에서 사용 중인 PID 제어기는 많은 장점에도 불구하고, 명령값 추종과 외란 제거 성능을 동시에 충족하고 안정성까지 확보하기에는 한계가 있다. 이에 본 논문에서는 함정추진용 MT3040 엔진을 대상으로 외란 제거 성능에 중점을 두고, 정상상태의 명령값 추종 성능을 확보할 수 있는 IMC 기반 2 DOF PI 제어기 설계를 제안한다. MT3040 엔진은 엔진 조립체와 연료계량장치로 세분화하여 3개의 운전영역에 대해 3차로 모델링하고, PI 제어기 설계를 위해 유도된 3차 모델을 FOPTD로 간략화한다. 가스터빈 엔진의 고유 특성인 이득, 시정수, 시간 지연의 값들은 함정 운전 자료를 활용하여 모델의 파라미터를 선정한다. 2DOF PI 제어기는 명령값 추종 성능에서 오버슈트를 줄이기 위한 명령값 필터와 외란을 제거하는 PI 제어기로 구성되며, IMC 원리를 활용하여 외란 제거 성능에 중점을 두고 설계된다. 외란 제거를 위한 PI 제어기 설계는 폐루프 제어시스템에서 엔진 플랜트에 대한 모델을 유도하고, 그 역과 제어기의 각 항을 일치시켜 제어기의 세 가지 파라미터를 얻을 수 있다. FOPTD 모델의 시간 지연 항을 Taylor 급수를 사용하여 근사화하면, PI 제어기의 유일한 조종변수는 필터 시정수가 되는데, 이 값은 외란 제거 성능에 중점을 두고 정한다. 그리고 명령값 추종 성능에서 발생하는 오버슈트를 줄이기 위한 명령값 필터의 가중치는 수많은 시행착오를 거쳐 정한다. 설계된 2 DOF PI 제어기는 근사화하지 않은 실제 엔진에 적용하여 시뮬레이션을 시행하고, 기존의 여러 설계 방법의 결과와 비교하여 성능의 실효성과 강인성을 검증한다. 그리고 감도 함수의 최대값 를 통해 제어기의 안정성 확보 여부를 확인한다.