고래최적화알고리즘기반 가스터빈엔진의 PID 속도제어

Abstract

본 연구에서는 단순한 구조로 구현이 쉽고, 전역 탐색과 지역 탐색의 균형이 우수한 고래 최적화 알고리즘(Whale optimization algorithm, WOA)을 활용하여 가스터빈 엔진의 PID 속도 제어기를 설계하였다. 가스터빈 엔진은 내부 연료 계량 장치(Fuel metering unit, FMU)와 가스 발생기를 결합하여 시간지연을 포함한 3차 수학 모델을 도출하였다. 제안된 WOA-PID 제어기는 6,500[rpm]에서 안정적인 속도제어가 가능하도록 설계되었으며, 작동 지점에서 얻은 모델을 기반으로 ITAE(Integral of time-weighted absolute error) 평가함수를 최소화하기 위해 WOA를 이용하여 PID 제어기 파라미터를 최적화하였다. 설계된 제어기는 선박용 가스터빈 엔진의 공칭플랜트, 불확실성이 포함된 플랜트, 센서 잡음이 존재하는 불확실성 플랜트에 적용되어 시뮬레이션을 통해 기존 PID 제어기 설계 방법과 비교·분석되었다. 제어기의 강인성은 민감도 함수(Sensitivity function)를 이용하여 검토하였으며, 최대감도(Maximum sensitivity, ) 값이 1.8427로 나타나 불확실성에 대한 충분한 강인성을 확보하였다. 특히 <2.0을 만족함으로써 실제 해상 환경의 불확실성과 모델링 오차에서도 안정적인 성능을 유지함을 확인하였다. 또한 과도응답 특성, ITAE 지수, 제어입력 총변화량 등 다양한 성능지표를 통해 평가한 결과, 제안된 WOA-PID 제어기는 만족할 만한 성능을 보였다.