터보팬 엔진의 효율적인 운용을 위해서는 엔진을 구성하는 구성품의 한계상황에 근접한 상태에서 작동하는 것이 필요하다. 그러나 한계 상황에 근접한 상태에서의 운용은 엔진의 구조적 문제 혹은 안전 문제를 야기할 수 있다. 이 때문에 고전적인 엔진 제어기는 한계 상황으로부터 여유를 두는 보수적인 방식으로 설계한다. 이러한 방안은 엔진의 안전성을 보장하지만 효율성이 저하될 수 있다. 또한 엔진에 고장이 발생할 경우 고장에 의해 엔진 구성품의 안전 제한조건을 위반할 수 있다. 이는 엔진 운용에 있어 안전 문제를 일으킬 수 있어 고장 허용 제어기와 같은 고장에 강건한 제어기 설계가 필요하다.
본 논문에서는 터보팬 엔진의 효율적인 운용을 위해 한계상황을 넘지 않는 고장 허용 제어기를 모델 예측 제어(Model Predictive Control, MPC)를 활용하여 설계한다. 고장에 대한 민감도를 고려하기 위해 모델 선형화 과정에서 고장 민감도 행렬을 포함한 선형 상태 공간 모델을 산출한다. 고장에 의한 외란을 고려한 MPC를 설계하기 위해 산출한 선형 상태 공간 모델이 활용된다. 특히 고장에 의한 상태변수의 변화를 반영하기 위해 고장 관측 기법 중 UIO(Unknown Input Observer)를 설계하여 고장에 의한 외란을 추정한다. UIO를 통해 관측한 고장 추정값을 MPC에 적용하여 고장에 의한 외란에 의해 발생하는 오차를 보상한다. 설계한 제어기의 성능을 확인하기 위해 고장에 대한 민감도를 고려하지 않은 MPC와 고전적 엔진 제어기인 Min-Max Limit 제어기 시뮬레이션을 통해 결과를 비교한다.