JP2001516077A - ビークル操縦系統の位相補償のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、入力信号ｕに対する時間微分係数が所定値を超えるならば、操縦系統に含まれる回路１からの出力信号ｙに対する時間微分係数が回路１の入力信号ｕに対する時間微分係数に対して制限されるモータ駆動ビークルの操縦系統で位相補償を実行する装置に関する。入力信号ｕと出力信号ｙとの間にエラーがある場合、加算器７でエラー信号εが形成される。エラー信号εの絶対値が所定値を超えるならば、非線形増幅器８でレベルｋが選択される。入力信号ｕは、ローパスフィルタ４を通った後、微分ブロック５で微分され、それは乗算器６で非線形増幅レベルｋと乗算され、積信号δを形成する。この積信号δは、入力信号ｕに加算され、従来の速度制限装置３に導かれて、位相補償フィルタの最終出力信号を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、入力信号に対する時間微分係数が所定値を超えるならば、操縦系統
に含まれた回路からの出力信号に対する時間微分係数が回路の入力信号に対する
時間微分係数に関して制限されるモータ駆動ビークルの操縦系統の位相補償を実
行する方法に関する。本発明は、入力信号に対する時間微分係数が制限手段によ
って設定された所定値を超えるならば、回路の入力信号に対する時間微分係数に
対して出力信号の時間微分係数を制限する制限手段を備える回路を含むモータ駆
動ビークルの操縦系統における位相補償を実行する装置にも関する。

【０００２】

【従来の技術】

全（ビークル）操縦系統は物理的アクチュエータ、例えば、モータ、油圧サー
ボ弁等を有する。これらのアクチュエータ全ては、電源、油圧等の制限に由来す
る速度制限を有する。したがって、全操縦系統は、ビークルのドライバからの新
しい指令、すなわち操縦系統への入力信号を変化させることが操縦系統からの物
理的出力信号を対応して変化させ得る速度に関する制限を本来を含んでいる。入
力信号に対する時間微分係数が所定の値を超えるならば、出力信号に対する時間
微分係数は入力信号に対する時間微分係数に対して制限される。この制限は操縦
系統の速度制限として知られている。入力信号の非常に急速な変化が実行される
場合、例えば、操縦系統の入力信号が極端に速い（あるいは大きい）正弦波信号
からなる場合、位相偏移が入力信号と出力信号との間で生じる。すなわち、出力
信号は入力信号に対して時間遅れを受けやすい。この位相偏移は、ビークルの性
能を損ない、最悪の場合、不安定性を生じ得る。

【０００３】 航空機応用において、入力信号の極端に速い変化によって、操縦系統の速度制
限を超える場合、いわゆるＰＩＯ（Ｐｉｌｏｔ Ｉｎ‐ｔｈｅ‐ｌｏｏｐ Ｏｓ
ｃｉｌｌａｔｉｏｎ）が生じ得る。予期しない状況によって、パイロットが航空
機の操縦桿で速い大きな運動を実行する場合、これが生じ得る。操縦系統の速度
制限のために生じる位相偏移は振動を増幅する。最悪の場合これらの振動は発散
して、航空機の運動に対して操縦不能を生じ得る。

【０００４】 前述の速度制限は、いわゆる不安定システムを構成する航空機でより顕著であ
る。この種の航空機では、航空機の操縦翼面はパイロットからの信号によって影
響を及ぼされるばかりでなく、操縦系統で発生され、航空機の異なる場所にある
センサから得られた値に依存する安定化信号によって影響を及ぼされる。

【０００５】 速度制限を有する操縦系統の前述の問題点を減少させる１つの方法は、速度制
限が行われる場合、位相補償の導入を含む。このような位相補償は下記の条件を
満たさなければならない。 Ａ．正弦波入力信号の場合、位相遅れを減らす。 Ｂ．速いランプおよびステップに対する動的遅れを最少にする。 Ｃ．入力信号が十分緩慢である場合、同じ入出力信号を供給する。 Ｄ．

【０００６】 速度制限を有する操縦系統で位相補償を実行するいろいろな方法は、Ｂｕｃｈ
ｈｏｌｚ，Ｊ．Ｊ（１９９３）の「操縦翼面速度飽和により誘起される時間遅れ
（Ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｕｒｆａ
ｃｅ Ｒａｔｅ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）」（Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ｆ．Ｆ
ｌｕｇｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ ｕｎｄ Ｗｅｌｔｒａｕｍｆｏｒｓｃｈ
ｕｎｇ，Ｓｐｒｉｎｇ Ｖｅｒｌａｇ，Ｖｏｌ．１７，ｐｐ．２８７‐２９３）
、Ａ′ｈａｒｒａｈ，Ｒ．Ｃ．（１９９２）の「ＤＬＲおよびその他に関する公
式発表（Ｃｏｍｍｕｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈ ＤＬＲ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ）」
（ＮＡＳＡ ＨＱ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ，Ｊｕｌｙ １４ｔｈ １９９
２）およびＣｈａｌｋ，Ｃ．Ｒ．（１９９２）の「ソフトウェア速度制限概念の
研究（Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｔｅ Ｌｉｍｉｔ Ｃｏ
ｎｃｅｐｔ）」（Ｃａｌｓｐａｎ Ｆｌｉｇｈｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍｅｍｏ
ｒａｎｄｕｍ ６３５，Ｂｕｆｆａｌｏ，ＮＹ）に以前開示されている。これら
の方法は、位相補償が操縦系統で実行される必要があるかどうかを確定するため
に論理条件（ｉｆ‐ｔｈｅｎ‐ｅｌｓｅ）を使用する。しかしながら、これらの
条件には、それぞれの方法に対する少なくとも２つの異なる動的作用間でなされ
る「ジャンプ」が必要である。したがって、望ましくない出力を生じる入力信号
は常に生じ得る。この理由のために、これらの方法は速度制限を有する操縦系統
で実行されるのに決して適していない。

【０００７】 前述の問題点を解決する前述の種類の操縦系統で位相補償を実行する方法は米
国特許第５，５２８，１１９号に開示されている。

【０００８】 本発明の目的は、前述の従来技術の方法の代替例である速度制限を有する操縦
系統で位相補償を実行する方法および装置を提供することにある。

【０００９】

【発明の概要】

本発明の目的は、入力への出力信号の非線形フィードバックを有する位相補償
フィルタの使用によって特許請求の範囲に記載されているこのような系統用のフ
ィルタで位相補償を実行する方法を提供することにある。より詳細には、位相補
償フィルタの入力信号と出力信号との間にエラーがある場合、エラー信号が形成
される。前記エラー信号の絶対値が所定値を超えるならば、非線形増幅のレベル
ｋが選択される。入力信号はローパスフィルタリングされ、微分され、その後、
それは非線形増幅レベルｋと乗算され、積信号δを形成する。この積信号δは、
入力信号に加算され、従来の速度制限装置に導かれるので、位相補償フィルタの
最終出力信号を形成する。

【００１０】 積信号δを減算した後、フィルタで発生された出力信号はフィルタ装置に送ら
れる入力信号と同相である。

【００１１】 位相補償のレベルは、入力信号の微分係数と望みのフィルタリングの選択およ
び非線形増幅のレベルｋによる入力信号と出力信号間のエラーとの関数として決
定されてもよい。

【００１２】 非線形増幅のレベルｋがゼロであるかあるいは微分入力信号がゼロである場合
、位相補償は従来の速度制限装置の役目を果たす。

【００１３】 本発明の上記に提供された態様による開示されたフィルタに関する１つの長所
は、位相補償フィルタが支配的入力信号の雑音および共振外乱からの影響に対し
て安定しているということである。

【００１４】 本発明の前述の態様によるフィルタに関する他の長所は、入力ステップ形成信
号のフィルタが、入力信号と出力信号との時間遅れができるだけ短いはずである
時の時間間隔中に従来の速度制限装置の役目を果たすということである。これは
、本発明と出力信号が入力信号の方への指数関数的な減衰を有する米国特許第５
，５２８，１１９号に開示された方法との差である。特定の状況に応じて、２つ
の方法のどちらかは有利であり得る。

【００１５】 本発明によるフィルタに関するさらに他の長所は、必要な時のみにフィルタが
作動することであり、まれに起ることもあろうが、全く起らないこともあろう。

【００１６】 図１は、曲線ｙ、すなわち図の曲線ｕ（破線）で示された入力信号に対するフ
ィルタからの応答のような出力信号（連続線）のような本発明による位相補償フ
ィルタの効果の例を示す。従来の速度制限装置を使用する場合、同じ入力信号か
らの応答としての対応する信号は点線曲線ｃとして示されている。

【００１７】 入力信号ｕのための曲線によって示されるようなステップ関数の応答には従来
の速度制限装置からの出力信号に比べて本発明によるフィルタからの出力信号ｙ
がより速く続くことに注目してもよい。

【００１８】 本発明は、主に航空機操縦での使用に適合されるがそのうえにいずれの種類の
ビークル操縦系統でも使用されてもよい。

【００１９】 本発明の他の態様によれば、この方法を実行する装置が開示されている。前記
装置は特許請求の範囲に記載され、さらに実施例の説明に記載される。

【００２０】

【発明の実施の形態】

本発明は、主にいわゆる不安定系統を構成する航空機の操縦で使用することを
目的としている。しかしながら、本発明の概念は他の種類のモータ駆動ビークル
の操縦系統にも拡張し、それに応用されてもよいことを理解すべきである。

【００２１】 次に、図面を参照すると、本発明によるフィルタ装置の実施形態が図２に示さ
れている。フィルタ装置の入力信号は、参照ｕによって示され、装置からの出力
信号は参照文字ｙに示される。

【００２２】 入力信号ｕは、装置の主枝路に入り、積信号δが減算されるその第１の加算機
能２に送られる。

【００２３】 入力信号ｕ対する積信号δの減算後、結果として生じる信号ｘが形成される。
次に、結果として生じる信号ｘは従来の速度制限装置３に転送され、それによっ
て出力信号ｙは前記速度制限装置の出力に発生される。

【００２４】 入力信号ｕは、従来の種類のローパスフィルタ４、例えば下記の伝達関数を有
するフィルタに対する第１の並列枝路でさらに伝達される。 Ｇ（ｓ）＝Ｋ／（τｓ＋１） ここで、Ｋはフィルタ４の増幅率を示し、τはその時定数である。通常の条件下
では、入力信号は入力信号の時間微分係数に応用可能な制限よりもよりゆっくり
と変化する。したがって、通常の場合、速度制限装置３もフィードバックフィル
タ４もどちらも本発明による装置で作動されない。

【００２５】 第１の並列枝路において、ローパスフィルタを通った後の信号は、微分ブロッ
ク５に入りここで信号が微分され、その後乗算器６に入り、この乗算器６で、ロ
ーパスフィルタリングされ、微分係数信号が係数ｋと乗算される。係数ｋの乗算
後に形成された信号は上記に示された積信号δである。

【００２６】 装置に送られた入力信号ならびにフィルタ装置からの出力信号ｙは、両方共装
置の第２の並列枝路の第２の加算機能７に転送される。第２のエラー信号εは前
記第２の加算機能７で発生される。次に、第２のエラー信号εは、前述の乗算器
６に送られる前記係数ｋを形成するために非線形増幅器で増幅される。

【００２７】 図２に示す実施形態の装置動作は、その下記の説明から理解できる。

【００２８】 フィルタ装置１の入力信号ｕは、フィルタ装置１からの出力信号でもあるよう
に第２の加算機能７に送られる。この出力信号ｙは前記第２の加算機能７で入力
信号から減算され、その後第２のエラー信号εは形成される。エラー信号εは、
非線形増幅器８に供給されて、ここで第２のエラー信号εの振幅が増幅の値を制
御するので係数ｋを決定する。好ましい実施例の例として、第２のエラー信号ε
の絶対値が０．１よりも大きいならば（｜ε｜＞０．１）、値ｋは−１に設定さ
れる。さもなければ、係数ｋがゼロに設定される。

【００２９】 入力信号ｕは、この信号がローパスフイルタリングされるローパスフィルタに
も送られ、次に微分ブロック５で微分され、最後にこの信号が積信号δを形成す
るために前記係数ｋと乗算される乗算器６に供給される。係数ｋがゼロに等しく
ないならば、積信号δは微分入力信号の符号と反対の符号を有する。

【００３０】 積信号δは、結果として生じるｘとしてこれらの２つの信号の和を形成するた
めに第１の加算機能２で入力信号ｕから減算される。結果として生じる信号ｘは
入力信号ｕと同相である信号である。

【００３１】 最後に、従来の速度制限装置３は、結果として生じる信号ｘを速度制限し、出
力信号ｙをフィルタ装置１から形成する。

【００３２】 位相補償後の結果として生じる出力信号ｙは図１の実線曲線ｙとして示される
。破線曲線ｕは、速度制限装置に対してあまりにも高い速度の入力信号ｕを示す
。この図は点線曲線も含み、この点線曲線は、従来の速度制限装置からの出力信
号、すなわち本発明により実行された入力信号の訂正のために使用された位相補
償なしで得られた信号を示す。

【００３３】 図１の曲線の比較から理解されるように、出力信号ｙの振幅は位相補償によっ
て減少される。しかしながら、入出力間の位相変位が明らかに減少され、入力信
号と実質的に同相である出力信号を生じる。結果として、ドライバあるいはパイ
ロットは指令に対してより即時的応答を経験する。

【００３４】 前述のように、簡単にするために、フィルタ１は第１次のローパスフィルタを
含むものとして示されている。良い結果が達成されるために、各応用に対して決
定されねばならないフィルタのパラメータを適切な値に設定することが重要であ
る。

【００３５】 本発明の概念は、図面に示された実施形態あるいは前述の例に限定されるもの
とみなすことができないが、本発明のアイディアの範囲内の多数の方法において
変えられてもよいことは明らかであり、理解すべきである。したがって、第１次
のローパスフィルタは特定の実施例で特定されるが、これは簡単にするために行
われ、他の種類の漸近的に安定なフィルタも使用されてもよいことは完全に明ら
かであるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施形態のフィルタ装置の入力信号（ｕ）および出力信号（ｙ
）を示し、比較のために従来の速度制限装置からの出力信号を示す曲線（点線）
を示す。

【図２】 本発明に係る一実施形態の位相補償フィルタ装置の一例を概略的に示す。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号（ｕ）に対する時間微分係数が所定値を超えるならば
   、前記入力信号（ｕ）の時間微分係数に対して制限される時間微分係数を有する
   出力信号（ｙ）を供給し、かつ前記入力信号（ｕ）に対して前記出力信号（ｙ）
   を位相補償するビークルの操縦系統であって、 前記出力信号（ｙ）と前記入力信号（ｕ）との間の第２のエラ
   ー信号εを形成する第２のエラー信号形成手段（７）と、 前記第２のエラー信号εの振幅に応じて係数ｋを発生する増幅
   手段（８）と、 前記入力信号（ｕ）を微分する微分手段（５）と、 前記微分入力信号（ｕ）と前記係数ｋとの積である積信号（δ
   ）を形成する乗算器（６）と、 前記積信号（δ）を前記入力信号（ｕ）から減算し、かつ前記
   入力信号（ｕ）と同相である前記出力信号（ｙ）を発生する速度制限装置（３）
   に送られる信号（ｘ）を形成する第１の加算手段（２）とを備えていることを特
   徴とする操縦系統。
2. 【請求項２】前記増幅手段（８）は、前記第２のエラー信号εの振幅のレベ
   ルに応じて前記係数ｋの出力振幅を生じさせる非線形増幅器であることを特徴と
   する請求項１に記載の操縦系統。
3. 【請求項３】ローパスフィルタ（４）は、前記入力信号（ｕ）と前記微分手
   段（５）との間に接続されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の
   操縦系統。
4. 【請求項４】前記フィルタ手段は、漸近的に安定なローパスフィルタである
   ことを特徴とする請求項３に記載の操縦系統。
5. 【請求項５】入力信号（ｕ）に対する時間微分係数が所定値を超えるならば
   、前記入力信号（ｕ）の時間微分係数に対して制限される時間微分係数を有する
   出力信号（ｙ）を供給し、かつ前記入力信号（ｕ）に対して前記出力信号（ｙ）
   を位相補償するビークルの操縦方法であって、 第２のエラー信号εを前記出力信号（ｙ）および前記入力信号
   （ｕ）から形成するステップと、 前記第２のエラー信号εの振幅に応じて係数ｋを発生するステ
   ップと、 前記入力信号（ｕ）を微分するステップと、 前記微分入力信号（ｕ）と前記係数ｋとの積である積信号（δ
   ）を形成するステップと、 前記積信号（δ）を前記入力信号（ｕ）から減算し、前記出力
   信号（ｙ）を発生する速度制限装置（３）に送られる信号（ｘ）を形成するステ
   ップとを含むことを特徴とする操縦方法。
6. 【請求項６】非線形増幅器（８）で前記係数ｋを形成するステップを含む請
   求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】前記第２のエラー信号εの絶対値がゼロよりも大きいならば、
   前記係数ｋを負値に設定し、さもなければ、ｋの値をゼロに設定するステップを
   含む請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】前記入力信号（ｕ）を微分する前にローパスフィルタで前記入
   力信号（ｕ）をローパスフィルタリングするステップを含む請求項５に記載の方
   法。