JP2008143398A - Missile control system and method of controlling flying of missile - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、飛翔体を安定に飛行させるための飛翔体制御システムおよび飛翔体の飛行制御方法に関する。 The present invention relates to a flying object control system and a flying object flight control method for stably flying a flying object.
従来より、飛翔体の姿勢は、飛翔体の角速度や姿勢角を測定し、その値をフィードバックして飛翔体の操舵角を決定する制御システムにより、安定に保持されている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。 Conventionally, the attitude of a flying object is stably maintained by a control system that determines the steering angle of the flying object by measuring the angular velocity and attitude angle of the flying object and feeding back the values (for example, Patent Document 1). Non-Patent Document 1).
しかしながら、近時、高い旋回能力を有する飛翔体の開発が進められており、このような飛翔体では、迎え角が大きくなる飛行を行う際に、飛翔体の機体に外乱(例えば、induced roll、yaw、pitch等)が働くので、従来の制御システムでは、機体を安定に保つことが困難になる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、飛翔体に作用する外乱の影響を排除して飛翔体を安定に飛行させるための飛翔体制御システムと、飛翔体の飛行制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a flying object control system and a flying object flight control method for stably flying the flying object by eliminating the influence of disturbance acting on the flying object. For the purpose.
本発明の第1の観点によれば、飛翔体を安定して飛行させるための制御システムであって、
飛翔体を実際に操舵する操舵装置と、
飛翔体の角速度を測定する角速度センサと、
前記角速度センサが測定した角速度から前記飛翔体の姿勢角を求める姿勢角演算器と、
前記飛翔体に対する姿勢角指令値と、前記角速度センサで測定された角速度と、前記姿勢角演算器で求められた姿勢角とを用いて飛翔体の操舵指令値を求めるPIコントローラと、
前記姿勢角演算器で求められた姿勢角を用いて飛翔体に働く外乱を外乱トルクモーメントとして推定算出する状態推定器と、
前記PIコントローラで求められた操舵指令値と前記状態推定器で求められた外乱トルクモーメントとを用いて新たな操舵指令値を算出し、この新たな操舵指令値を前記操舵装置へ出力する演算装置と、を具備することを特徴とする飛翔体制御システムが提供される。
According to a first aspect of the present invention, a control system for stably flying a flying object,
A steering device that actually steers the flying object;
An angular velocity sensor that measures the angular velocity of the flying object;
A posture angle calculator for obtaining a posture angle of the flying object from an angular velocity measured by the angular velocity sensor;
A PI controller that obtains the steering command value of the flying object using the attitude angle command value for the flying object, the angular velocity measured by the angular velocity sensor, and the attitude angle obtained by the attitude angle calculator;
A state estimator that estimates and calculates a disturbance acting on the flying object using the attitude angle obtained by the attitude angle calculator as a disturbance torque moment;
A computing device that calculates a new steering command value using the steering command value obtained by the PI controller and the disturbance torque moment obtained by the state estimator, and outputs the new steering command value to the steering device. And a flying object control system characterized by comprising:
この飛翔体制御システムでは、新たな操舵指令値に基づく仮想的な操舵による飛翔体の操舵角をこの飛翔体の動特性モデルを用いて計算し、得られた仮想操舵角を状態推定器へ出力する模擬操舵装置をさらに具備する構成とすることが好ましく、その場合には、状態推定器が算出して出力する外乱トルクモーメントは、この仮想操舵角により補正された値とする。 In this flying object control system, the steering angle of the flying object by virtual steering based on the new steering command value is calculated using the dynamic characteristic model of this flying object, and the obtained virtual steering angle is output to the state estimator. Preferably, the disturbance torque moment calculated and output by the state estimator is a value corrected by this virtual steering angle.
本発明の第2の観点によれば、飛翔体の実際に飛行している状態における角速度を測定して姿勢角を求め、
こうして得られる角速度および姿勢角と前記飛翔体に対する姿勢角指令値とを用いて前記飛翔体の操舵指令値を求め、
前記姿勢角を用いて前記飛翔体に働く外乱トルクモーメントを求め、
前記操舵指令値と前記外乱トルクモーメントを用いて新たな操舵指令値を求め、この新たな操舵指令値により前記飛翔体の操舵を行うことを特徴とする飛翔体の飛行制御方法が提供される。
According to the second aspect of the present invention, the attitude angle is obtained by measuring the angular velocity of the flying object in the actual flight state,
Using the angular velocity and attitude angle obtained in this way and the attitude angle command value for the flying object, obtain the steering command value of the flying object,
Obtain the disturbance torque moment acting on the flying object using the attitude angle,
A flying object flight control method is provided, wherein a new steering command value is obtained using the steering command value and the disturbance torque moment, and the flying object is steered by the new steering command value.
この飛翔体の飛行制御方法においても、新たな操舵指令値に基づく仮想的な操舵による飛翔体の操舵角をこの飛翔体の動特性モデルを用いて計算し、こうして得られた仮想操舵角を用いて外乱トルクモーメントを補正することが好ましい。 In this flying object flight control method, the steering angle of the flying object by virtual steering based on the new steering command value is calculated using the dynamic characteristic model of the flying object, and the virtual steering angle thus obtained is used. It is preferable to correct the disturbance torque moment.
本発明によれば、飛翔体を飛行させる際に、フィードバック制御に加えて機体に作用する外乱を打ち消す制御を行うことにより、大きな迎え角での飛行を行う場合にも、飛翔体の姿勢を安定に保持して設定経路を飛行させることができる。 According to the present invention, when flying a flying object, the attitude of the flying object can be stabilized even when flying at a large angle of attack by performing control that cancels disturbance acting on the aircraft in addition to feedback control. The set route can be made to fly.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1に飛翔体制御システムの概略構成を表したブロック図を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the flying object control system.
この飛翔体制御システム10は、飛翔体(図示せず)を実際に操舵する操舵装置12と、飛翔体の実際の角速度ωmを測定する角速度センサ14と、角速度センサ14が測定した角速度ωmから飛翔体の姿勢角φmを算出する第1姿勢角演算器16と、飛翔体に対する姿勢角指令値φCおよび角速度センサ14で測定された角速度ωmならびに第1姿勢角演算器16で算出された姿勢角φmとを用いて飛翔体の操舵指令値φ1を求めるPIコントローラ18と、第1姿勢角演算器16で求められた姿勢角φmを用いて飛翔体に働く外乱を外乱トルクモーメントΛqとして算出する状態推定器20と、PIコントローラ18で求められた操舵指令値φ1と状態推定器20で求められた外乱トルクモーメントΛqとから新たな操舵指令値φ2を算出し、この新たな操舵指令値φ2を操舵装置12へ出力する演算装置22と、新たな操舵指令値φ2に基づく仮想的な操舵による飛翔体の操舵角δrをこの飛翔体の動特性モデルを用いて計算し、得られた仮想操舵角δrを状態推定器20へ出力する模擬操舵装置24とを有している。
The
また、飛翔体制御システム10は、飛翔体の動特性計算モデルを有し、操舵装置12から出力される実際の操舵角δRをこの動特性計算モデルに適用して飛翔体の角速度ωdを求める動特性モデル計算部26と、この動特性モデル計算部26で求められた角速度ωdから飛翔体の姿勢角φdを求める第2姿勢角演算器28を備えている。
Further, the flying
飛翔体制御システム10は、航空機,戦闘機,ミサイル,ロケット,宇宙往還機等の各種の飛翔体に適用できるが、特に大きな迎え角での飛行が要求され、または余儀なくされる高機動飛翔体に好適に採用される。
The flying
操舵装置12は、飛翔体の飛行方向や姿勢を変えるための操縦翼面や二次操縦翼面およびこれらを動作させるための駆動機構を含む。角速度センサ14は飛翔体の飛行時に飛翔体の機体に作用する実際の角速度ωmを測定する。第1姿勢角演算器16は、具体的には角速度ωmの積分計算により飛翔体の実際の姿勢角φmを算出する。なお、この角速度センサ14と第1姿勢角演算器16とを合わせたものは、一般的に、ジャイロと呼ばれているものである。
The
PIコントローラ18が受信する姿勢角指令値φCは、飛翔体の飛行経路等を指示するための地上または艦上に設けられた管制施設(図示せず)から無線送信され、または飛翔体に搭載された電波高度計(図示せず)や慣性航法装置(図示せず)等から送信される値である。PIコントローラ18は比例動作(P動作)と積分動作(I動作)により操舵指令値φ1を求めるが、このときに用いられる比例ゲインや積定数は飛翔体の動特性に基づいて定められている。PIコントローラ18により求められた操舵指令値φ1は演算装置22へ出力される。
The attitude angle command value φ C received by the
状態推定器20は状態観測器と呼ばれているものと同じである。状態推定器20での外乱トルクモーメントΛqの算出方法は、概略、以下の通りである。すなわち、飛翔体の機体の運動方程式は下記(1)式で示される。
この(1)式において、φ″は角加速度を、φは姿勢角を、φ′は角速度を、Lφ,LP,Lδはそれぞれ係数を、δRは舵角を表している。 In this equation (1), φ ″ represents angular acceleration, φ represents posture angle, φ ′ represents angular velocity, L φ , L P , and L δ represent coefficients, and δR represents a steering angle.
この(1)式を状態方程式で表すと、下記(2)式となる。
飛翔体の機体に働く外乱を推定する同一次元オブザーバを導出するために、外乱トルクモーメントΛqは系の応答より十分に遅い、つまり、外乱トルクモーメントΛqの微分値であるΛq′がゼロであるとする下記(3)式で示される仮定を導入する。
すると、上記(2)式は下記(4)式に示される通りの拡張系として記述することができる。
姿勢角φは検出可能な量であるから、姿勢角φについて、上記(4)式を下記(5)式と記述しても、系の応答は不変である。
ここで、簡単のために、上記(4)式と(5)式をそれぞれ下記(6)式、(7)式で記述する。
ここで、同一次元オブザーバを下記(8)式で定義する。
この(8)式も同様に、簡単のために、下記(9)式で記述する。
上記(4)式と(5)式は等価であるから、(5)式は舵角δRと外乱トルクモーメントΛqが入力されたときの姿勢角φ、角速度φ′の応答を表すことになる。その一方、上記(8)式は、姿勢角φと舵角δRが入力されたときの状態変数Xの応答を表している。 Since equation (4) and (5) is equivalent, that represents the response of (5) is phi attitude angle when the steering angle [delta] R and the disturbance torque moment lambda q is input, the angular velocity phi ' Become. Meanwhile, equation (8) represents the response of the state variable X at the time of the attitude angle φ and the steering angle [delta] R is input.
上記(8)式から(5)式を引くと、右辺の2項および3項が消去されるので、下記(10)式で示される誤差システムを得ることができる。
上記(10)式は、Aの特性根が安定であれば、下記(11)式が保証される。
このことは、A,Bを構成するα1〜α3をパラメータとしてAの特性根を安定化すれば、(9)式の状態変数Xの値がxに収束することを示している。したがって、上記(9)式の状態変数Xで、姿勢角φ,角速度φ′,外乱トルクモーメントΛqを推定することができる。 This indicates that if the characteristic root of A is stabilized using α 1 to α 3 constituting A and B as parameters, the value of the state variable X in the equation (9) converges to x. Therefore, the posture angle φ, the angular velocity φ ′, and the disturbance torque moment Λ q can be estimated using the state variable X in the above equation (9).
演算装置22は、PIコントローラ18で求められた操舵指令値φ1から上述の通りにして状態推定器20で求められた外乱トルクモーメントΛqを差し引くことにより、新たな操舵指令値φ2を算出する。つまり、操舵装置12による操舵に外乱トルクモーメントΛqの向きとは逆向きの操舵が加味されることになり、これにより外乱が打ち消されて、飛翔体の機体をより安定して飛行させることができる。
The
なお、飛翔体制御システム10は状態推定器20と模擬操舵装置24の両方を具備する構成となっており、後述するように模擬操舵装置24を備えることによって飛翔体の機体をより安定に保持することができるが、状態推定器20を備えていれば模擬操舵装置24を備えていなくとも、状態推定器20を備えていない場合と比較すると、外乱に対する飛翔体の機体安定性は、より高いものとなる。
Note that the flying
新たな操舵指令値φ2は操舵装置12へ送信され、操舵装置12はその値にしたがって動作するが、この新たな操舵指令値φ2は模擬操舵装置24へも送られて、そこで飛翔体の動特性モデルを用いて仮想操舵角δrが計算され、その値が状態推定器20へ送信される。この模擬操舵装置24による仮想操舵角δrの計算時間は、操舵装置12が操舵指令値φ2にしたがう操舵動作を完了するまでの時間よりも極めて短い。
New steering command value phi 2 is transmitted to the
そのため、状態推定器20は上述の通りにして外乱トルクモーメントΛqを求めるが、その際にはこの仮想操舵角δrが加味されて、外乱トルクモーメントΛqは逐次更新される。したがって、操舵装置12へ送られる新たな操舵指令値φ2も逐次更新される。このような制御を行うことにより、より正確な外乱を推定することができ、飛翔体の機体を極めて安定に保持することができるようになる。
Therefore, the
操舵装置12が実際に動作しているときには、飛翔体の実際の操舵角δRがリアルタイムに操舵装置12から動特性モデル計算部26に送信され、動特性モデル計算部26ではその操舵角δRを動特性計算モデルに適用して飛翔体の角速度ωdを求め、さらにこの角速度ωdから飛翔体の姿勢角φdが求められる。
When the
これらのデータはリアルタイムに飛翔体の飛行制御に用いられるわけではないが、このデータから実際の飛翔体の飛行動作を確認することができる。また、このデータは、模擬操舵装置24において仮想操舵角δrの計算に用いられる動特性モデルの改良に有用である。
These data are not used for the flight control of the flying object in real time, but the actual flying operation of the flying object can be confirmed from this data. This data is useful for improving the dynamic characteristic model used for calculating the virtual steering angle δ r in the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、飛翔体制御システム10では、状態推定器20は模擬操舵装置24において求められた模擬操舵角δrを外乱トルクモーメントΛqの計算に加味する構成となっていたが、このような模擬操舵装置24を備えていない構成に変形した上でさらに、状態推定器20が操舵装置12から出力される操舵角δRを外乱トルクモーメントΛqの計算に加味する構成とすることもできる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment. For example, in the flying
この場合、新たな操舵指令値φ2に対するレスポンスは模擬操舵装置24を用いる場合よりも遅くなるが、操舵角δRを用いずに外乱トルクモーメントΛqを推定する場合と比較すると、より正確な外乱トルクモーメントを求めることができ、これにより飛翔体の機体を安定に保持することができる。
In this case, the response to the new steering command value phi 2 is slower than the case of using a
10…飛翔体制御システム、12…操舵装置、14…角速度センサ、16…第1姿勢角演算器、18…PIコントローラ、20…状態推定器、22…演算装置、24…模擬操舵装置、26…動特性モデル計算部、28…第2姿勢角演算器。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
飛翔体を実際に操舵する操舵装置と、
飛翔体の角速度を測定する角速度センサと、
前記角速度センサが測定した角速度から前記飛翔体の姿勢角を求める姿勢角演算器と、
前記飛翔体に対する姿勢角指令値と、前記角速度センサで測定された角速度と、前記姿勢角演算器で求められた姿勢角とを用いて飛翔体の操舵指令値を求めるPIコントローラと、
前記姿勢角演算器で求められた姿勢角を用いて飛翔体に働く外乱を外乱トルクモーメントとして推定算出する状態推定器と、
前記PIコントローラで求められた操舵指令値と前記状態推定器で求められた外乱トルクモーメントとを用いて新たな操舵指令値を算出し、この新たな操舵指令値を前記操舵装置へ出力する演算装置と、を具備することを特徴とする飛翔体制御システム。 A control system for stably flying a flying object,
A steering device that actually steers the flying object;
An angular velocity sensor that measures the angular velocity of the flying object;
A posture angle calculator for obtaining a posture angle of the flying object from an angular velocity measured by the angular velocity sensor;
A PI controller that obtains the steering command value of the flying object using the attitude angle command value for the flying object, the angular velocity measured by the angular velocity sensor, and the attitude angle obtained by the attitude angle calculator;
A state estimator that estimates and calculates a disturbance acting on the flying object using the attitude angle obtained by the attitude angle calculator as a disturbance torque moment;
A computing device that calculates a new steering command value using the steering command value obtained by the PI controller and the disturbance torque moment obtained by the state estimator, and outputs the new steering command value to the steering device. And a flying object control system.
前記状態推定器が算出して出力する外乱トルクモーメントは、前記仮想操舵角により補正された値であることを特徴とする請求項1に記載の飛翔体制御システム。 A simulation steering device that calculates a steering angle of a flying object by virtual steering based on the new steering command value using a dynamic characteristic model of the flying object and outputs the obtained virtual steering angle to the state estimator. In addition,
The flying object control system according to claim 1, wherein the disturbance torque moment calculated and output by the state estimator is a value corrected by the virtual steering angle.
こうして得られる角速度および姿勢角と前記飛翔体に対する姿勢角指令値とを用いて前記飛翔体の操舵指令値を求め、
前記姿勢角を用いて前記飛翔体に働く外乱トルクモーメントを求め、
前記操舵指令値と前記外乱トルクモーメントを用いて新たな操舵指令値を求め、この新たな操舵指令値により前記飛翔体の操舵を行うことを特徴とする飛翔体の飛行制御方法。 Determine the attitude angle by measuring the angular velocity of the flying object in actual flight,
Using the angular velocity and attitude angle obtained in this way and the attitude angle command value for the flying object, obtain the steering command value of the flying object,
Obtain the disturbance torque moment acting on the flying object using the attitude angle,
A flying object flight control method, wherein a new steering command value is obtained using the steering command value and the disturbance torque moment, and the flying object is steered by the new steering command value.
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