JP3028888B2

JP3028888B2 - オートパイロット装置

Info

Publication number: JP3028888B2
Application number: JP4307040A
Authority: JP
Inventors: 誠一米山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2015-04-04
Also published as: JPH06161556A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、飛翔体の姿勢および
誘導制御を行なうために飛翔体に搭載されるオートパイ
ロット装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６（ａ）は、従来のオートパイロット
装置の機能を示すブロック図である。図６（ａ）におい
て、１は、機体に指令値として与えるピッチ加速度コマ
ンドａｃｐのスケール換算をする第１のオートパイロッ
トゲイン、２は、加速度ループゲイン、３は、レート積
分ループゲイン、４は、積分器のリミッタ、５は、レー
トループゲイン、６は、操舵サーボ装置へのピッチ舵角
指令δ_PCに対してのリミッタ、７は、機体の角速度ピッ
チを検出するジャイロ、８は、重力加速度ｇに対する倍
数で表すためのスケール変換器、９は、加速度計の伝達
関数であり、ジャイロ７とともに二次近似してある。ま
た１９は加速度フィードバックの加え合わせ点、２０、
２１は、角速度フィードバックの加え合わせ点である。
１０から１８、２２、２３、２４は、ヨー系について記
述したものであり、ピッチ系の１から９、１９、２０、
２１に相当する。また２５は、ロールレートコマンド、
２６は、ロールレートコマンドのスイッチ、２７は、ロ
ールレートジャイロのフィードバックの加え合わせ点、
２８は、積分器付きゲイン、２９は、積分器のリミッ
タ、３０は、比例ゲイン、３１は、ロール補償器の比例
分と積分器分の加え合わせ点、３２は、ロール舵角スイ
ッチ、３３はロール舵角リミッタ、３４はロールレート
ジャイロの伝達関数であり、二次近似してある。また、
ピッチ、ヨー、ロール系のゲインは図６（ｂ）に示した
ような高度、速度における４つの高度バンドに分けられ
ており、各バンド内では固定値となっており、全運用領
域においても高度、速度それぞれについて４段階にしか
変化しない。またａｃｙは、ヨー加速度指令、ｒは、飛
翔体角速度、δ_rcは、ロール舵角指令、Ｐは、飛翔体角
速度、ａｍｖ’は、飛翔体の重力補正加速度ヨー、ａｍ
ｗ’は、飛翔体の重力補正加速度ピッチである。

【０００３】次に動作について説明する。従来のオート
パイロット装置は、上記のように構成される。ピッチ系
の動作について説明する。加速度コマンドとして入力さ
れた信号ａｃｐは、１の加速度制御ゲイン１にて機体に
生ずる加速度に対する指令にスケール調整され、また制
御ゲイン２において加速度ループの応答が調整される。
さらに積分器付ゲイン３、リミッタ４は機体の姿勢制御
の特性を調整する。そして機体の運動を検知するセンサ
であるレートジャイロ７の出力である機体角速度、加速
度計の出力である機体加速度は、それぞれ積分ゲイン３
の前及び積分ゲインリミッタ４の後、制御ゲイン２の前
にフィードバックされる。この構成をとるオートパイロ
ット装置により、飛翔体への制御指令である加速度指令
ピッチより操舵装置へのコマンドである舵角指令ピッチ
を計算し、出力する。

【０００４】次にヨー系の動作について説明する。加速
度コマンドとして入力された信号ａｃｙは、加速度制御
ゲイン１０にて機体に生ずる加速度に対する指令にスケ
ール調整され、ヨー加速度を引き、制御ゲイン１１にお
いて加速度ループの応答を調整する。さらに積分器付ゲ
イン１２、リミッタ１３は機体の姿勢制御の特性を調整
する。そして機体の運動を検知するセンサであるレート
ジャイロ１６の出力である機体角速度、加速度計の出力
である機体加速度は、積分ゲイン１２の前及び積分ゲイ
ンリミッタ１３の後、制御ゲイン１１の前にフィードバ
ックされる。この構成をとるオートパイロット装置によ
り、飛翔体への制御指令である加速度指令ヨーより操舵
装置へのコマンドである舵角指令ヨーを計算し出力す
る。計算は、ピッチ、ヨー系とも図６に従ってゲインの
乗算、フィードバックの引き算、リミッタ計算、積分計
算を実施する。

【０００５】さらに、ロール系の動作について説明す
る。ロールレート指令は、ロールレートフィードバック
を差し引き、積分器２８及びゲインＫ₁、リミッタ２９
を乗じ、ロールフィードバックを差し引いたものにロー
ルオートパイロットゲインＫ₂を乗じてリミッタ２９の
出力と加え合わせる。その加算結果がロール舵角指令値
となり、ロール舵角リミッタ３３を通して操舵サーボ装
置へ出力される。なお７，１６，３４は、レートジャイ
ロの伝達関数を二次遅れ系で表したものであり、９，１
８は、加速度計の伝達関数を二次遅れ系で表したもので
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のオ
ートパイロット装置では、加速度指令信号ａｃｐ，ａｃ
ｙより舵角指令δ_pc，δ_ycを演算する際にオートパイロ
ットゲインＣ₀，Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を乗じるがこの値
は、高度、速度バンドにわけられており、そのバンドの
中では、固定値となっており、制御対象である機体の伝
達関数が高度、速度により変化するのに合わせてバンド
を切り換えて制御していた。本方式では、高度、速度バ
ンドの切り換えの境界などでは、オーバシュートが大き
くなったり、ダンピングが悪くなったりすることもあり
えた。また特にその開発過程において空力係数を求める
際に使用する風洞試験が完全に実飛翔状況をシミュレー
トできず空力係数が変化すると、機体の伝達関数は、
“数１”に示したＫ_J，ａ₁，ａ₂，ｂ₁，ｂ₂，ｂ₃
によって表され、その各係数で、空力係数Ｃ_Lα，Ｃ_m
δ，Ｃ_Lδ，Ｃ_mα，Ｃ_m・α，Ｃ_mqがかわり、加速度
ループのオートパイロットを構成した時の伝達関数が変
わるため、その条件においてゲイン余裕、位相余裕を確
保するようにオートパイロットゲインすべてを設計しな
おすことが、必要となるという問題点があった。

【０００７】

【数１】

【０００８】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたものであり、飛翔体の運用領域内において飛
翔体の高度、速度が変化した場合でも安定条件を満たす
ことができるオートパイロット装置を提供するものであ
る。

【０００９】また設定値である機体の時定数、減衰率を
かえることにより要求される機体時定数、減衰率を実現
し、加速度ループを組んだ状態においてその安定性は、
設定値としてＲＯＭでもつ機体の固有振動数を線形空力
係数より計算した機体の固有振動数の０．５倍から０．
６倍程度とすることにより運用領域が、低高度から高高
度、速度が亜音速から超音速領域まで変化した場合でも
安定条件を満たすことが可能であるオートパイロット装
置を提供するものである。

【００１０】この発明に係るオートパイロット装置は、
航法計算機から出力される加速度コマンドに乗じるオー
トパイロットゲインＣ₀ 、このオートパイロットゲイン
Ｃ₀の出力から加速度計のフィードバックを引いたもの
に乗じるオートパイロットゲインＣ₁ 、このオートパイ
ロットゲインＣ₁ の出力からレートジャイロで検出した
機体の角速度を引いたものに乗じるオートパイロットゲ
インＣ₂ 及び積分器、上記積分器の出力にリミッタをか
ける積分器リミッタ、上記積分器リミッタの出力から角
速度を引き、操舵駆動器へ出力する舵角コマンドとする
ために乗じるオートパイロットゲインＣ₃ 、および舵角
リミッタを備え、またロールレート初期値からロールレ
ート角速度を引いたものに乗じるロール系積分器付きゲ
インＫ₁と比例ゲインＫ₂ 及びロール舵角指令リミッタ
を備えさらに上記オートパイロットゲインＣ₀ ，Ｃ₁ ，
Ｃ₂ ，Ｃ₃ は計算式に従い飛翔体の高度、速度の変化に
よりリアルタイムで連続的に変化するよう飛翔体の飛翔
中に計算するようにしたものである。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】上記のようなゲインスケジュールオートパイロ
ット装置を用いることによって、飛翔体の誘導飛翔中に
リアルタイムでオートパイロットゲインを安定条件を満
たしながら高度、速度及び質量、重心、慣性モーメント
の変化に適応させて変化させることができ、加速度コマ
ンドに対して機体の応答として所望の時定数、減衰率を
実現するように作用する。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【実施例】

実施例１図１はこの発明のオートパイロット装置の一実施例を示
すブロック図である。１から３４までは上記従来装置と
同じものである。ただし７、９、１６、１８、３４は、
それらの特性をそれぞれ伝達関数で表したものである。

【００２１】図１のブロック図において、加速度コマン
ドａｃｐに１の第１のオートパイロットゲインＣ₀を乗
ずる。そして、その結果より加速度フィードバックを差
し引き、２の第２のオートパイロットゲインＣ₁を乗ず
る。ここでＣ₀，Ｃ₁は上述の“数１”に示したように
計算される。またａｃｐにＣ₀を乗じた式を“数２”
に、その式より加速度フィードバックを差し引いた式を
“数３”に、さらにＣ₁を乗じた式を“数４”に示す。

【００２２】

【数２】

【００２３】

【数３】

【００２４】

【数４】

【００２５】そして、“数４”に示したＣ₁を乗じた値
より角速度フィードバックを差し引き、積分器３及び積
分器ゲインＣ₂を乗ずる。その結果を“数５”に示す。
Ｃ₂は“数６”に示した式により計算される。

【００２６】

【数５】

【００２７】

【数６】

【００２８】さらに積分器出力にリミッタ４をかける。
リミッタ４の出力よりさらに角速度フィードバックを差
し引き第４のダンピングゲインＣ₃ ５を乗じ、舵角リ
ミッタを通し、舵角コマンドとする。その結果を“数
７”に示す。Ｃ₃は“数８”に示したように計算され
る。

【００２９】

【数７】

【００３０】

【数８】

【００３１】ヨー系についても全く同一である。またロ
ール系については、ロールレートコマンド２５より、ロ
ールレートを差し引きその値に積分器ゲインＫ₁ ２８
を乗じてリミッタ２９をかける。またロールレート指令
よりロールレートを引いた部分に制御ゲインＫ₂ ３０
を乗じて積分器リミッタ２９の出力に加算する。加算し
た結果に舵角リミッタ３３を通し舵角コマンドとなる。
この結果を“数９”に示す。

【００３２】このように飛翔条件である高度、速度に応
じてリアルタイムにオートパイロットゲインを計算する
ことにより、高度、速度をパラメータとする全運用領域
において安定に機体を制御することの可能なオートパイ
ロットゲインを計算することが可能である。ロール系オ
ートパイロットゲインＫ₁，Ｋ₂は、“数１０”に示し
たように計算される。

【００３３】

【数９】

【００３４】

【数１０】Ｋ₁＝ｆ₅（ω_C，Ｋ_Φ）Ｋ_Φ＝２・Ｖ_M・Ｃ_lδ／−ｂ・Ｃ_lp Ｋ₂＝ｆ₆（ω_c，τ_Φ，Ｋ_Φ） τ_Φ＝−４・Ｉ_w／Ｐ・Ｖ_M・Ｓ・ｂ²・Ｃ_lp ω_C：設定ロール帯域幅Ｃ _lδ ，Ｃ _ep ：空力微係数Ｉ _w ：ミサイル慣性モーメント（ロール軸回り）Ｐ：大気密度Ｓ：ミサイル基準断面積Ｖ _M ：ミサイル速度ｂ：ミサイル基準長

【００３５】実施例２． “数１”において、オートパイロットゲインＣ₁は、機
体伝達関数の各係数及び、飛翔速度、重力加速度より計
算されることを示しているが、このＣ₁の計算条件にＣ₁
≧Ａの時Ｃ₁＝Ａという条件を加え、その時の分母の値
をＣ₂の分子に使用することにより、Ｃ₂の零点を回避す
ることが可能となりそれにより制御系が不安定となるこ
とを避けることが可能である。Ｃ₂の零点が回避できる
理由は、Ｃ₁をＡでリミッタをかけるとＣ₁の分母とＣ₂
の分子が全く同一の式であるためＣ₁が無限大の時にＣ₂
が零となるためリミッタをかけておけばＣ₂は零となら
にことによる。その計算式は、“数１１”に示す。Ａ
は、オートパイロットゲインのリミッタ（スレッショル
ド値）であり、約１０程度の値が用いられる。図２は、
この実施例を表したものでありオートパイロットの動作
の説明は、図１に示した動作と全く同一であるため省略
する。Ｃ₁の計算式にリミッタを加えてゲイン計算をす
る点のみが相違点である。結果としてゲインの値のみが
実施例１と異なる。オートパイロット内部の計算式“数
１”から“数１０”までは実施例１と同一であるため省
略する。

【００３６】

【数１１】

【００３７】実施例３．上記実施例１に加えて、ミサイルが発生しうる旋回加速
度を飛翔高度及び速度によって、各高度、速度の最大旋
回荷重倍数でリミッタをかけることにより、機体に対し
て過大なコマンドをかけないようにすることが可能とな
る。加速度指令にリミッタが付加されている点が実施例
１との相違点であるが、図３に従って動作について説明
する。ピッチ系オートパイロットは、入力値である加速
度指令ピッチにすぐに速度、高度で可変となる加速度リ
ミッタ２９をかける。飛翔体は高度２０ｋｆｔ，速度
２．０ｍａｃｈでは、２５Ｇの加速度を出すことができ
るように設計されているが、低速、高空では、２５Ｇも
でないし、高速、低空ではそれ以上の加速度がでる機体
となっている。したがって本リミッタをテーブル方式と
することで飛翔不安定となる高迎角飛翔や過大コマンド
による整定不良となることを避けることができる。

【００３８】リミッタ２９の出力にオートパイロットゲ
インＣ₀ １をかけ、加速度フィードバックを差し引
き、２のオートパイロットゲインＣ₁を乗じる。その出
力より角速度フィードバックを差し引き、ゲインＣ₂及
び積分器３をかける。その積分器３の出力にリミッタ４
をかけて、角速度フィードバックをさらに差し引く。そ
の出力に５のダンピングゲインＣ₃を乗じて、舵角リミ
ッタ６をかけてピッチ舵角指令とする。またヨー系オー
トパイロットも、ピッチ系と同様に入力値である加速度
指令ヨーの後に速度、高度で可変となる加速度リミッタ
３０をかける。そしてリミッタ３０の出力に１０のオー
トパイロットゲインＣ₀をかけ、加速度フィードバック
を差し引き、１１のオートパイロットゲインＣ₁を乗じ
る。その出力より角速度フィードバックを差し引き、ゲ
インＣ₂及び積分器１２をかける。その出力にリミッタ
１３をかけて、角速度フィードバックをさらに差し引
く。その出力に１４のダンピングゲインＣ₃を乗じて、
舵角リミッタ１５をかけてヨー舵角指令とする。ロール
系のオートパイロットの構成については、実施例１と全
く同一である。またオートパイロット内部の計算式及び
計算結果についても、実施例１に示した“数１”〜“数
１０”と同一であるため省略する。

【００３９】実施例４図４はこの発明の実施例４を示す図であり、この実施例
４は上記実施例１に加えて、ミサイルのロールレートを
ロールレートジャイロの計測範囲内におさえるために、
ロールレートをモニタしてロール舵角リミッタを可変と
する。これによりミサイルの機体に発生するロールレー
トをレートセンサの計測範囲内におさえることが可能と
なる。２４のロールレートセンサをモニタして２２のロ
ール舵角リミッタを調整する。その他の動作について
は、実施例１と同一である。またオートパイロット内部
の計算式及び計算結果についても、実施例１に示した
“数１”〜“数１０”と同一であるため省略する。

【００４０】実施例５上記実施例１に加えて、ミサイルの空力係数を空力テー
ブルから引用する際に、ミサイル速度より、迎角及び横
滑り角を計算し、その関数である空力係数を引用する。
これにより高迎角時は、その時のゲインを計算すること
で、加速度コマンドに対する機体の応答として所望の設
定時定数、減衰率の応答を得ることが可能となる。迎
角、横滑り角、マッハ数より空力係数を引用する。“数
１２”にそのテーブルの引用方法を示した。引用方法に
ついては、従来空力係数は、マッハ数のみ関数として引
用していたのを、迎え角、横滑り角、マッハ数の３次元
での引用とした。動作については、ゲインの引用以外は
実施例１と同一である。ピッチ系については、図５のブ
ロック図において加速度コマンドａｃｐに第１のオート
パイロットゲインＣ₀ １を乗じ、加速度フィードバック
を差し引き、２の第２のオートパイロットゲインＣ₁ を
乗ずる。そしてその出力より角速度フィードバックを差
し引き、３の積分器及び積分器ゲインＣ₂ を乗ずる。さ
らに積分器リミッタ４をとおし、角速度フィードバック
を差し引き、５のダンピングゲインＣ₃を乗じ、６の舵
角リミッタを通してピッチ舵角指令δ_PCとする。７はレ
ートジャイロの伝達関数、８は、加速度計のディメンジ
ョン換算、９は加速度計の伝達関数である。

【００４１】ヨー系については、加速度コマンドａｃｙ
に１０の第１のオートパイロットゲインＣ₀ を乗じ、加
速度フィードバックを差し引き、１１の第２のオートパ
イロットゲインＣ₁ を乗ずる。そしてその出力より角速
度フィードバックを差し引き、１２の積分器及び積分器
ゲインＣ₂ を乗ずる。さらに積分器リミッタ１３をとお
し、角速度フィードバックを差し引き、１４のダンピン
グゲインＣ₃ を乗じ１５の舵角リミッタを通してヨー舵
角指令δ_ycとする。１６はレートジャイロの伝達関数、
１７は、加速度計のディメンジョン換算、１８は加速度
計の伝達関数である。ロール系については、実施例１と
同一である。なお、数１２においてＵ，Ｖ，Ｗは機体座
標系ミサイル速度である。

【００４２】

【数１２】

【００４３】ところで上記説明では、実際に開発した後
翼操舵飛翔体について適用した例について述べたがオー
トパイロットゲインの本計算方法は、他の後翼操舵飛翔
体についても利用できることはいうまでもない。

【００４４】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００４５】オートパイロットゲインＣ₀、Ｃ₁、
Ｃ₂、Ｃ₃、Ｋ₁、Ｋ₂を計算するために“数１”，
“数２”，“数３”，“数４”，“数５”，“数６”に
示した計算式にしたがって計算することにより、加速度
指令値に対して安定条件を満たし高度、速度により動圧
および空力係数、また飛翔時間により慣性モーメント、
質量が変化してもＲＯＭに設定した応答を得ることがで
きるオートパイロット装置を実現することが可能であ
る。

【００４６】

【００４７】

【００４８】

【００４９】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示すブロック図である。

【図２】この発明の実施例２を示すブロック図である。

【図３】この発明の実施例３を示すブロック図である。

【図４】この発明の実施例４を示すブロック図である。

【図５】この発明の実施例５を示すブロック図である。

【図６】従来のオートパイロット装置を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１オートパイロットゲインＣ₀（ピッチ）２オートパイロットゲインＣ₁（ピッチ）３積分器およびオートパイロットゲインＣ₂（ピッ
チ）４積分器出力のリミッタ（ピッチ）５オートパイロットゲインＣ₃（ピッチ）６舵角コマンドリミッタ（ピッチ）７ジャイロ伝達関数（ピッチ）８検出加速度デイメンジョン変換（ピッチ）９加速度計伝達関数（ピッチ）１０オートパイロットゲインＣ₀（ヨー）１１オートパイロットゲインＣ₁（ヨー）１２積分器およびオートパイロットゲインＣ₂（ヨ
ー）１３積分器出力のリミッタ（ヨー）１４オートパイロットゲインＣ₃（ヨー）１５舵角コマンドリミッタ（ヨー）１６ジャイロ伝達関数（ヨー）１７検出加速度デイメンジョン変換（ヨー）１８加速度計伝達関数（ヨー）１９ロールコマンド初期値２０積分器およびオートパイロットゲインＫ₁（ロー
ル）２１積分器出力のリミッタ（ロール）２２舵角コマンドリミッタ（ロール）２３オートパイロットゲインＫ₂（ロール）２４ジャイロ伝達関数（ロール）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 1/10 B64C 13/18 F42B 15/01 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】航法計算機から出力される加速度コマン
ドに乗じるオートパイロットゲインＣ₀ 、このオートパ
イロットゲインＣ₀ の出力から加速度計のフィードバッ
クを引いたものに乗じるオートパイロットゲインＣ₁ 、
このオートパイロットゲインＣ₁ の出力からレートジャ
イロで検出した機体の角速度を引いたものに乗じるオー
トパイロットゲインＣ₂ 及び積分器、上記積分器の出力
にリミッタをかける積分器リミッタ、上記積分器リミッ
タの出力から角速度を引き、操舵駆動器へ出力する舵角
コマンドとするために乗じるオートパイロットゲインＣ
₃ 、および舵角リミッタを備え、またロールレート初期
値からロールレート角速度を引いたものに乗じるロール
系積分器付きゲインＫ₁ と比例ゲインＫ₂ 及びロール舵
角指令リミッタを備えさらに上記オートパイロットゲイ
ンＣ₀ ，Ｃ₁ ，Ｃ₂ ，Ｃ₃ は計算式に従い飛翔体の高
度、速度の変化によりリアルタイムで連続的に変化する
よう飛翔体の飛翔中に計算することを特徴とするオート
パイロット装置。