JP3493347B2 - Automatic control device - Google Patents

Automatic control device

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JP3493347B2
JP3493347B2 JP2001057227A JP2001057227A JP3493347B2 JP 3493347 B2 JP3493347 B2 JP 3493347B2 JP 2001057227 A JP2001057227 A JP 2001057227A JP 2001057227 A JP2001057227 A JP 2001057227A JP 3493347 B2 JP3493347 B2 JP 3493347B2
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Kawasaki Jukogyo KK
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機、船舶およ
びロボットなどを制御する自動制御装置であって、ロバ
スト安定性と希望応答特性とを同時に実現する自動制御
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an automatic control device for controlling an aircraft, a ship, a robot, etc., which simultaneously realizes robust stability and desired response characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】図8は、従来の技術であるロバスト安定
性と希望応答特性とを同時に実現する制御装置1の構成
を示すブロック図である。制御装置1は、フィードフォ
ワードコントローラ2、ロバストフィードバックコント
ローラ3および加算器4で構成される。フィードフォワ
ードコントローラ2は、制御対象5が指令値に対して観
測出力が望ましい応答となるように、指令値を加工して
加算器4に出力する。ロバストフィードバックコントロ
ーラ3は、制御対象5からの観測出力を入力して、系に
作用する外乱などを抑制し、系のロバスト安定化を達成
するような信号を出力する。加算器4は、フィードフォ
ワードコントローラ2によって加工された指令値と、ロ
バストフィードバックコントローラ3からの信号が有す
る値とを加算した操作量を制御対象5に入力する。H∞
制御理論を用いてロバストフィードバックコントローラ
3を設計し、応答特性を確認しながらフィードフォワー
ドコントローラ2を調整して別個に設計される。このよ
うにして、ロバスト安定性と希望応答特性とを同時に実
現することができる。
2. Description of the Related Art FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a control device 1 which simultaneously realizes robust stability and desired response characteristics, which is a conventional technique. The control device 1 includes a feedforward controller 2, a robust feedback controller 3, and an adder 4. The feedforward controller 2 processes the command value and outputs it to the adder 4 so that the controlled object 5 responds to the command value with a desired observation output. The robust feedback controller 3 inputs the observation output from the controlled object 5, suppresses disturbances acting on the system, and outputs a signal that achieves robust stabilization of the system. The adder 4 inputs the operation amount obtained by adding the command value processed by the feedforward controller 2 and the value included in the signal from the robust feedback controller 3 to the control target 5. H∞
The robust feedback controller 3 is designed by using the control theory, and the feedforward controller 2 is adjusted while confirming the response characteristic, and the feedforward controller 2 is designed separately. In this way, robust stability and desired response characteristics can be realized at the same time.

【0003】図9は、特開平5−147589号公報に
開示されるロバスト飛行制御装置11の構成を示すブロ
ック図である。ロバスト飛行制御装置11は、第1定数
ゲイン器12、第2定数ゲイン器13、状態推定器14
および加算器15で構成される。定数ゲイン器12,1
3は、制御対象16の状態フィードバックによる閉ルー
プ系の伝達特性が、希望応答特性となる伝達関数に一致
するように「ExactModel Matching法」によって設計さ
れる。第1定数ゲイン器12は、指令値を加工して加算
器15に出力する。状態推定器14はH∞制御理論を用
いて設計され、制御対象16に入力される操作量と制御
対象16の観測出力とに基づいて、制御対象16の状態
と制御対象16に加わる外乱とを同時に推定して、第2
定数ゲイン器13に出力する。加算器15は、第1定数
ゲイン器12から出力される信号が有する値と第2定数
ゲイン器13から出力される信号が有する値とを加算し
て、制御対象16および状態推定器14に出力する。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of a robust flight control device 11 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-147589. The robust flight control device 11 includes a first constant gain device 12, a second constant gain device 13, and a state estimator 14.
And adder 15. Constant gain device 12, 1
3 is designed by the "Exact Model Matching method" so that the transfer characteristic of the closed loop system by the state feedback of the controlled object 16 matches the transfer function that is the desired response characteristic. The first constant gain unit 12 processes the command value and outputs it to the adder 15. The state estimator 14 is designed using the H ∞ control theory, and determines the state of the controlled object 16 and the disturbance applied to the controlled object 16 based on the manipulated variable input to the controlled object 16 and the observed output of the controlled object 16. Estimated at the same time, the second
Output to the constant gain unit 13. The adder 15 adds the value of the signal output from the first constant gain unit 12 and the value of the signal output from the second constant gain unit 13, and outputs the result to the control target 16 and the state estimator 14. To do.

【0004】このようにして、状態推定器14が状態フ
ィードバックと等価の信号を第2定数ゲイン器13に出
力して希望応答特性を実現するとともに、外乱を相殺し
てロバスト安定性を高めることができる。
In this way, the state estimator 14 outputs a signal equivalent to the state feedback to the second constant gain unit 13 to realize a desired response characteristic, and cancels disturbance to enhance robust stability. it can.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述の制御装置1にお
けるロバストフィードバックコントローラ3は、H∞制
御理論で設計されるので制御則が非常に複雑であり、フ
ィードフォワードコントローラ2は、制御対象5および
ロバストフィードバックコントローラ3の双方を考慮し
て設計しなければならないので、制御則がさらに複雑と
なる。また上述のロバスト飛行制御装置11における状
態推定器14も、H∞制御理論で設計されるので、制御
則が非常に複雑である。
Since the robust feedback controller 3 in the above-described control device 1 is designed by the H∞ control theory, the control law is very complicated, and the feedforward controller 2 includes the controlled object 5 and the robust feedback controller 2. Since the feedback controller 3 must be designed in consideration of both, the control law becomes more complicated. Further, the state estimator 14 in the robust flight control device 11 described above is also designed according to the H∞ control theory, so that the control law is very complicated.

【0006】このように従来の技術において、ロバスト
安定性と希望応答特性とを同時に実現しようとする場
合、制御則が複雑になり、これによって制御器を制御装
置に実装する場合には、高度な計算機能力が必要とされ
るだけでなく、制御則のパラメータと制御性能との対応
付けが難しく、設計の最終工程におけるパラメータの微
調整が困難になる。
As described above, in the conventional technique, when trying to simultaneously realize the robust stability and the desired response characteristic, the control law becomes complicated, and when the controller is mounted on the control device, a high degree of control is required. Not only is the computational function required, but it is difficult to associate the parameters of the control law with the control performance, and it becomes difficult to finely adjust the parameters in the final design process.

【0007】また制御対象の特性が制御対象の運用条件
によって変化する場合、このような従来の技術ではH∞
制御器のロバスト安定性によって特性変動に対するある
程度の安定性は保証されるが、複数の特性に対しては明
確に性能を規定する設計が難しく、ノミナル点以外での
制御性能については設計後の解析に頼るしかなく、設計
の試行錯誤の回数が増加する要因となっていた。
Further, when the characteristics of the controlled object change depending on the operating conditions of the controlled object, such a conventional technique causes H∞.
Robust stability of the controller guarantees a certain degree of stability against characteristic fluctuations, but it is difficult to design to clearly specify performance for multiple characteristics, and post-design analysis of control performance at points other than the nominal point is difficult. This was a factor that increased the number of trials and errors in design.

【0008】 したがって本発明の目的は、単純な制御
則を用いて、複数の特性に対してもロバスト安定性と希
望応答特性とを同時に実現することができる自動制御装
置を提供することである
Therefore, an object of the present invention is to provide an automatic control device capable of simultaneously achieving robust stability and desired response characteristics for a plurality of characteristics by using a simple control law.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の本発明
は、ロバスト安定性と希望応答特性とを同時に実現する
制御器を有する自動制御装置であって、前記制御器は、
制御対象Pの指令値に対する希望応答特性が規定される
規範モデルから出力される規範応答と、制御対象Pから
実際に出力される応答との差に基づく追従誤差を小さく
するように制御対象Pを制御する制御器Cwであり、ロ
バスト安定余裕を導出するために、制御対象Pに基づく
動的システムM〜,N〜を用いて拡大制御対象Pwを、 と定式化するとともに、制御器Cwに基づく動的システ
ムM,Nを用いて拡大制御器Cを、 C=N −1 と定式化して、拡大制御対象Pwに対してロバスト安定
余裕が最大となる拡大制御器Cのパラメータを決定して
制御器Cwの制御則が決定され、少なくとも指令値およ
び制御対象Pからの応答に基づく制御器Cwからの制御
出力によって制御対象Pを制御することを特徴とする自
動制御装置である。
The present invention according to claim 1 is an automatic control device having a controller that simultaneously realizes robust stability and desired response characteristics, wherein the controller comprises:
The control target P is set so as to reduce the tracking error based on the difference between the reference response output from the reference model in which the desired response characteristic with respect to the command value of the control target P is specified and the response actually output from the control target P. A controller Cw for controlling, and in order to derive a robust stability margin, the expanded control target Pw is calculated by using the dynamic systems M to N based on the control target P. And the extended controller C is formulated as C = N C MC −1 using the dynamic systems M C and N C based on the controller Cw, and is robustly stable with respect to the extended control target Pw. The control law of the controller Cw is determined by determining the parameter of the expanded controller C with the maximum margin, and the controlled object P is controlled by at least the control output from the controller Cw based on the command value and the response from the controlled object P. It is an automatic control device characterized by:

【0010】 本発明に従えば、指令値に対して規範モ
デルから出力される規範応答と制御対象Pから実際に出
力される応答との差に基づく追従誤差を小さくするよう
に制御対象Pを制御するような制御器Cwを設け、ロバ
スト安定余裕を導出するために、制御対象Pに基づく動
的システムM〜,N〜を用いて拡大制御対象Pwを、 と定式化するとともに、制御器Cwに基づく動的システ
ムM,Nを用いて拡大制御器Cを、 C=N −1 と定式化して、拡大制御対象Pwに対してロバスト安定
余裕が最大となる拡大制御器Cのパラメータを決定して
制御器Cwの制御則が決定される。これによって、指令
値と制御器Cwからの出力との追従誤差に対する伝達特
性がロバスト安定余裕に関連づけられて、ロバスト安定
余裕を大きくすることによって前記伝達特性を小さくす
ることができるので、ロバスト安定性の向上と希望応答
特性とを同時に実現することができるとともに、制御器
Cwの制御則をパラメータの少ない簡単な構成で、制御
対象を制御することができる。このように制御器Cwの
制御則のパラメータが少ないので、計算能力の低い計算
機を用いても計算が可能であるとともに、パラメータの
微調整によるチューニングが容易である。
According to the present invention, the control target P is controlled so as to reduce the tracking error based on the difference between the reference response output from the reference model and the response actually output from the control target P with respect to the command value. In order to derive the robust stability margin by using the controller Cw, the expanded control target Pw is calculated by using the dynamic systems M to N based on the control target P. And the extended controller C is formulated as C = N C MC −1 using the dynamic systems M C and N C based on the controller Cw, and is robustly stable with respect to the extended control target Pw. The control law of the controller Cw is determined by determining the parameter of the expansion controller C having the maximum margin. As a result, the transfer characteristic with respect to the tracking error between the command value and the output from the controller Cw is associated with the robust stability margin, and the robust stability margin can be increased to reduce the transfer characteristic. And the desired response characteristic can be realized at the same time, and the controlled object of the controller Cw can be controlled with a simple configuration having a small number of parameters. As described above, since the control rule parameters of the controller Cw are small, it is possible to perform the calculation even by using a computer having a low calculation ability, and it is easy to perform tuning by finely adjusting the parameters.

【0011】 請求項2記載の本発明は、ロバスト安定
性と希望応答特性とを同時に実現する制御器を有する自
動制御装置であって、前記制御器の制御則を求める方法
において、前記制御器は、複数の特性を有する制御対象
Pの指令値に対する希望応答特性が規定される規範モデ
ルから出力される規範応答と、制御対象Pから実際に出
力される応答との差に基づく追従誤差を小さくするよう
に制御対象Pを制御する共通制御器Cwとし、ロバスト
安定余裕を導出するために、制御対象Pに基づく動的シ
ステムM〜,N〜を用いて複数の拡大制御対象Pwを、 と定式化するとともに、共通制御器Cwに基づく動的シ
ステムM,Nを用いて拡大共通制御器Cを、 C=N −1 と定式化して、拡大制御対象Pwに対してロバスト安定
余裕が最大となる拡大共通制御器Cのパラメータを決定
して共通制御器Cwの制御則が決定され、少なくとも指
令値および制御対象Pからの応答に基づく制御器Cwか
らの制御出力によって制御対象Pを制御することを特徴
とする自動制御装置である。
The present invention according to claim 2 is an automatic control device having a controller that simultaneously realizes robust stability and desired response characteristics, wherein the controller is a method for obtaining a control law of the controller. , A tracking error based on a difference between a reference response output from a reference model that defines a desired response characteristic for a command value of a control target P having a plurality of characteristics and a response actually output from the control target P is reduced. As described above, the common controller Cw for controlling the controlled object P is used, and in order to derive the robust stability margin, a plurality of expanded controlled objects Pw are generated by using the dynamic systems M to N based on the controlled object P. And the extended common controller C is formulated as C = N C M C −1 by using the dynamic systems M C and N C based on the common controller Cw, and the extended control target Pw is obtained. The parameter of the expanded common controller C that maximizes the robust stability margin is determined to determine the control law of the common controller Cw, and control is performed by the control output from the controller Cw based on at least the command value and the response from the control target P. It is an automatic control device characterized by controlling an object P.

【0012】 本発明に従えば、指令値に対して規範モ
デルから出力される規範応答と制御対象Pから実際に出
力される応答との差に基づく追従誤差を小さくするよう
に制御対象Pを制御するような共通制御器Cwを設け、
複数の特性を有する制御対象Pに基づく動的システムM
〜,N〜を用いて複数の拡大制御対象Pwを、 と定式化するとともに、共通制御器Cwに基づく動的シ
ステムM,Nを用いて拡大共通制御器Cを、 C=N −1 と定式化して、拡大制御対象Pwに対してロバスト安定
余裕が最大となる拡大共通制御器Cのパラメータを決定
して共通制御器Cwの制御則が決定される。これによっ
て、指令値と共通制御器Cwからの出力との追従誤差に
対する伝達特性がロバスト安定余裕に関連づけられて、
ロバスト安定余裕を大きくすることによって前記伝達特
性を小さくすることができるので、ロバスト安定性の向
上と希望応答特性とを同時に実現することができるとと
もに、共通制御器Cwの制御則をパラメータの少ない簡
単な構成で、制御対象を制御することができる。このよ
うに共通制御器Cwの制御則のパラメータが少ないの
で、計算能力の低い計算機を用いても計算が可能である
とともに、パラメータの微調整によるチューニングが容
易である。
According to the present invention, the control target P is controlled so as to reduce the tracking error based on the difference between the reference response output from the reference model and the response actually output from the control target P with respect to the command value. A common controller Cw
Dynamic system M based on controlled object P having multiple characteristics
, N ~ are used to define a plurality of expansion control targets Pw, And the extended common controller C is formulated as C = N C M C −1 by using the dynamic systems M C and N C based on the common controller Cw, and the extended control target Pw is obtained. The control law of the common controller Cw is determined by determining the parameter of the expanded common controller C that maximizes the robust stability margin. Thereby, the transfer characteristic with respect to the tracking error between the command value and the output from the common controller Cw is associated with the robust stability margin,
Since the transfer characteristic can be reduced by increasing the robust stability margin, the robust stability can be improved and the desired response characteristic can be realized at the same time, and the control law of the common controller Cw can be easily configured with a small number of parameters. With such a configuration, the controlled object can be controlled. As described above, the number of parameters of the control law of the common controller Cw is small, so that calculation can be performed even by using a computer having low calculation ability, and tuning by fine adjustment of parameters is easy.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】線形行列不等式(linear matrix
inequality;略称:LMI)ループシェイピング法に基
づいたロバスト制御器の設計手順について説明する。理
解を容易にするために、制御対象および制御装置の制御
則などの伝達特性を表す記号を、前記制御対象および制
御則などに付して用いる。先ず拡大制御対象Pwを次式
1で表す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Linear matrix inequalities
inequality; abbreviation: LMI) A procedure for designing a robust controller based on the loop shaping method will be described. In order to facilitate understanding, symbols representing transfer characteristics such as the control target and the control law of the control device are attached to the control target and the control law. First, the expansion control target Pw is represented by the following expression 1.

【0014】[0014]

【数1】 [Equation 1]

【0015】拡大制御対象Pwの左グラフをThe left graph of the expansion control target Pw is

【数2】 とおく。ここでG〜,M〜,N〜は、動的システムを示
し、式2は動的システムG〜が次の式3、式4の線形微
分方程式で表されることを示す。
[Equation 2] far. Here, G ~, M ~, N ~ indicate a dynamic system, and Expression 2 indicates that the dynamic system G ~ is represented by the linear differential equations of the following Expressions 3 and 4.

【0016】[0016]

【数3】 [Equation 3]

【0017】同様の表記を用いて、拡大制御則Cは次式
5で表される。
Using the same notation, the expansion control law C is expressed by the following equation 5.

【数4】 [Equation 4]

【0018】拡大制御則Cの右逆グラフKを、The right inverse graph K of the expansion control law C is

【数5】 とおく。ここで拡大制御則Cの右逆グラフKの要素A
K ,BK は、予め与えられているとする。式6の拡大制
御則Cの右逆グラフKにおいて不定な要素はCK1
K2,DK1,DK2の4つである。また、拡大制御則Cの
正規化右逆グラフKN を用いてQを次式7のように定義
する。
[Equation 5] far. Here, the element A of the right inverse graph K of the expansion control law C
It is assumed that K 1 and B K are given in advance. An indefinite element in the right inverse graph K of the expansion control law C of Expression 6 is C K1 ,
These are C K2 , D K1 and D K2 . Further, Q is defined as the following Expression 7 using the normalized right inverse graph K N of the expansion control law C.

【0019】[0019]

【数6】 ここで記号右肩の*は、共役転置を表す。拡大制御則C
の正規化右逆グラフK Nは、次式8のように求める。
[Equation 6] Here, * on the right shoulder of the symbol represents a conjugate transposition. Expansion control law C
Normalized right inverse graph K NIs calculated by the following equation 8.

【0020】[0020]

【数7】 [Equation 7]

【0021】ここで、Here,

【数8】 である。また、記号右肩のTは行列の転置を表す。式1
0におけるXは次式11のリッカチ(Riccati)方程式
の対称正定解である。
[Equation 8] Is. Further, T on the right side of the symbol represents the transposition of the matrix. Formula 1
X at 0 is a symmetric positive definite solution of the Riccati equation of the following Expression 11.

【0022】[0022]

【数9】 [Equation 9]

【0023】ここで、式11におけるRはWhere R in equation 11 is

【数10】 である。[Equation 10] Is.

【0024】上記の式2、式6、式7の要素を用いて、
次の式13〜式16の行列AGK,B GK,CGK,DGKを定
義する。
Using the elements of equations (2), (6) and (7) above,
Matrix A of the following Expressions 13 to 16GK, B GK, CGK, DGKSet
Mean

【0025】[0025]

【数11】 [Equation 11]

【0026】行列AGK,BGK,CGK,DGKを用いると、
次式17の線形行列不等式で表された凸最適化問題と、
次式18の代数式とを交互に解いてQおよびKを求め、
最適な拡大制御則Cの右逆グラフKの不定要素CK1,C
K2,DK1,DK2を求めることができる。
Using the matrices A GK , B GK , C GK and D GK ,
A convex optimization problem expressed by the linear matrix inequality of the following Expression 17, and
Alternately solving the algebraic expression of the following equation 18 to obtain Q and K,
Indefinite elements C K1 , C of the inverse right graph K of the optimum expansion control law C
It is possible to obtain K2 , D K1 and D K2 .

【0027】[0027]

【数12】 [Equation 12]

【0028】式17でγを最小化することは、設計した
拡大制御則Cを含む閉ループのロバスト安定余裕bPwC
を最大化することに等価なことが知られており、以上に
説明したLMIループシェイピング法によってロバスト
安定性を最適化する拡大制御則Cの右逆グラフKの不定
要素CK1,CK2,DK1,DK2を求めることができる。ロ
バスト安定余裕bPwC は次式19で定義される。
The minimization of γ in Equation 17 means that the closed loop robust stability margin b PwC including the designed extended control law C is used.
It is known to be equivalent to maximizing, and the indefinite elements C K1 , C K2 , D of the right inverse graph K of the extended control law C that optimizes robust stability by the LMI loop shaping method described above. It is possible to obtain K1 and D K2 . The robust stability margin b PwC is defined by the following equation 19.

【0029】[0029]

【数13】 [Equation 13]

【0030】実際に用いる拡大制御則Cは、予め与えら
れている要素AK ,BK および上記の方法によって求め
た拡大制御則Cの右逆グラフKの要素CK1,CK2
K1,D K2を用いて、次式20で求めることができる。
The extension control law C actually used is given in advance.
Element AK , BK And determined by the above method
The element C of the right inverse graph K of the expanded control law CK1, CK2
DK1, D K2Can be obtained by the following equation 20.

【0031】[0031]

【数14】 [Equation 14]

【0032】図1は、上述のLMIループシェイピング
法による拡大制御則Cのパラメータの決定手順を示すフ
ローチャートである。ステップs0で前記手順が開始さ
れて、ステップs1に進む。ステップs1では、拡大制
御対象Pwおよび拡大制御則Cの初期値を準備し、ステ
ップs2に進む。ステップs2では、拡大制御対象Pw
の左グラフG〜および拡大制御則Cの右逆グラフKを求
め、ステップs3に進む。ステップs3では、式8〜式
12から拡大制御則Cの正規化右逆グラフKNを求め、
式7からQを求め、ステップs4に進む。
FIG. 1 is a flow chart showing the procedure for determining the parameters of the extended control law C by the above LMI loop shaping method. The procedure is started in step s0, and proceeds to step s1. In step s1, initial values of the expansion control target Pw and the expansion control law C are prepared, and the process proceeds to step s2. In step s2, the expansion control target Pw
Of the left graph G and the right inverse graph K of the expansion control law C are obtained, and the process proceeds to step s3. In step s3, the normalized right inverse graph K N of the expansion control law C is obtained from Expressions 8 to 12,
Q is obtained from Expression 7, and the process proceeds to step s4.

【0033】ステップs4では、Qを固定して、式13
〜式16を用いて式17を解いて、最適なKの不定要素
K1,CK2,DK1,DK2およびγを求め、ステップs5
に進む。ステップs5では、Kを固定して、式8〜式1
2、式20を用いて式18を解いてQを求め、ステップ
s6に進む。ステップs6では、γが収束したか否かを
判断し、γが収束したと判断されるとステップs7に進
み、γが収束していないと判断されるとステップs4に
戻る。ステップs7では、γが収束したときに得られた
Kの要素を用いて、式20から拡大制御則Cの要素を求
め、ステップs8に進み、全ての手順を終了する。
At step s4, Q is fixed and the equation 13 is satisfied.
~ Equation 16 is solved using Equation 16 to find the optimum K indefinite elements C K1 , C K2 , D K1 , D K2 and γ, and step s5
Proceed to. In step s5, K is fixed and equations 8 to 1 are used.
2. Equation 18 is solved using Equation 2 and Equation 20 to obtain Q, and the process proceeds to step s6. In step s6, it is determined whether γ has converged. If it is determined that γ has converged, the process proceeds to step s7, and if it is determined that γ has not converged, the process returns to step s4. In step s7, the element of the expansion control law C is obtained from the equation 20 using the element of K obtained when γ converges, and the process proceeds to step s8 to end all the procedures.

【0034】上述のLMIループシェイピング法は、複
数の制御対象、および複数の特性を有する制御対象に対
する共通制御則の設計にも有効である。たとえば第1拡
大制御対象Pw1および第2拡大制御対象Pw2に対す
る拡大共通制御則Cを設計する場合について説明する。
この2つの拡大制御対象Pw1,Pw2の左グラフを、
式2と同様にそれぞれ
The LMI loop shaping method described above is also effective for designing a common control law for a plurality of control objects and control objects having a plurality of characteristics. For example, a case of designing the expansion common control law C for the first expansion control target Pw1 and the second expansion control target Pw2 will be described.
The left graphs of these two expansion control targets Pw1 and Pw2 are
Similar to equation 2,

【数15】 とおく。この2つの拡大制御対象Pw1,Pw2に対す
る拡大共通制御則CおよびCの右逆グラフKは、これま
での説明と同様に式5および式6で表される。また各拡
大制御対象Pw1,Pw2の左グラフG1〜 ,G2〜 お
よび拡大共通制御則Cの正規化右逆グラフKN を用い
て、Q1 ,Q2 を式7と同様に次の式23、式24のよ
うに定義する。
[Equation 15] far. The right inverse graph K of the expansion common control rules C and C for these two expansion control targets Pw1 and Pw2 is expressed by Expression 5 and Expression 6 as in the above description. Further, using the left graphs G 1 to G 2 of each expansion control object Pw1 and Pw2 and the normalized right inverse graph K N of the expansion common control law C, Q 1 and Q 2 are expressed by 23 and formula 24 are defined.

【0035】[0035]

【数16】 [Equation 16]

【0036】式6および式21〜式24の要素を用い
て、次の式25〜式32の行列AG1K,BG1K ,C
G1K ,DG1K ,AG2K ,BG2K ,CG2K ,DG2K を定義
する。
Using the elements of equation 6 and equations 21 to 24, the matrices A G1K , B G1K and C of the following equations 25 to 32 are obtained.
G1K , D G1K , A G2K , B G2K , C G2K and D G2K are defined.

【0037】[0037]

【数17】 [Equation 17]

【0038】行列AG1K ,BG1K ,CG1K ,DG1K ,A
G2K ,BG2K ,CG2K ,DG2K を用いると、次式33の
線形行列不等式で表された凸最適化問題と次式34の代
数式とを交互に解いて、Q1 ,Q2 ,Kを求め、最適な
共通拡大制御則Cの不定要素CK1,CK2,DK1,DK2
求めることができる。
Matrices A G1K , B G1K , C G1K , D G1K , A
When G2K , B G2K , C G2K , and D G2K are used, the convex optimization problem expressed by the linear matrix inequality of the following equation 33 and the algebraic expression of the following equation 34 are alternately solved to obtain Q 1 , Q 2 , and K. The optimum indefinite elements C K1 , C K2 , D K1 , and D K2 of the common expansion control law C can be calculated .

【0039】[0039]

【数18】 [Equation 18]

【0040】上述の共通制御則を求める方法は、制御対
象が2つの場合であったが、制御対象が3つ以上の場合
でも全く同様にして共通制御則を求めることができる。
上述のように、LMIループシェイピング法を用いるこ
とによって、ロバスト安定性を最適化する制御則を得る
ことができるが、このままでは制御則設計のもう一つの
目的である希望応答特性が実現できない。
The above-described method for obtaining the common control law has been described in the case where there are two control objects, but the common control law can be obtained in the same manner even when there are three or more control objects.
As described above, by using the LMI loop shaping method, a control law that optimizes robust stability can be obtained. However, the desired response characteristic, which is another purpose of the control law design, cannot be realized as it is.

【0041】そこでLMIループシェイピング法を用い
て、ロバスト安定性を最適化するとともに、希望応答特
性を実現する制御則を求める方法について説明する。
Therefore, a method for optimizing robust stability and obtaining a control law for realizing a desired response characteristic by using the LMI loop shaping method will be described.

【0042】 図2は、本発明の第1の実施形態の制御
装置21の構成を示すブロック図である。自動制御装置
である制御装置21は、入力手段22、規範モデル2
3、減算器24、調整ゲイン器25、コントローラ26
および加算器27で構成され、制御対象28を制御す
る。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control device 21 according to the first embodiment of this invention. The control device 21, which is an automatic control device, includes an input unit 22 and a reference model 2.
3, subtractor 24, adjustment gain device 25, controller 26
And an adder 27 to control the controlled object 28.

【0043】入力手段22は、制御装置21の操作者に
よって操作されて指令値uを有する信号を出力する。規
範モデル23は、ある指令値uに対する制御対象28の
望ましい観測出力である規範出力を出力する信号処理器
である。たとえば航空機において、入力手段22は操縦
装置であり、指令値uは操縦士の操縦装置への入力であ
り、指令値uはコントローラ出力vと加算されて制御対
象28に入力されるとともに、規範モデル23にも入力
される。規範モデル23から出力される規範出力は、た
とえば航空機において、機体のセンサによって計測され
た姿勢角変化および姿勢角などの指令値に対する望まし
い値である。
The input means 22 is operated by the operator of the control device 21 and outputs a signal having the command value u. The reference model 23 is a signal processor that outputs a reference output that is a desired observation output of the controlled object 28 for a certain command value u. For example, in an aircraft, the input means 22 is a control device, the command value u is an input to the control device of the pilot, the command value u is added to the controller output v and input to the controlled object 28, and the reference model is also used. It is also input to 23. The reference output output from the reference model 23 is a desired value for a command value such as an attitude angle change and an attitude angle measured by a sensor of a body of an aircraft, for example.

【0044】減算器24は、規範モデル23から出力さ
れる規範出力と制御対象28から出力される観測出力と
の差を出力する演算器である。調整ゲイン器25は、望
ましい応答特性の実現の度合いを調整するためのゲイン
で、減算器24から出力される規範出力と観測出力との
差に所定の定数を乗算した追従誤差eを出力する。コン
トローラ26は、本発明の制御則決定方法が適用される
制御器であって、調整ゲイン器25から出力される追従
誤差eに基づいて、制御装置21をロバスト安定化する
とともに、観測出力を規範出力に一致させる指令値であ
るコントローラ出力vを有する修正信号を出力する。加
算器27は、指令値uとコントローラ出力vとを加算し
て制御対象28に出力する演算器である。
The subtractor 24 is an arithmetic unit that outputs the difference between the reference output output from the reference model 23 and the observation output output from the controlled object 28. The adjustment gain device 25 is a gain for adjusting the degree of realization of a desired response characteristic, and outputs the tracking error e obtained by multiplying the difference between the reference output and the observation output output from the subtractor 24 by a predetermined constant. The controller 26 is a controller to which the control law determination method of the present invention is applied, and robustly stabilizes the control device 21 based on the tracking error e output from the adjustment gain device 25, and the observation output is standardized. A correction signal having a controller output v that is a command value to match the output is output. The adder 27 is an arithmetic unit that adds the command value u and the controller output v and outputs the result to the control target 28.

【0045】指令値uおよびコントローラ出力vから追
従誤差eへの閉ループ伝達特性は、制御対象28の伝達
特性をP、規範モデル23の伝達特性をH、調整ゲイン
器25の値をWとおくと、次式35で表される。
As for the closed-loop transfer characteristic from the command value u and the controller output v to the tracking error e, if the transfer characteristic of the controlled object 28 is P, the transfer characteristic of the reference model 23 is H, and the value of the adjustment gain device 25 is W. , Which is expressed by the following equation 35.

【0046】[0046]

【数19】 [Formula 19]

【0047】またコントローラ26の伝達特性をCwと
おくと、次式36が成立する。
When the transfer characteristic of the controller 26 is Cw, the following equation 36 is established.

【数20】 [Equation 20]

【0048】式35、式36の右辺をそれぞれThe right sides of equations 35 and 36 are respectively

【数21】 とおくと、指令値uおよびコントローラ出力vから追従
誤差eへの閉ループ伝達特性は、次式39で表される。
[Equation 21] In other words, the closed-loop transfer characteristic from the command value u and the controller output v to the tracking error e is expressed by the following expression 39.

【0049】[0049]

【数22】 [Equation 22]

【0050】式39で表される伝達特性(I−PwC)
-1Pwを小さくすることは、追従誤差eを小さくするこ
とである。すなわち伝達特性(I−PwC)-1Pwを小
さくすることによって、規範モデル23で表される応答
特性を実現することができる。また式39で表される伝
達特性(I−PwC)-1Pwは、式19の右辺の右上の
要素に含まれるので、式19のロバスト安定余裕bPwC
を最大化することによって、式19の右辺のH∞ノルム
は小さくなるので、式39の伝達特性(I−PwC)-1
Pwを小さくすることができる。すなわち制御対象28
の伝達特性Pと設計するコントローラ26の伝達特性C
wとを用いて、拡大制御対象の伝達特性Pwおよび拡大
コントローラの伝達特性Cを式37、式38のように定
義することによって、LMIループシェイピング法を適
用してロバスト安定性を最適化するとともに、望ましい
応答特性を実現するコントローラ26を求めることがで
きる。
Transfer characteristic (I-PwC) represented by the equation 39
Reducing -1 Pw means reducing the tracking error e. That is, the response characteristic represented by the reference model 23 can be realized by reducing the transfer characteristic (I-PwC) -1 Pw. Further, since the transfer characteristic (I-PwC) -1 Pw represented by the equation 39 is included in the element on the upper right side of the equation 19, the robust stability margin b PwC of the equation 19 is obtained.
Since the H ∞ norm on the right side of Expression 19 is reduced by maximizing, the transfer characteristic (I-PwC) −1 of Expression 39 is reduced.
Pw can be reduced. That is, the controlled object 28
Transfer characteristic P of the controller 26 and the transfer characteristic C of the controller 26 to be designed.
By using w and defining the transfer characteristic Pw of the expansion control target and the transfer characteristic C of the expansion controller as in Expression 37 and Expression 38, the LMI loop shaping method is applied to optimize the robust stability. , A controller 26 that realizes a desired response characteristic can be obtained.

【0051】 図3は、本発明の第2の実施形態の制御
装置31の構成を示すブロック図である。自動制御装置
である制御装置31は、入力手段32、規範モデル3
3、減算器34、調整ゲイン器35およびコントローラ
36で構成され、制御対象37を制御する。入力手段3
2、規範モデル33、減算器34、調整ゲイン器35お
よびコントローラ36は、前述の制御装置21における
入力手段22、規範モデル23、減算器24、調整ゲイ
ン器25およびコントローラ26とそれぞれ同様であ
る。制御装置31において、入力手段32から出力され
る指令値uは、規範モデル33にだけ入力され、制御対
象37には、コントローラ36からのコントローラ出力
vだけが入力される。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the control device 31 according to the second embodiment of the present invention. The control device 31, which is an automatic control device, includes an input unit 32 and a reference model 3.
3, a subtractor 34, an adjustment gain device 35, and a controller 36, and controls a controlled object 37. Input means 3
2, the reference model 33, the subtractor 34, the adjustment gain device 35, and the controller 36 are the same as the input unit 22, the reference model 23, the subtractor 24, the adjustment gain device 25, and the controller 26 in the control device 21 described above, respectively. In the control device 31, the command value u output from the input means 32 is input only to the reference model 33, and only the controller output v from the controller 36 is input to the controlled object 37.

【0052】指令値uおよびコントローラ出力vから追
従誤差eへの閉ループ伝達特性は、制御対象37の伝達
特性をP、規範モデル33の伝達特性をH、調整ゲイン
器35の値をWとおくと、次式40で表される。
As for the closed-loop transfer characteristic from the command value u and the controller output v to the tracking error e, let P be the transfer characteristic of the controlled object 37, H be the transfer characteristic of the reference model 33, and W be the value of the adjustment gain device 35. Is expressed by the following equation 40.

【0053】[0053]

【数23】 コントローラ36の伝達特性をCwとおくと、式36が
成立する。
[Equation 23] If the transfer characteristic of the controller 36 is Cw, the equation 36 holds.

【0054】式40の右辺をThe right side of equation 40

【数24】 とおき、式36の右辺を式38とおくと、制御対象37
の伝達特性Pと設計するコントローラ36の伝達特性C
wとを用いて、拡大制御対象の伝達特性Pwおよび拡大
コントローラの伝達特性Cをそれぞれ式41、式38の
ように定義することによって、LMIループシェイピン
グ法を適用して、ロバスト安定性を最適化するととも
に、望ましい応答特性を実現するコントローラ36を求
めることができる。
[Equation 24] Assuming that the right side of Expression 36 is Expression 38,
Transfer characteristic P of the controller 36 and transfer characteristic C of the designed controller 36
By defining the transfer characteristic Pw of the expansion control target and the transfer characteristic C of the expansion controller by using w and L as shown in Expression 41 and Expression 38, respectively, the LMI loop shaping method is applied to optimize the robust stability. In addition, the controller 36 that realizes the desired response characteristic can be obtained.

【0055】上述の制御装置21,31において、式3
7、式41の拡大制御対象Pwに含まれる調整ゲイン器
25,35の値Wを大きくすると、コントローラ26,
36に入力される追従誤差eが増幅され、このように設
計されたコントローラ26,36は、追従性能を重視し
たコントローラになるが、ロバスト安定性は劣化する。
また調整ゲイン器25,35の値Wを小さくすると、追
従性能は劣化するが、ロバスト安定性を重視したコント
ローラになる。
In the above control devices 21 and 31, equation 3
7, when the value W of the adjustment gain units 25 and 35 included in the expansion control target Pw of Expression 41 is increased, the controller 26,
The tracking error e input to the amplifier 36 is amplified, and the controllers 26 and 36 designed in this way become controllers with an emphasis on tracking performance, but robust stability deteriorates.
Further, if the value W of the adjustment gain units 25 and 35 is made small, the tracking performance is deteriorated, but the controller emphasizes robust stability.

【0056】上述の制御装置21,31において、複数
の制御対象に対して共通制御則を設計する場合は、各制
御対象について拡大制御対象の伝達特性Pwを、式37
または式40で定義して、LMIループシェイピング法
を用いてコントローラを求めることができる。
In the control devices 21 and 31 described above, when a common control law is designed for a plurality of control objects, the transfer characteristic Pw of the expanded control object for each control object is calculated by the equation 37
Alternatively, the controller can be obtained by using the LMI loop shaping method as defined by Equation 40.

【0057】 図4は、本発明の第3の実施形態の飛行
制御装置41の構成を示すブロック図である。自動制御
装置である飛行制御装置41の制御目的は、小形航空機
の高速設計点(高度3048m(10000ft)、音
速に対する飛行速度の比であるマッハM=0.9)およ
び低速設計点(高度6096m(20000ft)、マ
ッハM=0.45)の双方で機体Paを安定化し、かつ
ロール操縦に対するロールレート応答およびヨー操縦に
対する横滑り角応答を規範応答に追従させることであ
る。またロール操縦に対する横滑り角応答およびヨー操
縦に対するロールレート応答は、できるかぎり抑えるも
のとする。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the flight control device 41 of the third embodiment of the present invention. The flight controller 41, which is an automatic controller, controls the high-speed design point (altitude 3048 m (10000 ft), the ratio of flight speed to sound speed Mach M = 0.9) and low-speed design point (altitude 6096 m ( 20,000 ft) and Mach M = 0.45), and stabilize the airframe Pa, and make the roll rate response to roll steering and the side slip angle response to yaw steering follow the reference response. Also, the sideslip angle response to roll steering and the roll rate response to yaw steering shall be suppressed as much as possible.

【0058】飛行制御装置41は、入力手段42、第1
規範モデルHroll、第2規範モデルHyaw 、第1フィル
タLp 、第2フィルタLβ 、ウォッシュアウトフィル
タLr、第1〜第5調整ゲイン器W1 ,W2 ,W3 ,W4
,W5 、ロール軸コントローラCp 、ヨー軸コントロ
ーラCβ 、エルロンサーボコントローラCδa、ヨーレ
ートコントローラCr 、ラダーサーボコントローラC
δr、第1減算器43、第2減算器44、第1加算器4
5および第2加算器46で構成される。入力手段42
は、飛行制御装置41の操作者である操縦士によって操
作されて指令値を有する信号を出力する。
The flight control device 41 includes an input means 42, a first
Reference model H roll , second reference model H yaw , first filter L p , second filter L β , washout filter L r , first to fifth adjustment gain devices W 1 , W 2 , W 3 , W 4
, W 5 , roll axis controller C p , yaw axis controller C β , aileron servo controller C δa , yaw rate controller C r , ladder servo controller C
δr , first subtractor 43, second subtractor 44, first adder 4
5 and the second adder 46. Input means 42
Is operated by a pilot who is an operator of the flight control device 41 and outputs a signal having a command value.

【0059】第1規範モデルHrollは、操縦士によって
入力手段42が操作されて、入力手段42から出力され
るロール操縦up に対する、機体Paの望ましいロール
レート応答であるロールレート規範応答を出力する。第
1規範モデルHrollの伝達特性は、次式42で定義す
る。
[0059] The first reference model H roll, the input unit 42 is operated by the pilot, for the role maneuver u p which is output from the input unit 42, the roll rate nominal response is desirable roll rate response of the airframe Pa Output To do. The transfer characteristic of the first reference model H roll is defined by the following expression 42.

【0060】[0060]

【数25】 ここでsはラプラス演算子を示す。[Equation 25] Here, s represents a Laplace operator.

【0061】第1減算器43は、第1規範モデルHroll
から出力されるロールレート規範応答と、機体Paに取
付けられたセンサから出力されるロールレート信号pの
有する値との差であるロールレート追従誤差ep を算出
して第1フィルタLp に出力する。第1フィルタLp
は、閉ループ系の位相特性を改善する。第1調整ゲイン
器W1 は、第1フィルタLp を通過したロールレート追
従誤差ep に定数W1 を乗算してロール軸コントローラ
p に出力する。
The first subtractor 43 uses the first reference model H roll.
From the roll rate reference response output from the sensor attached to the machine Pa and the roll rate tracking error e p , which is the difference between the values of the roll rate signal p output from the sensor attached to the machine body Pa, and outputs it to the first filter L p . To do. First filter L p
Improves the phase characteristics of the closed loop system. The first adjustment gain device W 1 multiplies the roll rate tracking error e p that has passed through the first filter L p by a constant W 1 and outputs the result to the roll axis controller C p .

【0062】第2規範モデルHyaw は、操縦士によって
入力手段42が操作されて、入力手段42から出力され
るヨー操縦uβ に対する、機体Paの望ましい横滑り
角応答である横滑り角規範応答を出力する。第2規範モ
デルHyaw の伝達特性は、次式43で定義する。
The second reference model H yaw outputs a sideslip angle reference response which is a desired sideslip angle response of the airframe Pa to the yaw operation u β output from the input unit 42 when the pilot operates the input unit 42. To do. The transfer characteristic of the second reference model H yaw is defined by the following expression 43.

【0063】[0063]

【数26】 [Equation 26]

【0064】第2減算器44は、第2規範モデルHyaw
から出力される横滑り角規範応答と、機体Paに取付け
られたセンサから出力される横滑り信号βの有する値と
の差である横滑り角追従誤差eβ を算出して第2フィ
ルタLβ に出力する。第2フィルタLβ は、閉ループ
系の位相特性を改善する。第2調整ゲイン器W2 は、第
2フィルタLβ を通過した横滑り角追従誤差eβ に定
数W2 を乗算してヨー軸コントローラCβ に出力す
る。
The second subtractor 44 uses the second reference model H yaw.
The side slip angle tracking error e β , which is the difference between the side slip angle reference response output from the sensor and the value of the side slip signal β output from the sensor attached to the aircraft Pa, is calculated and output to the second filter L β . . The second filter L β improves the phase characteristic of the closed loop system. The second adjustment gain device W 2 multiplies the sideslip angle tracking error e β passed through the second filter L β by a constant W 2 and outputs the result to the yaw axis controller C β .

【0065】ウォッシュアウトフィルタLr は、機体P
aに取付けられたセンサから出力されるヨーレート信号
rの定常成分を除去する。第3調整ゲイン器W3 は、ウ
ォッシュアウトフィルタLr を通過した機体Paに取付
けられたセンサから出力されるヨーレート信号rに、定
数W3 を乗算してヨーレートコントローラCr に出力す
る。
The washout filter L r is the airframe P
The stationary component of the yaw rate signal r output from the sensor attached to a is removed. The third adjustment gain device W 3 multiplies the yaw rate signal r output from the sensor attached to the machine body Pa that has passed through the washout filter L r by a constant W 3 and outputs the result to the yaw rate controller C r .

【0066】第4調整ゲイン器W4 は、機体Paに取付
けられたセンサから出力されるエルロン舵面の変位を検
知した信号δa に、定数W4 を乗算してエルロンサーボ
コントローラCδaに出力する。第5調整ゲイン器W5
は、機体Paに取付けられたセンサから出力されるラダ
ー舵面の変位を検知した信号δr に、定数W5 を乗算し
てラダーサーボコントローラCδrに出力する。
The fourth adjusting gain unit W 4 multiplies a signal δ a , which is detected from the displacement of the aileron control surface, which is output from a sensor attached to the airframe Pa, by a constant W 4 and outputs it to the aileron servo controller C δa . To do. Fifth adjusting gain device W 5
Outputs a signal δ r , which is detected from the displacement of the rudder control surface output from a sensor attached to the machine body Pa, by a constant W 5 and outputs the signal to the ladder servo controller C δr .

【0067】第1加算器45は、ロール軸コントローラ
p からの出力と、エルロンサーボコントローラCδa
からの出力とを加算したエルロン作動指令値δacを機体
Paに出力する。第2加算器46は、ヨー軸コントロー
ラCβ からの出力と、ヨーレートコントローラCr
らの出力と、ラダーサーボコントローラCδrからの出
力とを加算したラダー作動指令値δrcを機体Paに出力
する。エルロン作動指令値δacは、エルロン舵面を作動
させるアクチュエータに対する作動指令値であり、ラダ
ー作動指令値δrcは、ラダー舵面を作動させるアクチュ
エータに対する作動指令値である。
The first adder 45 outputs the output from the roll axis controller C p and the aileron servo controller C δa.
And outputs the aileron operation command value δ ac to the machine body Pa. The second adder 46 outputs the ladder operation command value δ rc, which is the sum of the output from the yaw axis controller C β , the output from the yaw rate controller C r, and the output from the ladder servo controller C δr, to the machine body Pa. The aileron operation command value δ ac is an operation command value for an actuator that operates the aileron control surface, and the ladder operation command value δ rc is an operation command value for an actuator that operates the ladder control surface.

【0068】機体Paは、各作動指令値δac,δrcに基
づいて作動した各舵面の動きに応じて運動し、機体Pa
に取付けられたセンサは、その運動を検知する。
The machine body Pa moves according to the movement of each control surface operated based on the respective operation command values δ ac and δ rc , and the machine body Pa
A sensor attached to the sensor detects the movement.

【0069】位相特性を改善する第1フィルタLp 、第
2フィルタLβ およびウォッシュアウトフィルタLr
は、次の式44〜式46のように定める。
A first filter L p , a second filter L β and a washout filter L r for improving the phase characteristic.
Is determined as in the following expressions 44 to 46.

【0070】[0070]

【数27】 [Equation 27]

【0071】飛行制御装置41における拡大制御対象P
wおよび拡大コントローラCは、それぞれ次の式47、
式48のようになる。
Enlargement control target P in the flight control device 41
w and the magnifying controller C have the following formula 47,
Expression 48 is obtained.

【0072】[0072]

【数28】 [Equation 28]

【0073】式47において、右辺の下側に示される
W,H,Pは、式41の左辺のW,H,Pに対応してい
る。また式47の右辺のP1 は、機体Paの運動特性の
うちロールレートと横滑り角とに関する要素であり、P
2 は、機体Paの運動特性のうちヨーレートと各アクチ
ュエータの応答に関する要素である。
In Expression 47, W, H, P shown on the lower side of the right side correspond to W, H, P on the left side of Expression 41. Further, P 1 on the right side of Expression 47 is an element related to the roll rate and the sideslip angle in the motion characteristics of the machine body Pa, and P 1
2 is an element regarding the yaw rate and the response of each actuator among the motion characteristics of the airframe Pa.

【0074】式47の定式化を機体Paの高速設計点お
よび低速設計点の双方に対して施した後に、LMIルー
プシェイピング法に沿って高速設計点および低速設計点
の共通のコントローラCp ,Cβ ,Cr ,Cδa,C
δrを計算すると、次の式49〜式53のように求めら
れる。
After the formulation of Equation 47 is applied to both the high speed design point and the low speed design point of the machine body Pa, the common controllers C p and C for the high speed design point and the low speed design point are applied according to the LMI loop shaping method. β , C r , C δa , C
When δr is calculated, it can be obtained by the following equations 49 to 53.

【0075】[0075]

【数29】 ここでjは虚数単位を表す。[Equation 29] Here, j represents an imaginary unit.

【0076】図5は、従来のロバスト設計方法が適用さ
れるコントローラを含む小形航空機の飛行制御装置51
の構成を示すブロック図である。従来の方法による制御
則の計算結果は、計測自動制御学会論文集第30巻第7
号767頁〜775頁に記載される次の式54〜式67
である。この従来のロバスト設計方法では、高速設計点
での機体Paを制御対象としてコントローラを設計し、
低速設計点はコントローラのロバスト安定性でカバーし
ている。
FIG. 5 shows a flight control device 51 for a small aircraft including a controller to which the conventional robust design method is applied.
3 is a block diagram showing the configuration of FIG. The calculation result of the control law by the conventional method is as follows:
Nos. 767-775, the following formulas 54-67.
Is. In this conventional robust design method, a controller is designed with the airframe Pa at a high-speed design point as a control target,
The low speed design point is covered by the robust stability of the controller.

【0077】[0077]

【数30】 [Equation 30]

【0078】[0078]

【数31】 [Equation 31]

【0079】[0079]

【数32】 [Equation 32]

【0080】このような従来のロバスト設計方法では、
図5に示されるように飛行制御装置51に明確な構成を
持たせることが難しく、また式54〜式67に示される
コントローラの伝達特性は、式49〜式53に示される
本発明を用いたコントローラに比べて高次で複雑であ
る。コントローラの伝達特性が高次で複雑であると、航
空機に搭載されるコントローラの制御則を計算するため
の飛行制御計算機に高い計算能力が必要になるだけでな
く、調整すべきパラメータが多数存在することになり、
パラメータの微調整による制御則のチューニングは困難
になる。本発明を用いた飛行制御装置41は、従来の飛
行制御装置51に比べて、構成が明確、かつパラメータ
の数が少ないので、計算能力の低い飛行制御用計算機を
用いても計算が可能であるとともに、パラメータの微調
整によるチューニングが容易である。
In such a conventional robust design method,
As shown in FIG. 5, it is difficult to provide the flight control device 51 with a clear configuration, and the transfer characteristics of the controller shown in the equations 54 to 67 are obtained by using the invention shown in the equations 49 to 53. It is higher and more complicated than the controller. When the transfer characteristics of the controller are high-order and complicated, not only the flight control computer for calculating the control law of the controller mounted on the aircraft needs high computing power, but also there are many parameters to be adjusted. And then
Tuning the control law by finely adjusting the parameters becomes difficult. Since the flight control device 41 using the present invention has a clear configuration and a smaller number of parameters than the conventional flight control device 51, it is possible to perform calculation even by using a flight control computer having low calculation capability. At the same time, tuning by fine adjustment of parameters is easy.

【0081】図6は、本発明を用いて設計した飛行制御
装置41において、操縦士によって入力されるロール操
縦up およびヨー操縦uβ をステップ入力としたとき
の応答のシミュレーション結果を示すグラフである。図
7は、従来のロバスト設計方法で設計した飛行制御装置
51において、ロール操縦up およびヨー操縦uβをス
テップ入力としたときの応答のシミュレーション結果を
示すグラフである。本発明を用いて設計した飛行制御装
置41および従来のロバスト設計方法で設計した飛行制
御装置51は、希望応答特性に追従しており、本発明を
用いて設計した制御則は性能的に遜色がないことがわか
る。
FIG. 6 is a graph showing the simulation result of the response when the roll control u p and the yaw control u β input by the pilot are step inputs in the flight control device 41 designed using the present invention. is there. FIG. 7 is a graph showing a response simulation result when the roll control u p and the yaw control u β are step inputs in the flight control device 51 designed by the conventional robust design method. The flight control device 41 designed by using the present invention and the flight control device 51 designed by the conventional robust design method follow desired response characteristics, and the control law designed by using the present invention is comparable in performance. I know that there is no.

【0082】[0082]

【発明の効果】請求項1記載の本発明によれば、ロバス
ト安定性の向上と希望応答特性とを同時に実現すること
ができるとともに、制御器Cwの制御則をパラメータの
少ない簡単な構成で、制御対象を制御することができ
る。制御器Cwの制御則をパラメータの少ない簡単な構
成にすることによって、制御対象Pを制御するときの計
算量を低減することができるので、計算能力の低い計算
機を用いることができるとともに、パラメータの微調整
による制御則のチューニングを容易に行うことができ、
設計の試行錯誤の回数を減らすことができる。
According to the present invention as set forth in claim 1, it is possible to simultaneously improve the robust stability and the desired response characteristic, and the control law of the controller Cw has a simple configuration with a small number of parameters. The controlled object can be controlled. By making the control law of the controller Cw a simple configuration with a small number of parameters, the amount of calculation when controlling the controlled object P can be reduced, so that it is possible to use a computer with low calculation ability and You can easily tune the control law by fine adjustment,
The number of design trials and errors can be reduced.

【0083】 請求項2記載の本発明によれば、ロバス
ト安定性の向上と希望応答特性とを同時に実現すること
ができるとともに、共通制御器Cwの制御則をパラメー
タの少ない簡単な構成で、制御対象の制御をすることが
できる。共通制御器Cwの制御則をパラメータの少ない
簡単な構成にすることによって、制御対象Pを制御する
ときの計算量を低減することができるので、計算能力の
低い計算機を用いることができるとともに、パラメータ
の微調整による制御則のチューニングを容易に行うこと
ができ、設計の試行錯誤の回数を減らすことができる。
According to the second aspect of the present invention, it is possible to simultaneously improve the robust stability and the desired response characteristic, and control the control law of the common controller Cw with a simple configuration having a small number of parameters. You can control the target. Since the control law of the common controller Cw has a simple configuration with a small number of parameters, the amount of calculation when controlling the controlled object P can be reduced, so that a computer with low calculation capability can be used and the parameters can be reduced. It is possible to easily tune the control law by finely adjusting, and reduce the number of trial and error of design.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】LMIループシェイピング法による制御則Cの
パラメータの決定手順を示すフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart showing a procedure for determining parameters of a control law C by an LMI loop shaping method.

【図2】本発明の第1の実施形態の制御装置21の構成
を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control device 21 according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施形態の制御装置31の構成
を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a control device 31 according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3の実施形態の飛行制御装置41の
構成を示すブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a flight control device 41 according to a third embodiment of the present invention.

【図5】従来のロバスト設計方法が適用されるコントロ
ーラを含む小形航空機の飛行制御装置51の構成を示す
ブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a small aircraft flight control device 51 including a controller to which a conventional robust design method is applied.

【図6】本発明を用いて設計した飛行制御装置41にお
いて、ロール操縦up およびヨー操縦uβ をステップ
入力としたときの応答のシミュレーション結果を示すグ
ラフである。
FIG. 6 is a graph showing a simulation result of a response when the roll steering u p and the yaw steering u β are step inputs in the flight control device 41 designed using the present invention.

【図7】従来のロバスト設計方法で設計した飛行制御装
置51において、ロール操縦u p およびヨー操縦uβ
をステップ入力としたときの応答のシミュレーション結
果を示すグラフである。
FIG. 7: Flight control device designed by the conventional robust design method
At position 51, roll control u p And yaw maneuver uβ 
Simulation result of response when step input is
It is a graph which shows a result.

【図8】従来の技術であるロバスト安定性と希望応答特
性とを同時に実現する制御装置1の構成を示すブロック
図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a control device 1 that simultaneously realizes robust stability and desired response characteristics, which is a conventional technique.

【図9】特開平5−147589号公報に開示されるロ
バスト飛行制御装置11の構成を示すブロック図であ
る。
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a robust flight control device 11 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-147589.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21,31 制御装置 23,33 規範モデル 24,34 減算器 26,36 コントローラ 28,37 制御対象 41 飛行制御装置 43,44 減算器 Hroll,Hyaw 規範モデル Cp ,Cβ ,Cr ,Cδa,Cδr コントローラ Pa 機体21, 31 Control device 23, 33 Reference model 24, 34 Subtractor 26, 36 Controller 28, 37 Control object 41 Flight control device 43, 44 Subtractor H roll , H yaw reference model C p , C β , C r , C δa , C δr Controller Pa Airframe

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 13/04 B64C 13/16 B64D 31/00 G05B 13/02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G05B 13/04 B64C 13/16 B64D 31/00 G05B 13/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ロバスト安定性と希望応答特性とを同時
に実現する制御器を有する自動制御装置であって、 前記制御器は、制御対象Pの指令値に対する希望応答特
性が規定される規範モデルから出力される規範応答と、
制御対象Pから実際に出力される応答との差に基づく追
従誤差を小さくするように制御対象Pを制御する制御器
Cwであり、 ロバスト安定余裕を導出するために、制御対象Pに基づ
く動的システムM〜,N〜を用いて拡大制御対象Pw
を、 と定式化するとともに、制御器Cwに基づく動的システ
ムM,Nを用いて拡大制御器Cを、 C=N −1 と定式化して、拡大制御対象Pwに対してロバスト安定
余裕が最大となる拡大制御器Cのパラメータを決定して
制御器Cwの制御則が決定され、 少なくとも指令値および制御対象Pからの応答に基づく
制御器Cwからの制御出力によって制御対象Pを制御す
ることを特徴とする自動制御装置。
1. An automatic control device having a controller that simultaneously realizes robust stability and a desired response characteristic, wherein the controller is based on a reference model in which a desired response characteristic with respect to a command value of a controlled object P is defined. The normative response that is output,
A controller Cw that controls the controlled object P so as to reduce the tracking error based on the difference from the response actually output from the controlled object P. In order to derive the robust stability margin, Expanded control target Pw using the systems M to N
To And the extended controller C is formulated as C = N C M C −1 using the dynamic systems M C and N C based on the controller Cw, and is robustly stable with respect to the extended control target Pw. The parameter of the expanded controller C that maximizes the margin is determined to determine the control law of the controller Cw, and the controlled object P is controlled by at least the control output from the controller Cw based on the command value and the response from the controlled object P. An automatic control device characterized by:
【請求項2】 ロバスト安定性と希望応答特性とを同時
に実現する制御器を有する自動制御装置であって、 前記制御器の制御則を求める方法において、前記制御器
は、複数の特性を有する制御対象Pの指令値に対する希
望応答特性が規定される規範モデルから出力される規範
応答と、制御対象Pから実際に出力される応答との差に
基づく追従誤差を小さくするように制御対象Pを制御す
る共通制御器Cwとし、 ロバスト安定余裕を導出するために、制御対象Pに基づ
く動的システムM〜,N〜を用いて複数の拡大制御対象
Pwを、 と定式化するとともに、共通制御器Cwに基づく動的シ
ステムM,Nを用いて拡大共通制御器Cを、 C=N −1 と定式化して、拡大制御対象Pwに対してロバスト安定
余裕が最大となる拡大共通制御器Cのパラメータを決定
して共通制御器Cwの制御則が決定され、 少なくとも指令値および制御対象Pからの応答に基づく
制御器Cwからの制御出力によって制御対象Pを制御す
ることを特徴とする自動制御装置。
2. An automatic control device having a controller that simultaneously realizes robust stability and a desired response characteristic, wherein in the method for obtaining a control law of the controller, the controller has a plurality of characteristics. The controlled object P is controlled so as to reduce the tracking error based on the difference between the normative response output from the normative model in which the desired response characteristic for the command value of the object P is defined and the response actually output from the controlled object P. In order to derive the robust stability margin, a plurality of extended control targets Pw are generated by using the dynamic systems M ~, N ~ based on the control target P. And the extended common controller C is formulated as C = N C M C −1 by using the dynamic systems M C and N C based on the common controller Cw, and the extended control target Pw is obtained. The parameter of the expanded common controller C that maximizes the robust stability margin is determined to determine the control law of the common controller Cw, and the control is performed by the control output from the controller Cw based on at least the command value and the response from the control target P. An automatic control device for controlling an object P.
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