JP3675585B2

JP3675585B2 - Hydraulic actuator control system

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Publication number: JP3675585B2
Application number: JP24638696A
Authority: JP
Inventors: 浩介佐藤; 毅三上
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: JPH1089303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば航空機の舵面を操作する舵面アクチュエータ等の油圧アクチュエータの制御システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図１０に示すような最適レギュレータを用いた制御手法が知られている。これについては、例えば、次の参考文献に説明がなされている。
【０００３】
＊参考文献１：小郷寛、美多勉「システム制御理論入門」実教出版１１４〜１２１頁、１５６〜１６２頁
図１０において、ｘは制御対象の状態変数、ｕは制御入力、ＡとＢは制御対象を表す定数行列である。また、Ｆはフィードバックゲイン行列で、閉ループ系の特性を改善する定数行列である。
【０００４】
このフィードバックゲイン行列Ｆが次式（１）で表される評価関数
【０００５】
【数５】

【０００６】
を最小化するように設定されるとき、図１０のシステムは最適レギュレータとなる。ただし、式（１）において、ＱとＲは重み行列である。なお、このような評価関数を最小化するフィードバックゲイン行列Ｆは、いわゆる最適制御理論によって求められる。
【０００７】
次に、図１０の最適レギュレータを、図９に示すような航空機の舵面操作システムに適用することを考える。このような舵面操作システムでは、低い舵面剛性という条件下で高応答化が要求される。
【０００８】
まず、図９の舵面操作システムについて説明すれば、ｘ₁は舵面等価質量４ａと舵面等価弾性４ｂとの組み合わせで表現される舵面４の変位、ｘ_pは舵面４を操作する油圧シリンダ３のシリンダストローク（ロッド３ａの伸縮ストーク）である。
【０００９】
機体５に固定された油圧シリンダ３は、摺動自在なピストン３ａにより画成された第１、第２のシリンダ室３１、３２を備えている。これら第１、第２のシリンダ室３１、３２には、油圧源１からの作動油が、この作動油の流れを調整するスプール２ａを備えたサーボ弁２を介して供給され、シリンダ室３１、３２の圧力ｐ_b1、ｐ_b2の差圧（油圧シリンダ差圧）ｐ_b＝ｐ_b1−ｐ_b2によってピストンが駆動され、ロッド３ｂが伸縮するようになっている。
【００１０】
一方、コントローラ６は、シリンダストロークｘ_pの目標値ｒが入力されるとともに、シリンダストローク検出器９からのシリンダストロークｘ_pの検出値と、スプール変位検出器１０からのサーボ弁スプール変位ｘ_sの検出値が入力され、これらに基づいて、モータ駆動回路７に制御入力（例えば制御電圧）ｖ_rを入力する。
【００１１】
制御入力ｖ_rを受けたモータ駆動回路７は、スプール駆動モータ８にモータ入力（例えば駆動電流）ｉを出力する。スプール駆動モータ８はこのモータ入力ｉにしたがって、サーボ弁２のスプール２ａを駆動し、スプール２ａはスプール変位ｘ_sをとる。なお、ｖ_iはモータ駆動回路７の状態を特徴づける量である。
【００１２】
さて、このような図９の舵面操作システムに、図１０の最適レギュレータを適用する場合には、状態変数ｘ、制御入力ｕ、偏差ｅを、それぞれ、
ｘ＝［ｘ_l ｘ_p ｘ_s （ｄｘ_l／ｄｔ）（ｄｘ_p／ｄｔ）（ｄｘ_s／ｄｔ）ｐ_b ｉｖ_i］^T …（２）
ｕ＝ｖ_r …（３）
ｅ＝ｒ−ｘ_p …（４）
とすればよい。
【００１３】
さらに、この場合、制御系を目標値に追従するサーボ系とするためには１形レギュレータとする必要があり、また、考えられ得る状態変数のすべてが観測される訳ではないことからオブザーバを併用するという理由から、制御系の構成を図１１に示す拡大標準系に修正する必要がある。
【００１４】
この図１１において、Ｐ（ｓ）は、制御対象を表す伝達関数行列であり、図１０のＡ、Ｂに相当する。また、Ｋ（ｓ）は、図１０のＦとオブザーバを含む伝達関数行列であり、図９のコントローラ６に補償器として実装されるものである。また、ｅ′は制御系を１形レギュレータとしたために生成される偏差ｅの積分信号である。
【００１５】
さらに、この場合の評価式は、次式（５）となる。
【００１６】
【数６】

【００１７】
このように、偏差に相当するｅ′と制御入力ｖ_rとからなる評価式（５）を最小化する補償器Ｋ（ｓ）を求めることにより、制御入力ｖ_rが抑制されるとともに、シリンダストロークｘ_pが目標値ｒに追従するサーボ系が実現できる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示す拡大標準系に基づく制御系設計は、前述のように、制御入力ｖ_rとシリンダストロークｘ_pからなる評価式（５）を最小化する補償器Ｋ（ｓ）を求めるものであるので、評価式（５）に含まれず、最小化の対象となっていないサーボ弁スプール変位ｘ_sと油圧シリンダ差圧ｐ_bの挙動を抑制できず、アクチュエータの高応答化を図れないという問題点があった。
【００１９】
具体的には、図１１に示す拡大標準系では、シリンダストロークｘ_pは図１２に示すように、また、制御入力ｖ_rは図１３に示すように、それぞれ挙動が抑制され、短時間で一定値に収束する。
【００２０】
これに対して、油圧シリンダ３の油圧シリンダ差圧ｐ_bは図１４に示すように、また、サーボ弁２のスプール変位ｘ_sは図１５に示すように、それぞれ挙動が安定せず、このままで舵面アクチュエータの高応答化を図ろうとすると、制御系は不安定なものとなってしまう。
【００２１】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、例えばサーボ弁のスプール変位と油圧シリンダ差圧のように、制御システムの所定の状態変数の挙動を抑制するとともに、油圧アクチュエータの高応答化を図り得る油圧アクチュエータの制御システムを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、一対のシリンダ室を備えるとともにこれらのシリンダ室間の差圧により伸縮作動する油圧シリンダと、この油圧シリンダへの油圧の供給を制御するサーボ弁と、このサーボ弁のスプールを駆動する駆動手段と、前記油圧シリンダのシリンダストロークを検出する検出手段と、シリンダストロークの目標値とこの検出手段からのシリンダストロークの検出値とが入力されるとともに、この目標値と検出値との偏差に基づいて前記駆動手段へ制御入力を出力して駆動手段を最適制御理論に基づいて制御する制御手段とを備えた油圧アクチュエータの制御システムにおいて、前記油圧シリンダのシリンダストロークと目標値との偏差と制御対象特性を用いて前記制御入力から演算される少なくとも一つの状態変数の推定値とからなる評価関数を最小化するように決定された補償器を備えた。
【００２３】
第２の発明は、前記評価関数が、
【００２４】
【数７】

【００２５】
（ただし、ｅ′は前記シリンダストロークの検出値と目標値との偏差の積分信号、ｐ_b′は前記制御入力から前記シリンダ室間の差圧までの制御対象特性を用いて制御入力から演算されたシリンダ室間の推定差圧とする。）
である。
【００２６】
第３の発明は、前記評価関数が、
【００２７】
【数８】

【００２８】
（ただし、ｅ′は前記シリンダストロークの検出値と目標値との偏差の積分信号、ｘ_s′は前記制御入力から前記サーボ弁のスプール変位までの制御対象特性を用いて制御入力から演算されたサーボ弁の推定スプール変位とする。）
である。
【００２９】
第４の発明は、前記評価関数が、
【００３０】
【数９】

【００３１】
（ただし、ｅ′は前記シリンダストロークの検出値と目標値との偏差の積分信号、ｐ_b′およびｘ_s′は、それぞれ、前記制御入力から前記シリンダ室間の差圧および前記サーボ弁のスプール変位までの制御対象特性を用いて制御入力から演算されたシリンダ室間の推定差圧およびサーボ弁の推定スプール変位とする。）
である。
【００３２】
第５の発明は、前記油圧アクチュエータが航空機の舵面を操作するものであるとともに、前記評価関数が、
【００３３】
【数１０】

【００３４】
（ただし、ｅ′は前記シリンダストロークの検出値と目標値との偏差の積分信号、ｐ_b′、ｘ_s′、（ｄｘ_l／ｄｔ）′は、それぞれ、前記制御入力から前記シリンダ室間の差圧、前記サーボ弁のスプール変位および前記舵面の舵面速度までの制御対象特性を用いて制御入力から演算されたシリンダ室間の推定差圧、サーボ弁の推定スプール変位および推定舵面速度とする。）
である。
【００３５】
【作用】
第１の発明では、検出手段により油圧シリンダのシリンダストロークが検出され、この検出値が所定の目標値と一致するように制御手段が駆動手段へと制御入力を出力することでサーボ弁のスプール変位が制御される結果、油圧シリンダのシリンダストロークがフィードバック制御されるが、制御システムは、抑制すべき所定の状態変数を取り込んだ評価関数を最小化するように求められた補償器を備えているので、この評価関数に取り込んだ状態変数の挙動を抑制して、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００３６】
第２の発明では、評価関数には油圧シリンダのシリンダ室間の差圧の演算値が取り込まれるので、シリンダストロークのフィードバック制御において、シリンダ室間の差圧の挙動を抑制でき、また、このようにシリンダ室間の差圧の挙動を抑制することで、このシリンダ室間の差圧の時間微分に直達項のみで関係を持つサーボ弁のスプール変位の挙動も抑制される。これにより、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制して、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００３７】
第３の発明では、評価関数には、サーボ弁のスプール変位の演算値が取り込まれるので、シリンダストロークのフィードバック制御において、サーボ弁のスプール変位の挙動を抑制でき、また、このようにサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制することで、このサーボ弁のスプール変位にメカニカルに直接の相関関係を持つ油圧シリンダのシリンダ室間の差圧の挙動も抑制される。これにより、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制して、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００３８】
第４の発明では、評価関数には、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の演算値が取り込まれるので、シリンダストロークのフィードバック制御において、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制でき、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００３９】
第５の発明では、油圧シリンダは航空機の舵面を操作する舵面アクチュエータとして使用されるが、評価関数には、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧、サーボ弁のスプール変位および舵面速度の演算値が取り込まれるので、これら油圧シリンダのシリンダ室間の差圧、サーボ弁のスプール変位および舵面速度の挙動を抑制することができ、航空機舵面のように低い剛性を持つ対象を操作する場合でも、制御システムの安定性を保ちつつ、舵面アクチュエータの高応答化が達成できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
図１は、本発明の実施の形態を示す構成図であり、最適レギュレータを図９に示す舵面操作システムに適用するために修正された拡大標準系である。
【００４２】
この図１の拡大標準系において、Ｐ（ｓ）は制御対象を表す伝達関数行列である。また、Ｋ（ｓ）はＦとオブザーバを含む伝達関数行列であり、コントローラ６に補償器として実装されるものである。また、ｅ′は、油圧シリンダ３のシリンダストロークｘ_pと目標値ｒとの偏差ｅの積分信号である。
【００４３】
また、Ｐ_b（ｓ）は制御入力ｖ_rから油圧シリンダ差圧ｐ_bまでの制御対象特性であり、ｐ_b′は制御入力ｖ_rから制御対象特性Ｐ_b（ｓ）を用いて演算される油圧シリンダ差圧（以下、「推定油圧シリンダ差圧」と言う）である。
【００４４】
この場合の評価式は、次式（６）
【００４５】
【数１１】

【００４６】
となる。このように、評価式（６）は、制御入力ｖ_rの代わりに、この推定油圧シリンダ差圧ｐ_b′を含むものとされ、油圧シリンダ差圧ｐ_bの挙動の抑制が図られている。
【００４７】
つぎに作用を説明する。
【００４８】
本発明は、図９に示すような舵面操作システムに適用され、このシステムのコントローラ６は、ストローク検出器９から入力される油圧シリンダ３のシリンダストロークｘ_pの検出値が目標値ｒと一致するように、モータ駆動回路７、スプール駆動モータ８、サーボ弁２を介して、油圧シリンダ３をフィードバック制御する。
【００４９】
これにより、図２に示すように、シリンダストロークｘ_pの挙動は抑制され、目標値に収束して行く。また、図３に示すように、コントローラ６から出力される制御入力ｖ_rの挙動も抑制される。
【００５０】
さらに本発明では、コントローラ６に実装される補償器Ｋ（ｓ）は、偏差に相当するｅ′（シリンダストロークｘ_pと目標値ｒとの偏差ｅの積分値）と推定油圧シリンダ差圧ｐ_b′とからなる評価式（６）を最小化するように求められたものであるので、図４に示すように、油圧シリンダ差圧ｐ_bの挙動を抑制することができる。
【００５１】
また、このように油圧シリンダ差圧ｐ_bの挙動が抑制されれば、この油圧シリンダ差圧ｐ_bの時間微分（ｄｐ_b／ｄｔ）に直達項のみで関係を持つサーボ弁スプール変位ｘ_sの挙動も、図５に示すように、同時に抑制されることになる。
【００５２】
このように本発明では、図２、図３にそれぞれ示されるように、制御入力ｖ_rとシリンダストロークｘ_pの挙動が抑制できるとともに、図４、図５にそれぞれ示されるように、サーボ弁スプール変位ｘ_sと油圧シリンダ差圧ｐ_bの挙動をも抑制することができ、油圧シリンダ３（舵面アクチュエータ）の高応答化を図ることが可能となる。
【００５３】
図６は、本発明の他の実施の形態の拡大標準系を示す構成図である。
【００５４】
この実施の形態では、図１の制御対象特性Ｐ_b（ｓ）を、制御入力ｖ_rからサーボ弁スプール変位ｘ_sまでの制御対象特性Ｐ_s（ｓ）に変更している。ここで、ｘ_s′は制御入力ｖ_rから制御対象特性Ｐ_s（ｓ）を用いて演算されるサーボ弁スプール変位（以下、「推定サーボ弁スプール変位」と言う）である。
【００５５】
また、この場合の評価式は、次式（７）となる。
【００５６】
【数１２】

【００５７】
このように、この実施の形態では、シリンダストロークの偏差の積分値ｅ′と推定スプール変位ｘ_s′からなる評価式（７）を最小化するように補償器Ｋ（ｓ）を求めるので、サーボ弁のスプール変位ｘ_sの挙動の抑制が可能となる。また、この場合、このスプール変位ｘ_sにより決定される油圧シリンダ差圧ｐ_bの挙動も抑制されることとなり、結局、油圧シリンダ３の高応答化が可能となる。
【００５８】
図７は、本発明のさらに他の実施の形態の拡大標準系を示す構成図である。
【００５９】
この実施の形態では、図１の制御対象特性Ｐ_b（ｓ）を、制御入力ｖ_rから油圧シリンダ差圧ｐ_bおよびサーボ弁スプール変位ｘ_sまでの制御対象特性Ｐ_ps（ｓ）に変更している。
【００６０】
また、この場合の評価式は、次式（８）
【００６１】
【数１３】

【００６２】
となり、これには、制御対象特性Ｐ_ps（ｓ）を用いて制御入力ｖ_rから演算される推定油圧シリンダ差圧ｐ_b′とサーボ弁スプール変位ｘ_s′が、制御入力ｖ_rの代わりに取り込まれている。
【００６３】
したがって、この実施の形態では、油圧シリンダ３のシリンダストロークｘ_pとともに、油圧シリンダ差圧ｐ_bおよびサーボ弁スプール変位ｘ_sの挙動が抑制され、油圧シリンダ３の高応答化が可能となる。
【００６４】
図８は、本発明のさらに他の実施の形態の拡大標準系を示す構成図である。
【００６５】
この実施の形態では、図１の制御対象特性Ｐ_b（ｓ）を、制御入力ｖ_rから油圧シリンダ差圧ｐ_b、サーボ弁スプール変位ｘ_sおよび舵面速度（ｄｘ_l／ｄｔ）までの制御対象特性Ｐ_psl（ｓ）に変更している。
【００６６】
また、この場合の評価式は、次式（９）
【００６７】
【数１４】

【００６８】
となり、これには、制御対象特性Ｐ_psl（ｓ）を用いて制御入力ｖ_rから演算される推定油圧シリンダ差圧ｐ_b′、推定サーボ弁スプール変位ｘ_s′および推定舵面速度（ｄｘ_l／ｄｔ）′が、制御入力ｖ_rの代わりに取り込まれている。
【００６９】
したがって、この実施の形態では、油圧シリンダ３のシリンダストロークｘ_pとともに、油圧シリンダ差圧ｐ_b、サーボ弁スプール変位ｘ_sおよび舵面速度（ｄｘ_l／ｄｔ）の挙動が抑制され、油圧シリンダ３の高応答化が可能となる。
【００７０】
以上のように、本発明において評価式に取り込まれて抑制される状態変数の種類および個数は特に制限されるものではなく、抑制したい任意の種類の状態変数が任意の個数で組合わされて評価式内に取り込まれるように、制御系の設計を行うようにすればよい。
【００７１】
【発明の効果】
第１の発明によれば、検出手段により油圧シリンダのシリンダストロークが検出され、この検出値が所定の目標値と一致するように制御手段が駆動手段へと制御入力を出力することでサーボ弁のスプール変位が制御される結果、油圧シリンダのシリンダストロークがフィードバック制御されるが、制御システムは、抑制すべき所定の状態変数を取り込んだ評価関数を最小化するように求められた補償器を備えているので、この評価関数に取り込んだ状態変数の挙動を抑制して、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００７２】
第２の発明によれば、評価関数には油圧シリンダのシリンダ室間の差圧の演算値が取り込まれるので、シリンダストロークのフィードバック制御において、シリンダ室間の差圧の挙動を抑制でき、また、このようにシリンダ室間の差圧の挙動を抑制することで、このシリンダ室間の差圧にメカニカルに直接の相関関係を持つサーボ弁のスプール変位の挙動も抑制される。これにより、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制して、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００７３】
第３の発明によれば、評価関数には、サーボ弁のスプール変位の演算値が取り込まれるので、シリンダストロークのフィードバック制御において、サーボ弁のスプール変位の挙動を抑制でき、また、このようにサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制することで、このサーボ弁のスプール変位にメカニカルに直接の相関関係を持つ油圧シリンダのシリンダ室間の差圧の挙動も抑制される。これにより、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制して、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００７４】
第４の発明によれば、評価関数には、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の演算値が取り込まれるので、シリンダストロークのフィードバック制御において、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧およびサーボ弁のスプール変位の挙動を抑制でき、制御システムの安定性を保ちつつ、油圧シリンダの高応答化を達成できる。
【００７５】
第５の発明によれば、油圧シリンダは航空機の舵面を操作する舵面アクチュエータとして使用されるが、評価関数には、油圧シリンダのシリンダ室間の差圧、サーボ弁のスプール変位および舵面速度の演算値が取り込まれるので、これら油圧シリンダのシリンダ室間の差圧、サーボ弁のスプール変位および舵面速度の挙動を抑制することができ、航空機舵面のように低い剛性を持つ対象を操作する場合でも、制御システムの安定性を保ちつつ、舵面アクチュエータの高応答化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】同じく油圧シリンダのシリンダストロークの時間変化を示す特性図である。
【図３】同じくコントローラからモータ駆動回路へ入力される制御入力の時間変化を示す特性図である。
【図４】同じく油圧シリンダのシリンダ室間の差圧の時間変化を示す特性図である。
【図５】同じくサーボ弁のスプール変位の時間変化を示す特性図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す構成図である。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図９】舵面操作システムを示す構成図である。
【図１０】最適レギュレータを示す構成図である。
【図１１】従来例の拡大標準系を示す構成図である。
【図１２】従来例の油圧シリンダのシリンダストロークの時間変化を示す特性図である。
【図１３】同じくコントローラからモータ駆動回路へ入力される制御入力の時間変化を示す特性図である。
【図１４】同じく油圧シリンダのシリンダ室間の差圧の時間変化を示す特性図である。
【図１５】同じくサーボ弁のスプール変位の時間変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１油圧源
２サーボ弁
２ａスプール
３油圧シリンダ
４舵面
５機体
６コントローラ
７モータ駆動回路
８スプール駆動モータ
９ストローク検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a control system for a hydraulic actuator such as a control surface actuator that operates a control surface of an aircraft, for example.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a control method using an optimum regulator as shown in FIG. 10 is known. This is described, for example, in the following references.
[0003]
* Reference 1: Hiroshi Kogo, Tsutomu Mita “Introduction to System Control Theory” Practical Publications 114-121, 156-162 In FIG. 10, x is a state variable to be controlled, u is a control input, A and B are It is a constant matrix representing a control object. F is a feedback gain matrix, which is a constant matrix that improves the characteristics of the closed loop system.
[0004]
An evaluation function in which this feedback gain matrix F is expressed by the following equation (1):
[Equation 5]

[0006]
10 is an optimal regulator when set to minimize. However, in Formula (1), Q and R are weight matrices. The feedback gain matrix F that minimizes such an evaluation function is obtained by so-called optimal control theory.
[0007]
Next, it is considered that the optimum regulator shown in FIG. 10 is applied to an aircraft control surface operation system as shown in FIG. In such a control surface operation system, high response is required under the condition of low control surface rigidity.
[0008]
First, the control surface operation system of FIG. 9 will be described. X ₁ is the displacement of the control surface 4 expressed by a combination of the control surface equivalent mass 4 a and the control surface equivalent elasticity 4 b, and x _p is an operation of the control surface 4. This is the cylinder stroke of the hydraulic cylinder 3 (expansion and stalk of the rod 3a).
[0009]
The hydraulic cylinder 3 fixed to the machine body 5 includes first and second cylinder chambers 31 and 32 defined by a slidable piston 3a. The hydraulic oil from the hydraulic source 1 is supplied to the first and second cylinder chambers 31 and 32 via a servo valve 2 having a spool 2a that adjusts the flow of the hydraulic oil. The piston is driven by a differential pressure (hydraulic cylinder differential pressure) p _b = p _b1 −p _{b2 of} 32 pressures p _b1 and p _b2 so that the rod 3b expands and contracts.
[0010]
On the other hand, the controller 6, together with the target value r of the cylinder stroke x _p is input, the detected value of the cylinder stroke x _p from cylinder stroke detector 9, the servo valve spool displacement x _s from the spool displacement detector 10 detected value is inputted, based on these inputs the control input (e.g., control voltage) v _r to the motor drive circuit 7.
[0011]
Motor drive circuit receiving the control input v _r 7 outputs the motor input to the spool drive motor 8 (e.g. driving current) i. Spool drive motor 8 in accordance with the motor input i, drives the spool 2a of the servo valve 2, the spool 2a takes the spool displacement x _s. Note that v _i is an amount that characterizes the state of the motor drive circuit 7.
[0012]
Now, when the optimum regulator of FIG. 10 is applied to the control surface operation system of FIG. 9, the state variable x, the control input u, and the deviation e are respectively
x = [x _l x _p x _s (dx _l / dt) (dx _p / dt) (dx _s / dt) p _b i vi _i ] ^T (2)
u = v _r (3)
e = r−x _p (4)
And it is sufficient.
[0013]
Furthermore, in this case, in order to make the control system a servo system that follows the target value, it is necessary to use a type 1 regulator, and since not all possible state variables are observed, an observer is also used. For this reason, it is necessary to modify the configuration of the control system to the expanded standard system shown in FIG.
[0014]
In FIG. 11, P (s) is a transfer function matrix representing a control target, and corresponds to A and B in FIG. K (s) is a transfer function matrix including F and an observer in FIG. 10, and is implemented as a compensator in the controller 6 in FIG. Further, e ′ is an integrated signal of deviation e generated because the control system is a type 1 regulator.
[0015]
Furthermore, the evaluation formula in this case is the following formula (5).
[0016]
[Formula 6]

[0017]
Thus, by obtaining the compensator K (s) that minimizes the evaluation equation (5) consisting of e ′ corresponding to the deviation and the control input v _r , the control input v _r is suppressed and the cylinder stroke is reduced. servo system x _p follows the target value r can be realized.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, the control system design based on the expanded standard system shown in FIG. 11 obtains the compensator K (s) that minimizes the evaluation formula (5) composed of the control input v _r and the cylinder stroke x _p as described above. Therefore, the behavior of the servo valve spool displacement x _s and the hydraulic cylinder differential pressure p _b that are not included in the evaluation formula (5) and are not subject to minimization cannot be suppressed, and the high response of the actuator cannot be achieved. There was a problem.
[0019]
Specifically, in the expanded standard system shown in FIG. 11, the cylinder stroke x _p is suppressed in behavior as shown in FIG. 12, and the control input v _r is constant in a short time as shown in FIG. Converges to a value.
[0020]
On the other hand, as shown in FIG. 14, the hydraulic cylinder differential pressure p _b of the hydraulic cylinder 3 and the spool displacement x _s of the servo valve 2 are not stable in behavior as shown in FIG. If an attempt is made to increase the response of the control surface actuator, the control system becomes unstable.
[0021]
The present invention has been made paying attention to such a problem. For example, the behavior of a predetermined state variable of the control system such as the spool displacement of the servo valve and the hydraulic cylinder differential pressure is suppressed, and the high pressure of the hydraulic actuator is increased. It is an object of the present invention to provide a control system for a hydraulic actuator capable of achieving response.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a hydraulic cylinder having a pair of cylinder chambers and extending and contracting by a differential pressure between the cylinder chambers, a servo valve for controlling supply of hydraulic pressure to the hydraulic cylinder, and a spool of the servo valve are provided. The driving means for driving, the detecting means for detecting the cylinder stroke of the hydraulic cylinder, the target value of the cylinder stroke and the detected value of the cylinder stroke from the detecting means are inputted, and the target value and the detected value A control system for a hydraulic actuator comprising a control means for outputting a control input to the drive means based on a deviation to control the drive means based on an optimal control theory, wherein the deviation between a cylinder stroke of the hydraulic cylinder and a target value And an estimated value of at least one state variable calculated from the control input using the control target characteristic With the determined compensator to minimize cost function.
[0023]
In a second invention, the evaluation function is:
[0024]
[Expression 7]

[0025]
(Where e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and p _b ′ is calculated from the control input using the control target characteristic from the control input to the differential pressure between the cylinder chambers. Estimated differential pressure between cylinder chambers.)
It is.
[0026]
In a third invention, the evaluation function is:
[0027]
[Equation 8]

[0028]
(Where e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and x _s ′ is calculated from the control input using the control target characteristics from the control input to the spool displacement of the servo valve. (The estimated spool displacement of the servo valve.)
It is.
[0029]
In a fourth invention, the evaluation function is:
[0030]
[Equation 9]

[0031]
(Where e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and p _b ′ and x _s ′ are the differential pressure between the cylinder chamber and the spool of the servo valve, respectively, from the control input. (The estimated differential pressure between cylinder chambers and the estimated spool displacement of the servo valve calculated from the control input using the control target characteristics up to the displacement)
It is.
[0032]
According to a fifth aspect of the invention, the hydraulic actuator operates a control surface of an aircraft, and the evaluation function is
[0033]
[Expression 10]

[0034]
(Where, e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and p _b ′, x _s ′, (dx _l / dt) ′ are respectively calculated from the control input to the cylinder chamber. Estimated differential pressure between cylinder chambers calculated from control input using differential pressure, spool displacement of servo valve and control surface speed up to control surface speed of control surface, estimated spool displacement and estimated control surface speed of servo valve And)
It is.
[0035]
[Action]
In the first invention, the cylinder stroke of the hydraulic cylinder is detected by the detecting means, and the control means outputs a control input to the driving means so that the detected value coincides with a predetermined target value, whereby the spool displacement of the servo valve is detected. As a result, the cylinder stroke of the hydraulic cylinder is feedback-controlled, but the control system includes a compensator that is required to minimize the evaluation function that incorporates a predetermined state variable to be suppressed. By suppressing the behavior of the state variables incorporated in the evaluation function, the response of the hydraulic cylinder can be increased while maintaining the stability of the control system.
[0036]
In the second invention, since the calculated value of the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder is taken into the evaluation function, the behavior of the differential pressure between the cylinder chambers can be suppressed in the feedback control of the cylinder stroke. Further, by suppressing the behavior of the differential pressure between the cylinder chambers, the behavior of the spool displacement of the servo valve, which is related only to the direct term in the time differential of the differential pressure between the cylinder chambers, is also suppressed. This suppresses the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder and the behavior of the spool displacement of the servo valve, thereby achieving high response of the hydraulic cylinder while maintaining the stability of the control system.
[0037]
In the third invention, since the calculated value of the spool displacement of the servo valve is taken into the evaluation function, the behavior of the spool displacement of the servo valve can be suppressed in the feedback control of the cylinder stroke. By suppressing the behavior of the spool displacement, the behavior of the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder that has a direct mechanical correlation with the spool displacement of the servo valve is also suppressed. This suppresses the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder and the behavior of the spool displacement of the servo valve, thereby achieving high response of the hydraulic cylinder while maintaining the stability of the control system.
[0038]
In the fourth invention, since the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder and the calculated value of the spool displacement of the servo valve are taken into the evaluation function, the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder in the feedback control of the cylinder stroke. In addition, the behavior of the spool displacement of the servo valve can be suppressed, and high response of the hydraulic cylinder can be achieved while maintaining the stability of the control system.
[0039]
In the fifth invention, the hydraulic cylinder is used as a control surface actuator for operating the control surface of the aircraft. The evaluation function includes the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder, the spool displacement of the servo valve, and the control surface speed. Since the calculated value is taken in, the differential pressure between the cylinder chambers of these hydraulic cylinders, the spool displacement of the servo valve, and the control surface speed behavior can be suppressed, and an object with low rigidity such as an aircraft control surface is operated. Even in this case, the response of the control surface actuator can be increased while maintaining the stability of the control system.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0041]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention, which is an expanded standard system modified to apply the optimum regulator to the control surface operation system shown in FIG.
[0042]
In the expanded standard system of FIG. 1, P (s) is a transfer function matrix representing a control target. K (s) is a transfer function matrix including F and an observer, and is mounted on the controller 6 as a compensator. E ′ is an integral signal of the deviation e between the cylinder stroke x _p of the hydraulic cylinder 3 and the target value r.
[0043]
P _b (s) is a control target characteristic from the control input v _r to the hydraulic cylinder differential pressure p _b , and p _b ′ is calculated from the control input v _r using the control target characteristic P _b (s). Hydraulic cylinder differential pressure (hereinafter referred to as “estimated hydraulic cylinder differential pressure”).
[0044]
The evaluation formula in this case is the following formula (6)
[0045]
[Expression 11]

[0046]
It becomes. Thus, the evaluation formula (6) includes the estimated hydraulic cylinder differential pressure p _b ′ instead of the control input v _r , and the behavior of the hydraulic cylinder differential pressure p _b is suppressed.
[0047]
Next, the operation will be described.
[0048]
The present invention is applied to a control surface control system as shown in FIG. 9, the controller 6 of the system, coincidence detection value of the cylinder stroke x _p of the hydraulic cylinder 3 inputted from the stroke detector 9 and the target value r Thus, the hydraulic cylinder 3 is feedback-controlled through the motor drive circuit 7, the spool drive motor 8, and the servo valve 2.
[0049]
Thus, as shown in FIG. 2, the behavior of the cylinder stroke x _p is suppressed, converges to the target value. Further, as shown in FIG. 3, the behavior of the control input v _r output from the controller 6 is also suppressed.
[0050]
Further, in the present invention, the compensator K (s) mounted on the controller 6 includes e ′ corresponding to the deviation (an integral value of the deviation e between the cylinder stroke x _p and the target value r) and the estimated hydraulic cylinder differential pressure p _b. Therefore, the behavior of the hydraulic cylinder differential pressure p _b can be suppressed, as shown in FIG. 4.
[0051]
If the behavior of the hydraulic cylinder differential pressure p _b is suppressed in this way, the servo valve spool displacement x _s that is related to the time differential (dp _b / dt) of the hydraulic cylinder differential pressure p _b only by a direct term. The behavior is also suppressed simultaneously as shown in FIG.
[0052]
In this way the present invention, FIG. 2, as shown respectively in FIG. 3, the behavior of the control input v _r and the cylinder stroke x _p can be suppressed, Figure 4, as shown in FIGS. 5, the servo valve spool The behavior of the displacement x _s and the hydraulic cylinder differential pressure p _b can also be suppressed, and the response of the hydraulic cylinder 3 (control surface actuator) can be improved.
[0053]
FIG. 6 is a block diagram showing an expanded standard system according to another embodiment of the present invention.
[0054]
In this embodiment, the control target characteristic P _b (s) in FIG. 1 is changed to the control target characteristic P _s (s) from the control input v _r to the servo valve spool displacement x _s . Here, x _s ′ is a servo valve spool displacement (hereinafter referred to as “estimated servo valve spool displacement”) calculated from the control input v _r using the control target characteristic P _s (s).
[0055]
Further, the evaluation formula in this case is the following formula (7).
[0056]
[Expression 12]

[0057]
Thus, in this embodiment, the compensator K (s) is obtained so as to minimize the evaluation formula (7) consisting of the integral value e ′ of the cylinder stroke deviation and the estimated spool displacement x _s ′. The behavior of the valve spool displacement x _s can be suppressed. In this case, the behavior of the hydraulic cylinder differential pressure p _b determined by the spool displacement x _s is also suppressed, and as a result, the response of the hydraulic cylinder 3 can be increased.
[0058]
FIG. 7 is a configuration diagram showing an expanded standard system according to still another embodiment of the present invention.
[0059]
In this embodiment, the control target characteristic P _b (s) in FIG. 1 is changed to the control target characteristic P _ps (s) from the control input v _r to the hydraulic cylinder differential pressure p _b and the servo valve spool displacement x _s. ing.
[0060]
The evaluation formula in this case is the following formula (8)
[0061]
[Formula 13]

[0062]
Next, this is the control object characteristic P _ps estimated hydraulic cylinder pressure difference is calculated from the control input v _r with (s) p _b 'a servo valve spool displacement x _s' is in place of the control input v _r It has been captured.
[0063]
Therefore, in this embodiment, the behavior of the hydraulic cylinder differential pressure p _b and the servo valve spool displacement x _s as well as the cylinder stroke x _{p of} the hydraulic cylinder 3 are suppressed, and the response of the hydraulic cylinder 3 can be increased.
[0064]
FIG. 8 is a block diagram showing an expanded standard system according to still another embodiment of the present invention.
[0065]
In this embodiment, the control target characteristic P _b (s) in FIG. 1 is controlled from the control input v _r to the hydraulic cylinder differential pressure p _b , the servo valve spool displacement x _s and the control surface speed (dx _l / dt). The target characteristic P _psl (s) is changed.
[0066]
The evaluation formula in this case is the following formula (9)
[0067]
[Expression 14]

[0068]
Next, this is the estimated hydraulic cylinder pressure difference p _b which is calculated from the control input v _r using the control object characteristic P _psl (s) ', the estimated servo valve spool displacement x _s' and the estimated steering face velocity (dx _l / dt) 'it has been incorporated in place of the control input v _r.
[0069]
Therefore, in this embodiment, the behavior of the hydraulic cylinder differential pressure p _b , the servo valve spool displacement x _s and the control surface speed (dx _l / dt) is suppressed together with the cylinder stroke x _{p of} the hydraulic cylinder 3, and the hydraulic cylinder 3 It is possible to increase the response.
[0070]
As described above, the type and number of state variables to be suppressed by being incorporated into the evaluation formula in the present invention are not particularly limited, and any type of state variables to be suppressed are combined in an arbitrary number to evaluate What is necessary is just to design a control system so that it may be taken in.
[0071]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the invention, the cylinder stroke of the hydraulic cylinder is detected by the detection means, and the control means outputs a control input to the drive means so that the detected value coincides with the predetermined target value. As a result of the spool displacement being controlled, the cylinder stroke of the hydraulic cylinder is feedback controlled, but the control system includes a compensator that is sought to minimize an evaluation function that incorporates a predetermined state variable to be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the behavior of the state variables incorporated in the evaluation function, and to achieve high response of the hydraulic cylinder while maintaining the stability of the control system.
[0072]
According to the second invention, since the calculated value of the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder is taken into the evaluation function, the behavior of the differential pressure between the cylinder chambers can be suppressed in the feedback control of the cylinder stroke, By suppressing the behavior of the differential pressure between the cylinder chambers in this way, the behavior of the spool displacement of the servo valve having a mechanical direct correlation with the differential pressure between the cylinder chambers is also suppressed. This suppresses the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder and the behavior of the spool displacement of the servo valve, thereby achieving high response of the hydraulic cylinder while maintaining the stability of the control system.
[0073]
According to the third aspect of the invention, since the calculated value of the spool displacement of the servo valve is taken into the evaluation function, the behavior of the spool displacement of the servo valve can be suppressed in the feedback control of the cylinder stroke. By suppressing the behavior of the spool displacement of the valve, the behavior of the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder that has a direct mechanical correlation with the spool displacement of the servo valve is also suppressed. This suppresses the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder and the behavior of the spool displacement of the servo valve, thereby achieving high response of the hydraulic cylinder while maintaining the stability of the control system.
[0074]
According to the fourth aspect of the present invention, since the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder and the calculated value of the spool displacement of the servo valve are taken into the evaluation function, the cylinder stroke feedback control between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder is used. The behavior of the differential pressure and the spool displacement of the servo valve can be suppressed, and high response of the hydraulic cylinder can be achieved while maintaining the stability of the control system.
[0075]
According to the fifth invention, the hydraulic cylinder is used as a control surface actuator for operating the control surface of the aircraft. The evaluation function includes a differential pressure between cylinder chambers of the hydraulic cylinder, a spool displacement of the servo valve, and a control surface. Since the calculated speed value is captured, the differential pressure between the cylinder chambers of these hydraulic cylinders, the spool displacement of the servo valve, and the control surface speed behavior can be suppressed. Even in the case of operation, it is possible to achieve high response of the control surface actuator while maintaining the stability of the control system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing time variation of the cylinder stroke of the hydraulic cylinder.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a time change of a control input similarly input from the controller to the motor drive circuit.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the change over time in the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the time change of the spool displacement of the servo valve.
FIG. 6 is a configuration diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a control surface operation system.
FIG. 10 is a configuration diagram showing an optimum regulator.
FIG. 11 is a block diagram showing an enlarged standard system of a conventional example.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a change over time of a cylinder stroke of a hydraulic cylinder of a conventional example.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing a time change of a control input similarly input from the controller to the motor drive circuit.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the change over time in the differential pressure between the cylinder chambers of the hydraulic cylinder.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing the change over time of the spool displacement of the servo valve.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydraulic source 2 Servo valve 2a Spool 3 Hydraulic cylinder 4 Control surface 5 Body 6 Controller 7 Motor drive circuit 8 Spool drive motor 9 Stroke detector

Claims

A hydraulic cylinder having a pair of cylinder chambers and extending and contracting by a differential pressure between the cylinder chambers;
A servo valve that controls the supply of hydraulic pressure to the hydraulic cylinder;
Drive means for driving the spool of the servo valve;
Detecting means for detecting a cylinder stroke of the hydraulic cylinder;
The target value of the cylinder stroke and the detected value of the cylinder stroke from the detection means are input, and the control input is output to the drive means based on the deviation between the target value and the detection value to optimally control the drive means. Control means for controlling based on theory;
In a hydraulic actuator control system comprising:
A compensator determined so as to minimize an evaluation function comprising an estimated value of at least one state variable calculated from the control input using a deviation between a cylinder stroke and a target value of the hydraulic cylinder and a control target characteristic A hydraulic actuator control system.

The evaluation function is

(Where e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and p _b ′ is calculated from the control input using the control target characteristic from the control input to the differential pressure between the cylinder chambers. Estimated differential pressure between cylinder chambers.)
The hydraulic actuator control system according to claim 1, wherein:

The evaluation function is

(Where e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and x _s ′ is calculated from the control input using the control target characteristics from the control input to the spool displacement of the servo valve. (The estimated spool displacement of the servo valve.)
The hydraulic actuator control system according to claim 1, wherein:

The evaluation function is

(Where e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and p _b ′ and x _s ′ are the differential pressure between the cylinder chamber and the spool of the servo valve, respectively, from the control input. (The estimated differential pressure between cylinder chambers and the estimated spool displacement of the servo valve calculated from the control input using the control target characteristics up to the displacement)
The hydraulic actuator control system according to claim 1, wherein:

The hydraulic actuator operates a control surface of an aircraft, and the evaluation function is:

(Where, e ′ is an integral signal of deviation between the detected value of the cylinder stroke and the target value, and p _b ′, x _s ′, (dx _l / dt) ′ are respectively calculated from the control input to the cylinder chamber. Estimated differential pressure between cylinder chambers calculated from control input using differential pressure, spool displacement of servo valve and control surface speed up to control surface speed of control surface, estimated spool displacement and estimated control surface speed of servo valve And)
The hydraulic actuator control system according to claim 1, wherein: