JPH09146606A - サーボ制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ステップ応答時に制御入力にピークがでないよ
うにすると共に、制御システムの固有振動数が変動して
も制御が安定し、かつ信頼性の高いシステムを提供す
る。 【解決手段】サーボ弁２により制御される油圧シリンダ
３と、油圧シリンダ３により操作される負荷と、油圧シ
リンダストローク変位と目標信号との偏差を解消するよ
うに制御入力を与えるコントローラとを備えたサーボ制
御システムにおいて、サーボ弁２、油圧シリンダ３、負
荷を含めてモデル化される制御対象と、制御対象の状態
量をサーボ弁スプール変位と油圧シリンダストローク変
位に基づいて推定するオブザーバ１４と、オブザーバ１
４により推定した状態量をゼロとするような状態フィー
ドバックを用いたサーボ系１２とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば機体剛性、
舵面剛性の低いなかで高応答が要求される航空機（例え
ば戦闘機）の舵面操作に適するサーボ制御システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の航空機の舵面操作を制御するシス
テムとして、図７に示すようなものが知られている。

【０００３】舵面４の舵角は機体５に取付けた油圧シリ
ンダ３により制御されるが、油圧シリンダ３には油圧源
１からの作動油がサーボ弁２を介して給排され、これに
より油圧シリンダ３が伸縮作動する。サーボ弁２、油圧
シリンダ３は２系統で構成され、いずれか一方が故障し
たとしても、舵面４の舵角制御を続行することが可能と
なっている。

【０００４】サーボ弁２を駆動するためのコントローラ
６に実装される制御系は、入力された目標信号ｒに油圧
シリンダ３のストロークｘ_p−ｘ_cを追従させるサーボ制
御系を構成し、コントローラ６からの制御電圧ｖ_mがモ
ータ駆動回路７に入力し、この出力である駆動電流によ
りサーボ弁２を作動させるスプール駆動モータ８を駆動
する。

【０００５】この場合、制御系を司るコントローラ６に
は目標信号ｒに加えて、ストローク検出器９を介して検
出された油圧シリンダ３のストロークｘ_p−ｘ_c、スプー
ル変位検出器１０を介して検出されたサーボ弁２のスプ
ール変位ｘ_s、さらにはモータ駆動回路７の出力を検出
する図示しない検出器からの検出電流ｉが入力し、目標
信号ｒと油圧シリンダ３のストロークｘ_p−ｘ_cが一致す
るようにフィードバック制御する、３重の制御ループが
構成される。

【０００６】図８はこの制御系のブロック図であるが、
油圧シリンダストロークサーボ系３０は、モータ駆動回
路電流サーボ系３１と、サーボ弁スプール変位サーボ系
３２をマイナーループにもつ。そして、制御対象Ｐ_svと
Ｐ_sysについて、ゲインＫ_sys，Ｋ_svと位相進み補償器Ｈ
₂，Ｈ₃は、内側ループのサーボ系ほど高応答となるよう
に設定される。ノッチフィルタＨ₁はシステムの固有振
動数にノッチ特性を合わせて設定され、固有振動数域で
のゲイン余裕を持たせ、制御の安定性を図っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な制御系にあっては、内側にいくほど高応答の３重のル
ープが構成され、フィードバックにより変化した極のう
ち高応答の極ほど制御入力ｖ_mに表れ易いことから、図
９にも示すように、油圧シリンダストロークを変化させ
るときなど、ステップ応答時に制御入力が非常に大きな
ピークをもつという問題があった。

【０００８】また、予めシステムの固有振動数に合わせ
たノッチフィルタにより、図１０に示すように、固有振
動数域でのゲインを下げ、制御の安定性を確保するよう
にしているが、このノッチフィルタでは非常に狭い周波
数帯域でしか共振などの抑制効果がないため、例えば油
圧シリンダの１系統に故障があり、システムの固有振動
数が変化したときなど、その固有振動数域でのゲイン余
裕がなくなり、制御が不安定になってしまう。なお、図
１１には油圧系の故障時のステップ応答例を示すが、シ
リンダストロークがステップ的に大きく変動している。

【０００９】さらに、制御系は３重ループの最も内側に
高応答なモータ駆動回路電流サーボ系を構成している
が、ノイズを多く含むモータ駆動回路電流を検出してい
るため、それだけ制御システム全体の信頼性が相対的に
低下するという問題もある。

【００１０】本発明はこのような問題に対して、ステッ
プ応答時に制御入力にピークがでないようにすると共
に、制御システムの固有振動数が変動しても制御が安定
し、かつ信頼性の高い航空機の舵面制御システムを提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、モータ駆動回
路を介して制御されるサーボ弁と、このサーボ弁により
制御される油圧に応動する油圧シリンダと、油圧シリン
ダにより操作される負荷と、油圧シリンダストローク変
位と目標信号との偏差を解消するようにモータ駆動回路
に制御入力を与えるコントローラとを備えたサーボ制御
システムにおいて、サーボ弁、油圧シリンダ、負荷を含
めてモデル化される制御対象と、この制御対象の状態量
をサーボ弁のスプール変位と油圧シリンダのストローク
変位に基づいて推定するオブザーバと、オブザーバによ
り推定した状態量をゼロとするように制御する状態フィ
ードバックによるサーボ系とを備える。

【００１２】第２の発明は、第１の発明において、前記
オブザーバは、サーボ弁スプール変位、油圧シリンダス
トローク変位に基づいて制御対象の状態量を推定する。

【００１３】

【作用】第１の発明においては、制御対象の状態量をオ
ブザーバにより推定する状態フィードバックをマイナー
ループにして、油圧シリンダストロークを制御するサー
ボ系を構成したので、モータ駆動回路電流の動特性とサ
ーボ弁スプール変位の動特性を表す極がフィードバック
により変化せず、制御入力には比較的応答の低い油圧シ
リンダストロークの動特性のみが表れ、このためステッ
プ応答時に制御入力に大きなピークを生じなくなる。

【００１４】また制御対象の状態量をオブザーバで推定
して状態フィードバックを行うので、システムの振動励
起に対して状態フィードバックが積極的に振動を抑制す
るので、コントローラゲインにノッチ特性がなく、油圧
系統の故障等により固有振動数が変動しても常に制御の
安定性が確保できる。

【００１５】第２の発明では、制御対象の状態量を推定
するのに、サーボ弁スプール変位、油圧シリンダストロ
ーク変位を検出して状態フィードバックするので、油圧
系統に故障が生じたときに固有振動数が大きく変化して
も、制御系の安定を維持することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様につい
て説明すると、基本的なシステムの構成については、図
７と同じであり、舵面４の舵角を操作する油圧シリンダ
３はサーボ弁２により制御され、サーボ弁２は油圧源１
からの作動油を油圧シリンダ３に給排することにより、
その作動を制御する。サーボ弁２と油圧シリンダ３とは
２系統で構成され、いずれか一方が故障しても制御を続
行することが可能となっている。

【００１７】このようなシステムの制御系は、図１に示
すように、サーボ弁２を含む制御対象Ｐ₁と、油圧シリ
ンダ３を含む制御対象Ｐ₂からなるモデル化した制御対
象に対し、これらの状態量をオブザーバ１４により推定
し、この推定値を用いた状態フィードバック１２と、こ
の状態フィードバック１２をマイナーループにもつ油圧
シリンダストロークサーボ系１３から構成される。

【００１８】状態フィードバック１２は、サーボ弁２、
油圧シリンダ３、舵面４等を含む制御対象をモデル化
し、オブザーバ１４はこの制御対象のシステム全体の動
特性を表す後述するモデル式（１）を内部にもち、油圧
シリンダ３のシリンダストロークｘ_p−ｘ_cとサーボ弁ス
プール変位ｘ_sからシステムの状態量ｘを推定し、コン
トローラＣ₁を介してシステムの状態量ｘが速やかにゼ
ロとなるように作用する。

【００１９】また油圧シリンダストロークサーボ系１３
は、この状態フィードバック１２をマイナーループにし
て、コントローラＣ₂により、目標信号ｒに油圧シリン
ダストロークｘ_p−ｘ_cが一致するようにフィードバック
制御する。

【００２０】図２に詳細な制御系のブロック図を示す
が、制御対象をモデル化するにあたり、サーボ弁２、油
圧シリンダ３、舵面４、機体５の動特性をまとめて以下
のような微分方程式で表現する。

【００２１】

【数１】

【００２２】ただし、Ａ，Ｂ，Ｂ_v，Ｃ，Ｃ_zは、サーボ
弁２、油圧シリンダ３、機体５、舵面４の緒元に基づい
て定まる定数行列であり、このうち、状態量ｘ、制御入
力ｕ、検出信号ｙ、制御量ｚ、システム外乱ｖ、検出ノ
イズｗは、次の式（２）〜（７）に示すようにして求め
られる。

【００２３】

【数２】

【００２４】図２の制御系には、これらをあてはめて記
載してあり、［Ｋ₁ Ｋ₂］はフィードバックゲイン行
列、Ｌはオブザーバゲイン行列であり、これらについて
はＬＱＧ制御理論に基づいて求められる。なお、このＬ
ＱＧ制御理論に関しては、既に周知であり、例えば小郷
寛，美多勉共著「システム制御理論入門」実教出版株式
会社１５６〜１７７頁などに詳しく説明されている。

【００２５】フィードバックゲイン［Ｋ₁ Ｋ₂］は、制
御量ｚと目標信号ｒとの偏差ｅと、制御入力ｕを用いた
以下に記載した式（８）を最小とするときの式（９）で
求められる。

【００２６】

【数３】

【００２７】ただし、この式（９）におけるＰ_kは、次
に示す式（１０）の行列方程式の解である。

【００２８】

【数４】

【００２９】このようにして、状態量ｘを式（１）のよ
うに定義し、制御対象をモデル化し、この入出力特性の
変化から状態量をオブザーバ１４により推定し、状態フ
ィードバックしているが、本発明の特徴的な点は、モー
タ駆動回路電流ｉとサーボ弁スプール変位ｘ_sをひとつ
の状態量と見なして、ＬＱＧ制御理論を適用し、システ
ム全体で最適性を保証していることにある。つまり、オ
ブザーバ１４にはサーボ弁スプール変位ｘ_sと油圧シリ
ンダストロークｘ_p−ｘ_cとを入力し、これらに基づいて
状態量を推定し、この推定された状態量に基づいて状態
フィードバックをしていることにより、モータ駆動回路
電流とサーボ弁スプール変位の動特性がフィードバック
により変化せず、制御入力ｕにこれらの動特性が表れに
くくなるのである。

【００３０】以上の制御により次のような作用を生じ
る。

【００３１】図２において、油圧シリンダストロークサ
ーボ系１３は、状態フィードバック１２をマイナールー
プにもち、目標信号ｒにシリンダストロークｘ_p−ｘ_cを
追従させるように、その偏差ｅを解消する制御入力ｕを
出力する。

【００３２】他方、状態フィードバック１２はオブザー
バ１４が演算する状態量ｘの推定値を用いて状態量を速
やかにゼロに収束させるように作用するのであるが、こ
の場合オブザーバ１４はシステム全体の動特性を表すモ
デル式として前記した式（１）を内部にもち、油圧シリ
ンダ３のシリンダストロークｘ_p−ｘ_cとサーボ弁２のス
プール変位ｘｓからシステムの状態量ｘを推定し、この
推定した状態量を速やかにゼロに収束させる。

【００３３】油圧シリンダストロークサーボ系１３は、
前述した式（８）で規定する評価式を最小化するフィー
ドバックゲイン行列［Ｋ₁ Ｋ₂］の設定により、希望す
る応答性能を最小の制御入力ｕにより実現する。

【００３４】このことを複素平面上の極で考えると、フ
ィードバック制御とは制御入力を制御対象に加えること
により希望の応答が得られるように極を変化させること
であるが、一般的に制御入力は、もともと制御対象がも
つ極に対して極の変化が大きいほど、また変化する極の
数が多いほど大きな値になる傾向がある。したがって式
（８）として示す評価式において、希望の応答性能が必
要最小限の制御入力で実現されているとき、油圧シリン
ダストロークの動特性を表す極を除いて、モータ駆動回
路電流とサーボ弁スプール変位の動特性を表す極はフィ
ードバックによりほとんど変化しない。

【００３５】制御入力にはフィードバックにより変化し
た極の応答が表れやすい反面、フィードバックにより変
化しない極の応答はほとんど表れないため、制御入力に
は比較的応答の低い油圧シリンダストロークの動特性を
表す極の応答しか表れず、したがってステップ応答時に
も制御入力にピークが出にくくなるのである。

【００３６】この点、従来の制御系では、モータ駆動回
路電流とサーボ弁スプール変位の動特性を表す極は、フ
ィードバックにより高応答となるように変化しているの
で、制御入力にこれら応答性の高い極の影響が表れやす
く、このためステップ応答時にピークが発生していたの
である。

【００３７】なお、オブザーバ１４は式（１１）で示す
評価式を最小化するオブザーバゲイン行列Ｌの設定によ
り、システム外乱と検出ノイズの元でも、推定誤差が最
小となるように状態量ｘを推定することができる。

【００３８】このように、状態フィードバック１２をマ
イナーループにして油圧シリンダストロークサーボ系１
３を構成したので、モータ駆動回路電流の動特性とサー
ボ弁スプール変位の動特性を表す極がフィードバックに
より変化せず、ステップ応答時にも制御入力ｕにこれら
高応答の極が表れず、図３にも示すように、制御入力に
大きなピークを生じなくなる。

【００３９】また、制御対象の状態量をオブザーバ１４
で推定して状態フィードバックを行うので、システムの
固有振動が励起されると状態フィードバックが積極的に
固有振動を抑制するので、図４にも示すように、コント
ローラゲインにノッチフィルタを用いたときのようなノ
ッチ特性がないため、油圧系統の故障等により固有振動
数が変動しても安定性が確保できる。

【００４０】なお図５に、油圧系統の１系統が故障し、
制御対象の固有振動数が変化したときなどのシリンダス
トロークのステップ応答特性を示すが、従来例のように
大きく変動することがない。

【００４１】さらにオブザーバ１４により、モータ駆動
回路電流を推定するので、モータ駆動回路の電流を検出
する必要がなく、かつノイズの多いこの電流に基づいて
のフィードバック制御も行わないため、システムの信頼
性がそれだけ向上する。

【００４２】次に、本発明の他の実施の態様について、
図６によって説明すると、これは制御対象の検出信号ｙ
について、前記した（３）式を、以下のように変更し
た。

【００４３】ｙ＝［ｘ_p−ｘ_c ｘ_s ｐ］^T （３）’ これにより、オブザーバ１４への入力として、シリンダ
ストロークｘ_p−ｘ_c、サーボ弁スプール変位ｘ_sに加え
て、油圧シリンダ３の差圧ｐを検出するようにしたもの
である。油圧シリンダ３の左右の油室の差圧ｐは、油圧
系統が故障したときなど、固有振動数の変化に大きく関
与するので、予め検出信号ｙに差圧ｐを加えることによ
り、固有振動数がさらに大きく変化したときでも、制御
系の安定を維持できる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように第１の発明によれば、状態
フィードバックをマイナーループにして油圧シリンダス
トロークサーボ系を構成したので、モータ駆動回路電流
の動特性とサーボ弁スプール変位の動特性を表す極がフ
ィードバックにより変化せず、制御入力には比較的応答
の低い油圧シリンダストロークの動特性のみが表れ、こ
のためステップ応答時に制御入力に大きなピークを生じ
なくなり、また制御対象の状態量をオブザーバで推定し
て状態フィードバックを行うので、システムの共振に対
して状態フィードバックが積極的に振動を抑制するの
で、コントローラゲインにノッチ特性がなく、油圧系統
の故障等により固有振動数が変動しても制御の安定性が
確保できる一方、ノイズの多いモータ駆動回路電流を検
出しての制御を行わないので、システムの信頼性もそれ
だけ向上する。

【００４５】第２の発明では、制御対象の状態量を推定
するのに、サーボ弁スプール変位、油圧シリンダストロ
ーク変位を検出するので、油圧系統に故障が生じたとき
に固有振動数が大きく変化しても、制御系の安定を維持
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の態様を示す概略ブロック図であ
る。

【図２】同じく制御系のブロック図である。

【図３】同じく制御入力とシリンダストロークの関係を
示す特性図である。

【図４】同じくコントローラゲインの特性図である。

【図５】同じく油圧系統故障時のシリンダストロークを
示す特性図である。

【図６】他の実施の態様を示す制御系のブロック図であ
る。

【図７】従来の制御システムの構成図である。

【図８】従来の制御系のブロック図である。

【図９】同じく制御入力とシリンダストロークの関係を
示す特性図である。

【図１０】同じくコントローラゲインの特性図である。

【図１１】同じく油圧系統故障時のシリンダストローク
を示す特性図である。

【符号の説明】

２ サーボ弁 ３ 油圧シリンダ ４ 舵面 ９ 油圧シリンダストローク検出器 １０ サーボ弁スプール変位検出器 １２ 状態フィードバックサーボ系 １３ 油圧シリンダストロークサーボ系 １４ オブザーバ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータ駆動回路を介して制御されるサーボ
   弁と、 このサーボ弁により制御される油圧に応動する油圧シリ
   ンダと、 油圧シリンダにより操作される負荷と、 前記油圧シリンダストローク変位と目標信号との偏差を
   解消するようにモータ駆動回路に制御入力を与えるコン
   トローラとを備えたサーボ制御システムにおいて、 サーボ弁、油圧シリンダ、負荷を含めてモデル化される
   制御対象と、 この制御対象の状態量をサーボ弁のスプール変位と油圧
   シリンダのストローク変位に基づいて推定するオブザー
   バと、 オブザーバにより推定した状態量をゼロとするように制
   御する状態フィードバックを用いたサーボ系とを備えた
   ことを特徴とするサーボ制御システム。
2. 【請求項２】前記オブザーバは、サーボ弁スプール変
   位、油圧シリンダストローク変位に基づいて制御対象の
   状態量を推定する請求項１に記載のサーボ制御システ
   ム。