JPS58200307A - 飛しよう体自動操縦方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は飛しよう体の自動操縦方式に関するものであ
り、舵角制御方式の１対の操舵サーボ装竺ヲ使〒し１飛
し１う体０°−″制御を行う飛しよう体自動操縦方式に
おいて、広範な高度及び速度にセたる°−′豐御を可能
とするとともに自動操縦装置のデザインフレキシビリテ
ィを向上させることを特徴とするものである。

空気力による外乱トルクなどに・よ・つて生ずる飛しよ
う体の機軸まわシの回転運動（以下ロール運動という）
を阻止するためのロール制御は、飛しよう体に搭載した
Ｌ／−ト検出″′すにｇ機−〇ロール角速度ふを検出し
適当な制御補償を施すことによってロール舵角指令信号
δｒＣを計算して一対の操舵サーボ装置によシ一対の操
舵翼の一方の舵角を上記δｒｅだけ増加させ他方の舵角
を上記δｒｅだけ減少させることによって行うことがで
きる。

ここで、第１図にこの種のロール系自動操縦方式の飛し
よう体機体特性（ロール系）まで含めたブロック図を示
す。第１図において、ＩＦ、及びＦ２はそれぞれ制御補
償フィルタのゲイン定数であ’）　’＊　ＧＡ＊　Ｇ３
及びＧｓはそれぞれ操舵サーボ装置。

レート検出センサ及びストラクチュアルフィルタの伝達
関数であシ、Ｇお及びＧＦＢはそれぞれ機体のλ休符性
及び−次の共振モードを表わす伝達関数（ロール系〕で
ある。　　：。

この種のロール系自動操縦方式において、従来の制御補
償フィルタの設計は概ね以下の手順によって行なわれる
。

０）ストラクチュアルフィルタＧ８は機体の一次共振モ
ードの影響を補償するためのフィルタであシ、ストラク
チュアルフィルタＧｓの設計は第１図に示したロール系
自動操縦ループの開ループ伝達関数のボード線図上にお
けるクロスオーバ角周波数ωＣ（以下クロスオーバ角周
波数という）が機体の１次共振モードの角周波数に比べ
て充分小さな値に設定されるため、制御補償フィルタの
設計とは独立に機体の１次共振モードの影響を補償する
ことにのみ着目して行なうものであ〕、又クロスオーバ
角周波数ωＣは操舵サーボ装置の角周波数すびレート検
出センサの角周波数ω。に比べても充分小さな値に設定
されるものであるため、第１図のブロック図において上
記ＧＦＢを省略し父上記Ｇ８．　ＧＡ、　ＧｏＹゲイン
１でおきかえることによって。

制御補償フィルタ設計用の低周波数領域のシステムダイ
ナミクスとして第２図に示す様な簡略化されたモデルを
作成する。

ここで、第２図においてＫ。、τ０は剛体特性を表ｐす
機体のロール系伝達関数のゲイン定数及び時定数であシ
１機体ダイナミクスよシ次式の様に求められるものであ
シ、上記（１）式及び（２）式において、工は飛しよう
体の機軸まわシの慣性能率、九仲飛しよう体速度、ρは
大気密度、Ｂは飛しよう体基準面積、′ｂは飛しよう体
翼スパン。

ＣＩＪ及び０−を−空り微係数でそれぞれマツ・・数の
関数である。

（ロ）第２図の低周波数領域のシステムダイナミクスに
最適制御理論な適用し１次式の積分評価指標工（ここに
、）はロール角速度、Φはロール角度、δ　□はロール
舵角コマンド、α及びβは評価ｅ 指標パラメータ、ｔは時間である） Ｘ−ｆ　　（αΦ＋βΦ＋δ１゜）ｄｔ　　　・・・・
・・（３）−〇 を最小とするフィードバック制御則を求めると次式 ％式％（４） となる。上記（４）〜（６）式のフィードバック制御則
は。

第１図の制御補償フィルタと同じＰ工制御則となってい
るため、第１図の制御補償フィルタのパラメータＦ１．
Ｆ、は上記（５）、（６）式より設定する。

ｆ′９　　上記（５１、（６１式よ〕制御補償フィルタ
のパラメータＦ４．Ｆ２を設定することができるが、上
記（５）。

（６）式は未定の評価指標パラメータα、βを含むため
、付加的な拘束条件を設定することによって評価指標パ
ラメータα、βを決定する。第１の付加的な拘束条件と
しては、上記（４）式から（６）式のフイ−ドパツク制
御則の導出が操舵サーボ装置ＧＡやし一ト検出センサＧ
（ｐ％性を理想化して第２図に示した低周波数領域のシ
ステムダイナミクスをもとに導出されたものであル、評
価指標パラメータα。

βの値によっては往々にして、上記（４）〜（６）式に
よシ、設計された制御補償フィルタを第１図に示したロ
ール系自動操縦ループの制御補償フィルタとして使用す
る場合上記ロール系自動操縦ループが不安定となること
があるため、上記ロール系自動操縦ループを安定とする
制御補償フィルタを得るための条件として、クロスオー
バ角周波数ω講び操舵サーボ装置の角周波数ω□の値が ω。〈ωえ となる様にクロスオーバ角周波数ω。に対して次式％式
％（７） の付加的な拘束条件を設定する。

ここでクロスオーバ角周波数ω。はその定義より近似的
に次式 ％式％（８） を満足している。

に）評価指標パラメータα、βを設定するための第２の
付加的な拘束条件として評価指標パラメータα、βの比
◇を最大ロール角速度’ｉｍａ工及び最大ロール角度Φ
ユニをもとに の様に設定する。

（ホ）飛しよう体高度及び速度の標準的なケースを定め
、上記（１）〜（２）式よりロール系機体伝達関数のゲ
イン定数に、及び時定数τゆを計算し、上記（５）〜（
９）式！　、！を制御補償フィルタのパラメータｙ４．
ｐｐ値を計算する。

即ちこの種のロール系自動操縦装置における従来の制御
補償フィルタの設計は、一定の飛しよう体高度と速度及
び第２図のシステムダイナミクスを仮定して上記（７）
式と（９）式の拘束条件を下に上記（３）式の積分評価
指標工を最小とする様に行うものである。

ところで、この種のロール系自動燃縦方式において制御
補償フィルタのパラメータの設定は飛しよう体を発射す
る前にあらかじめ用意された設計値の中の１つを選定す
ることによって行うものであ）、飛しよう体発射後にお
いて制御補償フィルタのパラメータの値は一定である。

従って、この種のロール系自動操縦方式においては、飛
しよう体が高範な高度及び速度にわたって飛しようする
場合、上記（１）式及び（２）式に示した飛しよう体の
ロール系機体伝達関数のゲイン定数に、！ｉｌび時定数
τ、の値が飛しよう体の速度及び高度及び高度の関数で
あ）飛しよう中の速度及び高度変化に伴って変化するた
め、ロール系自動操縦ループの特性が設計時の要求特性
に比べて劣化することになり、飛しよう体のロール制御
の安定性及び連応性に重要な影響を及ぼすという問題が
あった。

この発明は以上の点を参考にしてなされたもので、その
目的とするところは、従来設計者により上記（イ）〜（
ホ）の手順に従ってなされていた制御補償フィルタのパ
ラメータ計算を飛しよう体に搭載したディジタル計算機
によシ飛しよう体の高度及び速度に適応させ、かつ時間
の経過とともに行うことによって、高度変化及び速度変
化による飛しよう体のロール制御の安定性及び連応性の
劣化を極力抑制して広範な高度及び速度にわたるロール
制御を可能とし２合わせてロール系自動操縦装置のデザ
インフ１／キシビリティを著しく向上させる新しい方式
を実現することにある。

第３図は、この発明の実施例を示すもので、（１）は機
体運動センサユニットでワ多、飛しよう体の３軸方向の
加速度及び角速度を検出するための加速度計及びレート
検出センサンもとに構成されている。（２）はディジタ
ル計算機であシ、上記レート検出センサ及び加速度計で
測定された飛しよう体の３軸方向の角速度及び加速度を
もとに飛しよう体の姿勢角計算（変換行列計算も含む）
、速度ベクトル計算２泣置ベクトル計算及び制御補償な
行なってロール舵角指令信号δ、。を出力する。（３）
は操舵サーボ装置、（４）は操舵翼であり、１対の操舵
サーボ装置（３）はそれぞれ操舵翼（４）の舵角δを測
定する角度検出器（例えばポテンショメータ）、制御補
償電子回路、サーボアンプ及びアクチュエータよジ構成
されるものであシ、ディジタル計算機（２）で計算され
たロール舵角指令信号δ、。と同じ大きさだけ１対の操
舵翼（４）を互いに反対方向に駆動する。なお、上記機
体運動センサユニツ）　（１）　、ディジタル計算機（
２）、操舵サーボ装置（３）及び操舵翼（４）はロール
系の自動操縦のみならずヨー系及びピッチ系の自動操縦
にも共用されるものである。

この発明においては、飛しよう中において制御補償フィ
ルタのパラメータＦ１及びＦｐ値を一定値とはせず、上
記（１）、（２）式のロール系機体伝達関数のゲイン定
数Ｋ。及び時定数τ。の飛しよう中の時々刻々変化する
各時点における推定値を求めて１次式 ％式％（１２ で制御補償フィルタのパラメータＦ、及びＦ２の計算を
行い、ロール舵角指令信号δ１゜、の計算？上記制御補
償フィルタのパラメータ’？４．Ｆ２トロール角速度信
号Φ、をもとに次式 で計算し、一対の操舵翼（４）を一対の操舵サーボ装置
（３）で互いに反対方向にδｒｅだけ駆動することによ
シ飛しよう体のロール制御を行うものである。

ここに、上記（１１式におけるＴＢはサンプリング周期
であシ、添字には時刻を表わしている。

ここで、上記０１式からα環式の計算はディジタル計算
機（２）で行うものであシ、ロール系機体伝達関数のゲ
イン定数にゆ及び時定数τ。の値は上記のディジタル計
算機（２）によって上記（１）及び（２）式をもとに推
定計算を行なって求めるものであるが、上記（１）。

（２）式で使用する空力微係数０．Ｊ　、　’０υ（マ
ツハ数Ｍの関数）、飛しよう体の機軸まわりの慣性能率
。

大気密度ｐ（飛しよう体高度−ρ関数〕、飛しよう体基
準面積Ｂ、飛しよう体基準長を及び飛しよう体翼スパン
ｂについてはあらかじめ風洞実験。

数値計算（推定計算）や実測によって求めた値を上記の
ディジタル計算機（２）にメモリしておくものであり、
飛しよう体速度−及び高度〜仲機体運動センサユニット
（１）と上記ディジタル計算機（２）で構成される慣性
装置により求めるものである。

ここで上記α１式及び１式は上記（５１、＋６）　、　
（８）　、　（９）よシ評価指標パラメータα、βを消
去し、制御補償フィルタのパラメータＦ１及びＩＦ５ニ
ついて解析的に解くことによって得たものであり、父上
記ａ２式におけるｍは定数値であシシステム設計時にシ
ステムスタディを行い適切な値に設定するものである（
例えば従来の設計法においては上記（７）式でｍ−３と
設定した）。

ここで、上・記（１３式は、第１図の制御補償フィルタ
の８領域における表示において、双１次変換法によりラ
プラスの演算子Ｓを次式 ％式％ で置換し上記制御補償フィルタを２領域における表示に
変換したのち、さらに時間領域の差分方程式へと変換し
て導出したものである。

なお、制御補償フィルタのパラメーター’４．ＩＴ’２
（以下Ｐ１と略記する）の値を更新する時間間隔の設定
法については種々の方法が考えられるが、第５図には１
例として、サンプリング周期Ｔｓごとに制御補償フィル
タのパラメータＰ１の値を更新するのではなく、制御補
償フィルタのパラメータＰ１の現時点における設定値Ｐ
ｉｏに対する増分１　（Ｐｉ−Ｐｉｏ）／Ｐｉｏ　ｌ　
（Ｐｉｏによって規格化）をサンプリング周期ＴＢごと
に時々刻々計算し、上記えば０．１）を越えた時点とな
って初めて制御補償フィルタのパラメータＰ１を更新す
るという方法について、制御補償フィルタのパラメータ
Ｐ１の時間的変化を示す概念図を示す。

以上説明した様に、この発明によると、制御補償フィル
タのパラメータの値を飛しよう体の高度及び速度に適応
させて上記（９）及びａり式の付加的な拘束条件の下に
上記（３）式の積分評価指標工を最小とする様に飛しよ
う中時間の経過とともに上記（１１式及び００式で計算
して変化させるのであるから。

飛しよう体の高度変化及び速度変化による飛しよう体の
ロール制御の安定性及び連応性の劣化を極力抑制し広範
な高度及び速度にわたる飛しよう体のロール制御を実現
することが可能となり、またシステム設計の変更に際し
ても設計者は上記のクロスオーバ角周波数、最大ロール
角速度及び最大ロール角度の要求値やデータ・メモリの
データ（例えば空力微係数、　ｅｔｃ　）などソフトウ
ェア面のみの変更を行えばよいのであるから、ロール系
自動操縦装置のデザインフレキシビリティを著しく向上
することができる。

なお２以上においては第１図の制御補償フィルタの時間
領域における表示として、双１次変換法を使って導出さ
れた上記（１１式を例にとシ説明してきたが、この発明
は上記ａ罎式以外を使用する場合についても適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は飛しよう体のロール系自動操縦方式のブロック
図、第２図は簡略化されたシステムダイナミクスを示す
ブロック図、第３図はこの発明な説明するだめの概略図
、第４図は制御補償フィルタのパラメータの時間的変化
を示す図であ）２図中、（１）は機体運動センサユニツ
）、（２）はディジタル計算機、（３）は操舵サーボ装
置、（４）は操舵翼である。 代理人　　葛　野　信　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 飛しよう体に搭載され、飛しよう体の３軸方向の加速度
   と角速度を検出する加速置針及びレート検出センサを構
   成要素とする機体運動センサユニットと、ディジタル計
   算機並びに一対の舵角制御方式の操舵サーボ装置とｔ使
   用して飛しよう体のロール制御を行う飛しよう体自動操
   縦方式において、上記機体運動センサユニット及びディ
   ジタル計算機を使用して飛しよう中における飛しよう体
   ロール系機体伝達関数のゲイン定数と係数パラメータの
   値乞実時間で推定するとともに、上記ディジタル計算機
   により、上記ロール系機体伝達関数のゲイ・ン定数と係
   数パラメータの推定値をもとに制御補償フィルタのパラ
   メータ計算を飛しよう中に時間の経過とともに行い１機
   体のロール角速度−ブー巡伝達関数のクロスオーバ角周
   波数の値をあらかじめ設定された要求値と概ね一致させ
   、さらに次式の積分評価指標工（ことに、Φはロール角
   速度、Φはロール角度、δｒｃは゛ロール舵角コマンド
   であ）、又α及びβは評価指標パラメータ。 ｔは時間である） の値編はゾ最小とする様に・−ル制御することを特徴と
   する飛しよう体す動操縦方式・