JPS5896309A - 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、空力操舵方式の操舵サーボ装置を使用しあらかじめ
設定された軌道に沿って目標点までプログラム誘導を行
う飛しょう体の自動操縦方式において、広範な高度及び
速度にわたる自動操縦を可能とするとと本に自動操縦装
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。

第１図は、飛しよう体が空力操舵方式の操舵サーボ装置
を使用し、プログラム誘導を行う動作を説明するための
図であシ２図においてＭは飛しよう体、工は目標点、座
標系０ＫＹＺは慣性座標系であシ１軸（Ｘ軸）を目標点
工方向にとっている。

空力操舵方式の操舵サーボ装置を使用し第１図に示す様
に目標点工まで飛しよう体をプログラム誘導することは
、一般に飛しよう体に搭載した慣性装置によって飛しよ
う体の位置ベクトル＋７”Ｍを求め、飛しよう体位置か
らあらかじめ設定された軌道への垂線ベクトルＩＲＭ（
以下位置誤差ベクトルという）の計算を行い位置誤差ベ
クトルＩＲＭのヨー、ピッチ成分εｙｃ＊　’ｐａ（以
下位置誤差コマンドという）を求めて適切な制御補償を
施し０位置娯差コマンド’７’ｓ　ｌｐ。がゼロとなる
様に飛しよう体を運動させるための舵角指令信号δＣを
計算し、操舵翼を操舵サーボ装置によってδＯだけ駆動
することによって行うことができる。

ここで、第２図にこの種の自動操縦方式の飛しよう体の
機体特性まで含めたブロック図を示す。第２図はこの種
の自動操縦方式の制御補償フィルタを設計するための簡
略ブロック図であシ、第１図において飛しよう体機軸方
向並びに飛しよう体Ｍからあらかじめ設定された軌道へ
おろした垂線の足Ｈにおける接線ベクトルの方向がＸ軸
方向と平行であると近似することによ＃）′Ｅｉ−系と
ピッチ系を分離しヨー系のみの１軸分について示したも
のである。

第２図においてｅ　Ｋ７ｅ　”及びτ１．τ２．τ３．
τ４はそれぞれ制御補償フィルタのゲイン定数９時定数
であシ、操舵す−ボ装置、レート検出センサ、加速゛変
針及び機体の共振モードを電気的に補償するためのスト
ラクチュアルフィルタの伝達関数ＧＷ、　ＧＲ，ＧＡ、
　ＧＲＫついてはそれぞれの帯域幅がシステムの帯域幅
に比べて充分広いため理想的な伝達関数特性をもつもの
としてゲイン１で近似するものであシ２機体特性伝達関
数ン／δ、　　ｂ７δ　について暎フレキシブル構造体
としての機体特性の帯域幅が機体単周期に相当する帯域
幅に比べて充分広いため２機体を剛体とみなすことによ
って次式 で近似するものである。

ここに、上記（１）、　（２１弐におけるγ、θはそれ
ぞれ機体の経路角変化率および姿勢角変化率であり、　
Ｋ７およびａｌ、　ａ２．　ｂｌ、　ｂ２．　ｂ３　は
それぞれゲイン定数並びに係数パラメータであって機体
運動ダイナミクヌよシ次式 ％式％（ の様に求められるものであシ、上記（３）式から帥式に
おいて、工は慣性能率（ヨー、ピッチ軸）。

ＶＭは飛しよう体速度、ρは大気密度、８は飛しよう体
基準面積、ｌは飛しよう体基準長、Ｗは飛しよう体重ｔ
、　　ｇは重力加速度であシ。

ａＬα、　Ｃｌ６．　ａｍα、　Ｏｎδ、　Ｏｍｅ、　
Ｃｍαは空力微係数でそれぞれマツハ数Ｍの関数である
。

この種の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＋１ｉ１ｉ１によって行なわれ
る。

（イ）飛しよう体速度、高度の標準的なケースを定め、
上記（３）式からＯ・式をもとに機体伝達関数ン／δ、
ミ／δ　のゲイン定数及び係数ノ（ラメ−タロ１．　”
２＠　１）１．１）２．　ｂ５　　の値をもとめる。

（ロ）第２図のブロック図におけるレート信号のフィー
ドバックループ（以下ダンパーループという）ゲイン定
数０１の値をダンパーループ伝達関数（２次遅れ系）の
ダンピングファクタζｎ　が約（Ｌ７となる様に設定す
る。

（ハ）ダンパーループ閉ループ伝達関数の固有角周波数
ωｎの値を次式 で計ｊＬＩ、、、第２図のブロック図における時定数τ
１．τ５　の値を１／τ１，１／τ３）ωｎとなる様に
設定し、又時定数τ４の値については１／τ４：ωｎと
なる様に設定する。

に）　プログラム飛しよう体位置？に対する飛しよう体
位置ｙＫついての位置制御ループ（以下位置制御ループ
という）の開ループ伝達関数のボード線図上におけるク
ロヌオーバ角周波数ωＣの値がωＣΣωｎ／３となる様
に設定し。

時定数（については１／τ２Σωｃ　／３となる様に設
定する。

（ホ）上記１）〜４）項をもとに位置制御ループ開ルー
プ伝達関数の折線近似のゲイン特性を描いてω＝１の時
のゲインＫｃを求め、第２図におけるゲイン定数Ｋｙを
次式 で設定する。

ここで０以上の様に設定された制御補償フィルタのパラ
メータをもとに位置制御ループ開ループ伝達関数の折線
近似のゲイン特性を描くと第３図の様になシ、この時の
位置制御ループの位相余裕は約６０°となる。

即ち、この椙の自動操縦方式における従来の制御補償フ
ィルタの設計は、一定の飛しよう体速度及び高度を仮定
して、ダンパーループについてはダンピング特性を所望
の特゛性に改善する様にダンパーループフィードバック
ゲイン定数を設定し０位置制御ループについては位相進
み補償を行うことによって安定性、帯域幅、定常備差に
ついてバランスのとれた設計を行うものである。

ところで、この種の自動操縦方式において制御補償パラ
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
ものでアシ、プログラム誘導飛しよう中においては一定
である。

従って、この種の自動操縦方式においては。

飛しよう体が広範な高度及び速度にわたって誘導飛しよ
うする場合、上記（３）式から（８）弐に示した飛しよ
う体の機体伝達関数のゲイン定数及び係数パラメータＩ
ＬＩ、　ａ２．　ｔ）１．　ｔ１２．　’ｂ５　　の値
カ飛しよう体の速、度及び高度の関数であシ誘導飛しよ
う中の速度及び高度変化に伴って変化するため、ダンパ
ーループのダンピング特性が設計時の要求特性に比べて
劣化することＫなシ、又位置制御ループについても開ル
ープ伝達関数のボード線図上における第３図に示す様な
設計時点の安定性、帯域幅、定常偏差についてのバラン
スのとれた配分がくずれることになシ、飛しよう体の安
定性及び応答特性に重要な影醤を及ばすという問題があ
った。

この発明は以上の点を鑑みてなされたもので。

その目的とするところは、従来設計者によシ上記１）〜
５）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
によシ誘導飛しよう中に飛しよう体の高度及び速度に適
応させて時間の経過ととも忙行うことによって、高度変
化及び速度変化による飛しよう体の安定性及び応答待７
性の劣化を極力抑制して広範な高度及び速度にわたる自
動操縦を可能とし１合わせて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させる新しい方式を実現す
ることにある。

第４図は、この発明の実施例を示すもので。

（１）は機体運動センナユニットであり、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を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ナ及び加速度針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９泣置ベクトル計算、誘導計算及び制御補償を行なっ
て舵角指令信号δＣを出力する。（３）は操舵サーボ装
置、（４）は操舵翼であシ、操舵サーボ装置（３）は操
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
アクチュエータよシ構成されるものであシ、ディジタル
計算機（２）で計算された舵角指令信号δＣと同じ大き
さだけ操舵翼（４）を駆動する。

この発明においては、誘導飛しよう中において制御補償
パラメータａｍ、　Ｋ７．　　τ１．τ２．τ５゜τ４
　の値を一定値とはせず、上記（１）、　（２１式の機
：体伝達関数におけるゲイン定数Ｋｆ及び係数パラメー
タａ１．　＆２．１）１．　ｂ２．　ｂ３　　の誘導飛
しよう中の時々刻々愛化する各時点における推定値を求
めて、ダンパ゛−ループ閉ループ伝達関数のダンピング
ファクタζｎが要求値ζｎＲ，となる様に次式 テケイン定数０１の値を計算し、ダンパールーズ固有角
周波数ωｎ’を上記ゲイン定数ｃ１．機体伝達関数のゲ
イン定数ｘ％及び係数パラメータａ２　　よシ次式 で求めで９位置制御ループ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ω０及び位相余裕φ
ｍの値が要求値 ωｃＲ＝ωｎ／ｎ　　　　　　　　　　　ｕφｍｎ＝ｃ
ｏｎｅｔ　　　　　　　　　　　＋１４となる様に制御
補償パラメータτ４．τ３．τ４．τ２゜［７を次式 ％式％ で計算し、舵角指令信号δＯｋを上記制御補償パラメー
タ０１．τ１．τ２．τ５．τ４．に７　　と位置誤差
コマンドｔｙａｋ及び角速度信号ｑｋをもとに次式％式
％（） で計算し、操舵翼（４：を操舵サーボ装置（８）でδ０
だけ駆動することによシ飛しよう体がプログラム軌道に
乗る機制御するものである。

ここに、上記（２）式から口式におけるＴ８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０１１式から＠式の計算はディジタル計算
機（２）で行うものであシ９機体特性伝達関数のゲイン
定数ｋｔおよび係数パラメータａ１゜ａ２．　ｂｌ、　
ｂ２．　ｂｓ　　の値は上記のディジタル計算機（２）
によって上記（３）〜顛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（３）〜ａｅ式で使用する空
力微係数ｃＬα、ＣＬδ、　Ｏｎα、ｃｍａ、Ｃｍθ。

ｃｍａ（マツハ数Ｍの関数）、飛しよう体重量”　（ｔ
ｌ　を慣性能率工（ｔ）、大気密度ρ（飛しよう体高度
ｈＭ−の関数）、飛しよう体基準面積８および飛しよう
体基準長ＩＫついてはあらかじめ風洞実験や数値計算（
推定計算）によって求めた値を上記のディジタル計算機
（２）Ｋメモリしておくものであり、飛しよう体速度Ｖ
Ｍおよび迎角α、高高度Ｍは機体運動センサユニット（
１）および上記ディジタル計算機（２）で構成される慣
性装置によシ求めるものである。なお、上記の迎角αお
よび操舵サーボ装置（３）の角度検出器（例えばポテン
ショメータ）によって測定する舵角δは、上記の空力微
係数ＣＬα、　ＯＬδ、　Ｏｎα、ａｍδ。

Ｏｍｅ、　Ｏｍｃｊ　　をマツハ数Ｍの関数のみならず
迎角αと舵角δの関数とする必要がある場合に使用する
ものである。

ここで、上記Ｑｏ式については、第２図において舵角リ
ミットを省略してダンパーループを線形化し、ダンパー
ループ閉ループ伝達関数ン／δ０′を求めると次式 となル、従ってダンパーループダンピングファクタζｎ
、固有角周波数ωユは次式 の関係式を満足し、上記（財）式及び（ハ）式より固有
角周波数へを消去すると次式 ％式％） を得るため、上記（至）式においてダンピングファクタ
ζｎが要求値ζｎＲと一致する様にζｎ；ζｎＲとし上
記（至）式をゲイン定数０１について解くことによって
得たものであシ、父上記０式は上記（ハ）式よシ求めた
ものである。

ここで、上記０式におけるｎは定数値で０位相余裕の要
求値φｍＲとともにシステム設計時にシステムスタディ
を行す適切な値に設定するものであシ、上記ａｓ式及び
０１式におけるｍは定数値であり　！ＩＩ　＜＜　１　
　となる様にサンプリング周期Ｔ８　　も考慮してなる
べく小さな値に設定するものである。

ここで、上記舖式からα唾式は、先ず上記面式によって
τ４＝１／ω。と設定し上記時宥数τ１．τ。

及び機体伝達関数の係数パラメータｂ１．　ｂ２の値が
１／ωＯＫ比べて充分小さく無視することが可能なため
、第２図の位置制御ループ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ω０及び位相余裕φ
ｍが上記０式及び１式の要求値となる様にて２＊に７に
ついて解析的に解くことによって求めたものであシ、上
記（転）式から■式は第２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−次変換法によ〕ラプラス
の演算子Ｓを次式 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
て求めたものである。

なお、制御補償パラメータ自＊　”７ｅτ１．τ２゜τ
６．τ４（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Ｔａごとに制御
補償パラメータｐ１の値を更新するのではなく、制御補
償パラメータｐ１の現時点における設定値ｐｉｏに対す
る増分１（ｐｔ−１）ｉｏ）／ＰｉＯ１（ｐｔｏＫよっ
て規格化）をサンプリング周期Ｔ８ごとに時々刻々計算
し、上記の増分　１（ｐｌ−ｐｉｏ　）／ｐｉｏｌの値
がある閾値（例えば１１）を越えた時点となって初めて
制御補償パラメータｐ１を更新するという方法について
、制御補償パラメータ　ｐｌ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
させてダンパーループ閉ループ伝達関数のダンピングフ
ァクタ並びに位置制御ループ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及び位相余裕が要
求値と一致する様に誘導飛しよう中時間の経過とともに
変化させるのであるから、高度変化および速度変化によ
る飛しよう体の安定性および応答特性の劣化を極力抑制
し広範な高度および速度にわたる自動操縦管実現するこ
とが可能となシ、またシステム設計の変更に際しても設
計者は上記のダンピングファクタ、クロヌオーバ角周波
数及び位相余裕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、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０以上においては制御補償フィルタの構成として第
２図を例にとシ説明してきたが、この発明は上記第２図
のフィルタの構成以外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図は飛しよう体がプログラム誘導を行う動作を説明
するための図、第２図はこの種の自動操縦方式のブロッ
ク図、第３図は位置制御ループ開ループ伝達関数のゲイ
ン特性を示す図。 第４図はこの発明を示す概略図、第５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り１図中、
（１）は機体運動センサユニット。 （２）はディジタル計算機、（３）は操舵サーボ装置。 （４１は操舵翼である。 代理人　葛　野　信　− １Ｉ１図

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度計及びレート検出センサをも
   とに構成される機体運動センサユニットと、ディジタル
   計算機並びに空力操舵方式の操舵サーボ装置を使用しプ
   ログラム誘導を行う飛しよう体の自動操縦方式において
   。 機体運動センサユニット、ディジタル計算機並びに操舵
   翼の舵角を測定する角度検出器を使用して誘導飛しよう
   中における飛しよう体の機体伝達関数のゲイン定数と係
   数パラメータの値を実時間で推定し、上記ディジタル計
   算機によ択上記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
   算を誘導飛しよう中に時間の経過とともに行い機体の角
   速度信号をフィードバックすることによって構成される
   機体ダンパーループ閉ループ伝達関数のダンピングファ
   クタ並びにプログラム飛しよう体位置に対する飛しょう
   体位置についての位置制御ループ開ループ伝達関数のボ
   ード線図上における位相余裕及びクロスオーバ角周波数
   の値があらかじめ設定された要求値と一致する様に制御
   することを特徴とする飛しよう体自動操縦方式。