JPS59164298A - ヘリコプタの自動トルク制限及び制御装置 - 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】 本発明は、ヘリコプタ自動飛行制御システムに係り、一
層詳細には、超過エンジントルクの要求を回避するため
自動飛行制御システムのコレクチブピッチ指令を制限す
ることに係る。

また航空機エンジンのオーバローディング（またはオー
バストレス）はエンジン寿命を短縮し、また飛行時にエ
ンジンの故障を誘発し得る。オーバローディング・を回
避するため、幾つかのエンジン制御装置は、エンジン燃
料制御装置内に直接組込まれた型式のトルク制限装置を
含んでいる。このようなトルク制限装置を組込まれてい
ない航空機エンジンに対してトルク制限を行うためには
、超過トルクを惹起し得る指令を制限することによりト
ルク制限が行われてきた。ヘリコプタに於て、自動飛行
制御システムの高度保持部分内にトルク制限ループを設
けることは知られている。現在の実際エンジントルクと
最大許容トルクとの間の差を示す信号が高利得増幅器を
通して与えられ、またそれがコレクチブピッチ外側ルー
プサーボアクチュエータに与えられる以前に全高度指令
信号と加算される。トルク制限ループの利得は非常に高
くされているので、超過トルクが自動飛行制御システム
コレクチブ指令の結果として生ずるとき、トルク制限信
号が簡単に高度指令信号に打勝ち、それにより、コレク
チブ外側ループに与えられる指令を減する。高度制限に
オーバライドするように非常に高い利得が用いられてい
るので、また高度誤差が積分利得パス内で増大し続ける
のでトルク制限へのまたそれからの移行の時システムが
非常に突変的な作動をする。このことは、特に航空機が
地表の近くでホバリングを行っているとき、更には夜間
捜索及び′救助活動中に水上でホバリングを行っている
とぎ、操縦者を戸惑わせる。

公知のトルク制限システムの他の問題点は、降下を阻止
するときにトルク制限がしばしば要請されることである
。従って、水上ホバリングへの自動アプローチの際、降
下が阻止されるにつれてトルク制限へのまたそれからの
移行が行われやすい。

水面に近いときの所望の高度のアンダシューティングは
危険であり、また操縦者を戸惑わせる。自動離陸中は、
大気速度の増大を伴う揚力の増大により超過トルクなし
に所望の高度が得られやすく、またトルク制限は高度到
達に先立って通常ディスエンゲージされるので、オーバ
シュートは生じない。他方、ホバリングを行っていると
き、または一定の大気速度で高度を得るときには、航空
機が所望の高度に到達した後までトルクが緩和されない
ので、オーバシュートが生ずる。また、システムは次い
でトルク制限へのまたそれからの移行を振動的に繰返す
。

本発明の目的は、高度指令とトルク指令との間の突変的
な移行を回避し、高度のオーバシューテイング及び高度
のアンダシューテイングを回避し、またトルクが必要と
される状態では降下の阻止を許すようなヘリコプタ用自
動飛行制御システム内のトルク制限保持機を可能にする
ことを含んでいる。

本発明によれば、ヘリコプタ用トルク制限付き高度制御
システムは、高度制御とトルク制御との間の滑らかな移
行を可能にするクロスフェード回路を含んでおり、トル
ク制限内は高度側ｍ＋機の積分利得パスの積分器をトル
ク制限指令に切換え、クロスフェード回路が滑らかに作
動するための時間を許すように初期超過トルクを予期し
且所望高度への到達を予期し、トルク制限がディスエン
ゲージされた後の短い時間内はトルク制限のエンゲージ
を禁止し、また自動降下内に基準高度に到達したときに
はある時間に亘りトルク制限を禁止する。

本発明は、高度制御とトルク制御との間の突変的な移行
を回避し、高度制ｔ１１機の積分パス内の誤差の著しい
増大を回避し、最大トルクを超過するトルクによっても
降下の阻止を許し、またトルク制御と高度制御の間の振
動的移行を回避するようにトルク制限と高度制御との間
にヒステリシスをもたせる。

本発明は、以下の説明から当業者に明らかとなる装置及
び技術を用いて、専用ハードウェアによっても、デジタ
ル自動飛行制御システム内に用いられている簡単な計算
機ルーチンによっても実施され得る。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以下にその
典型的な実施例を図面により詳細に説明する中で一層明
らかになろう。

さて第１図を参照すると、先に簡単に説明した型式のト
ルク制限付き高度制御システムはコレクチブ外側ループ
指令を信号線１０を経てコレクチブ外側ループサーボ１
２に与える。この指令は、高度保持システム１８からの
導線１６上の全高度指令とシステムのトルク制限部分か
らの導線２０上のトルク制限指令とを与えられる加算点
１４により与えられる。ヘリコプタエンジンと直接に結
合されているトルクセンサ２２は導線２４上に現在の実
際エンジントルクを示す信号を与える。電圧基準２６は
導線２８上にエンジンの最大設計トルクを示す信号を与
える。導線２４．ヒの実際エンジントルク信号は加算点
３０で導線２８上の最大エンジントルク基準信号から差
引かれる。加算点３０からの誤差信号は非常に高利得の
増幅器３２に与えられ、その出力は、ダイオード３４に
より示されているように、一方向性であるから、実際エ
ンジントルクが最大設計トルクを超過する時には、導線
２４上の信号は非常に負になり、それにより導線１６上
の全高度指令信号から差引かれ、８１線１０上の全コレ
クチブ外側ループ信号を減する。このようにして、導線
２０上のトルク制限信号は簡単に導線１６上の高度指令
信号に打勝つ。

しかし、トルク制限は所望の高度の到達に遅れているの
で、高度指令は一層高い高度を達成しようとして悪い方
向に増大し続けると期待され得る。

また、高度保持システム１８の積分利得パスは益々大き
な誤差を累算し続ける。最大トルクを生ずるコレクチブ
指令を用いて所望の高度が究極的に到達されたとき、全
高度指令信号は突然に非常に小さくなり、導線２０上の
負のトルク制限信号の結果として負のコレクチブ指令信
号を生ずるので、エンジントルクが直ちに低くなり、ま
たある高度が失われて高度指令を再び増大させる。この
ようにして、移行は突変的且振動的である。

次に第２図を参照すると、コレクチブ外側ループサーボ
１２は加算点４０から導Ｉ！３８を経てコレクチブピッ
チ指令信号を与えられる。加算点４０は、フェード回路
４２を通じて高度指令信号を、フェード回路４４を通じ
てトルク指令信号を、またスイッチ５４により高度積分
利得増幅器５０もしくはトルク積分利得増幅器５２に選
択的に接続可能な積分器４８から導線４６を経て積分パ
ス信号を与えられる。トルク制限がエンゲージされると
き、スイッチ５を押して積分器４８を（図示されている
ように）トルク積分増幅器５２に接続させ、またフェー
ド回路４４をフェードアップさせ、更にフェード回路４
２をフェードダウンさせる信号が（後で第３図により説
明するように）導線５６上に与えられる。こうして、高
度制御からトルク制御への滑らかな移行が行われる。フ
ェード回路４２は、導線６４上の制限された指令信号か
ら導線６２上のレート信号を差引く加算点６０から導線
５８を経て高度指令を与えられる。導線６４上の信号は
、比例利得増幅器６８から信号を与えられるリミッタ６
６により与えられる。導線６２上の信号はレート利得増
幅器７０により与えられる。積分及び比例増幅器５０．
６８は同期化回路７４（簡単に所望の高度と現在の高度
との間の差として誤差信号７２を与える）から導線７２
を経て高度誤差信号を与えられる。同期化回路７４は適
当な高度計７８（高い高度では気圧式高度計であってよ
く、低い高度ではレーダ高度計であってよく、また自動
着陸又は離陸システムの高度部分であってよい）から導
線７６に与えられる現在高度信号に応動する。導線７６
上の高度信号は微分器８０に通され、それにより導線８
２上に高度レート信号が与えられる。この信号はレート
利得増幅器７０及び乗算器８４に与えられ、乗算器８４
の他方の入力端にはある時間周期（例えば２秒）を示す
電圧基準８６からの信号が与えられる。乗算器８４は、
基準８６により示される周期時間中に変更されなければ
ならない高度を示す高度インクレメント信号を導線８８
上に与える。この信号は加算点９０で導線７２上の高度
誤差信号と加算され、それにより導線９２上に予期され
る高度誤差信号が得られる。

この信号は負比較器９４を通され、それにより導線９６
上に、導線９２上の予期される高度誤差信号が負になる
ときには常に予期される所望の高度信号が得られる。導
線７２上の高度誤差信号は他の負比較器９８を通され、
それにより導線１００上に、導線７２上の高度誤差信号
が負であるとぎには常に高度上側基準信号が得られる。

これらの信号は、後で第３図により説明するように、ト
ルク制限のエンゲージメント及びディスエンゲージメン
トを制御するために用いられる。

フェード回路４４は導線１０２を経て、レート利得増幅
器１０６及び比例利得増幅器１０８に応動する加算点１
０４からトルク指令信号を与えられる。増幅器１０８は
導線１１０を経て遅れ回路１１２から遅れトルク誤差信
号を与えられ、また増幅器１０６は導線１１４を経て遅
れレート回路１１６からトルク遅れレート信号を与えら
れる。

これらの回路内で、Ｐｌ及びＰ２は時定数、またＳはラ
ブラース演算子である。遅れ回路１１２は導線１１８を
経て加算点１２０から、導線１２２上の最大トルク基準
信号から導線１２４上の実際エンジントルク信号を差引
いたトルク誤差信号を与えられる。導線１２４上の実際
エンジントルク信号は遅れレート回路１１６及び加算点
１２６に与えられ、加算点１２６の他方の入力端には乗
算器１２８からの信号が与えられる。乗算器１２８は遅
れ回路１１６の出力と電圧基準１３０からの時間ユニッ
トを示す信号とを与えられる。この乗算器は導線１３２
上にトルク誤差信号のインクレメントを与え、このイン
クレメントは現在の実際トルクと加算されて、導線１３
４上に予期されるトルク信号を生ずる。この信号は比較
器１３６内で導線１２２上の最大トルク信号と比較され
、導線１３８上に、最大１〜ルクが超過されるであろう
ことを現在のトルクレベル及びトルクレートが示すとき
には常に、予期される超過ｉ〜シルク号を生ずる。

つぎに第３図を参照すると、導線５６上のトルク制限信
号は双安定性装置１４０からそのセット状態に於て与え
られる。双安定装置１４０はアンド回路１４２への入力
の全てが存在するとぎはセットされる。アンド回路１４
２の入力は、二つのタイマ１４４．１４６がカウントを
終了したときにこれらのタイマから発せられる信号と、
高度制御がエンゲージされたときに（自動飛行制御シス
テム）から導線１４８上に与えられる信号と、超過トル
クが予期されるときに導線１３８上に与えられる信号と
である。これらの信号の全てが存在するときアンド回路
１４２は双安定装置１４０をセット状態にして、導線５
６上にトルク制限信号を生じさせる。導線５６上の信号
は２秒タイマ１４４のリセット入力端に与えられ、トル
ク制限がエンゲージされている時間を通じてタイマ１４
４をリセット状態に保持する。トルク制限が（後で説明
するように）最早エンゲージされていないとき、トルク
制限信号は導線５６上に存在しなくなり、従ってまたタ
イマ１４４のリセット入力端に与えられなくなり、それ
によりタイマ１４４は、２秒が経過したことを示すカウ
ントに到達するまで（内部クロックから与えられるよう
な）クロックパルスのカウントを開始する。その２秒間
にアンド回路１４２は再びアンド条件を満足され得ない
ので、トルク制限は一旦デイスエンゲージされた後の２
秒間には再びエンゲージされ得ない。

双安定装置１４０はオア回路１５０への何れかの入力信
号によりリセットされる。これらの信号の一つは、高度
制御がエンゲージされていないことを示す信号であり、
インバータ１４９から与えられる。これらの信号の第二
は、導線９６上の予期される所望の高度信号である。こ
れらの信号の第三は、導線５８上の高度指令信号が負で
あるとき（少ないトルクが必要とされていることを意味
する）に常に第２図中の負比較器１４４により発せられ
る導！５１５２上の負指令信号である。双安定装置１４
０がセットされているには常に、導線１５６上の信号が
アンド回路１５８に与えられる。

自動降下中は、高度は常に基準高度の上側（こあるので
、導線１００上の゛基準よりも上側の高度″′倍信号存
在する。これがアンド回路１５８の右アンド条件を満足
するので、アンド回路１５８（ま導線１６０　ヲ１１　
で３秒タイマ１４６のセット入力端に信号を与える。従
って、このタイマは、トルり制限がディスエンゲージさ
れた状態での自動降下中は出力を生じない。しかし、航
空機が所望の高度に降下すると、導線１００上の信号が
消滅し従って導線１６０上の信号も消滅するので、タイ
マは３秒を示すカウントを開始する。これ（ま自動降下
時に所望の高度への到達の３秒以内にトルり制限がエン
ゲージされることを配慮し、イれにより、制限されたオ
ーバトルク状態が自動降下を阻止することを許す。

第２図及び第３図で説明したように専用Ａ−ドウエアで
実施する代りに、第２図及び第３図で説明したエンジン
トルクセンサ、高度計及びコレクチブ外側ループサーボ
を例外として本発明の機能の全てはデジタル計算機の適
当なプログラミングにより実行され得あ。デジタル計算
機は米国特許第４，２７０，１６８号明細書に記載され
ている型式の一つまたは二つの計算機の形態であってよ
い。第４図のコレクチブ外側ループ計算は上記特許の第
４図の第三のオートパイロットルーチン内に説明されて
いるコレクチブ外側ループ計算サブルーチン１４０４内
で実行され得る。第５図のトルク制限ロジックは、前記
特許の第１２図の第一のオートパイロットルーチン内で
説明されているデュプレックス・オペレイジョン状態チ
ェックサブルーチン１２０３で実行されてもよいし、前
記特許の第１１図のゼロ・Ａ−トパイロットルーチン内
のデュプレックス／シンプレックス・オペレイジョン状
態チェックザブルーチン１１０４に類似のルーチンで単
一計算機で実行されてもよい。

さて第４図を参照すると、コレクチブ外側ループ計算ル
ーチン１４０４がエントリ一点１６４を通じて到達され
、ステップ１６５が、高度基準と現在の高度（１１、＋
＋により示されている）との間の差として高度誤差信号
を発生ずる。これは第２図の同期化回路７４の機能と等
価である。次いでステップ１６６が、現在の高度と先行
サイクルの高度（１１ｍｌ＋により示されている）との
間の差をデユーティサイクル八Ｔにより除算したものと
して高度レートを生ずる。これは第２図の微分器８０と
等価である。次いでステップ１６７が、次回サイクル内
で使用するため最終高度を現在の高度に更新する。ステ
ップ１６８は、比例高度利得（ＫＰａ　）と高度誤差と
の積として比例高度指令を生ずる。これは第２図内の増
幅器６８の機能である。またステップ１６９はレート利
得（ＫＲａ　）と高度レートとの積として高度指令レー
トを発生する。これは第２図内の増幅器７０と等価であ
る。

次いでテストステップ１７０が、比例高度指令が限界を
超過しているか否かを判定する。その結果が肯定的（Ｙ
）であれば、ステップ１７１が比例高度指令をかかる指
令に対する制限に等しくさせる。これは第２図中のリミ
ッタ６６と等価である。

テストステップ１７０の結果が否定的（Ｎ）であれば、
ステップ１７１はバイパスされる。次いでテストステッ
プ１７０ａが、比例高度指令が負の限界よりも小さいか
否かを判定する。その結果が肯定的であれば、ステップ
１７１ａが比例高度指令を負の限界と等しくさせる。テ
ストステップ１７０ａの結果が否定的であれば、ステッ
プ１７１ａはバイパスされる。次いでステップ １７２で、高度指令が比例高度指令と高度指令し−トと
の間の差として発生される。これは第２図中の加算点６
０と等価である。

類似の信号がトルクに関しても発生される。ステップ１
７３人で、トルク誤差信号が最大トルクと現在のエンジ
ントルク（“、　ＴＩにより示されている）との間の着
として発生される。ステップ１７４内で、現在遅れ誤差
（４４ｎ＋１により示されている）が、定数（ＫＬｌ、
第２図中のＴ１と等価）にトルク誤差と先行サイクルで
発生された遅れ誤差（ＩＩ、ＩＩにより示されている）
との間の差を乗算し、更に先行サイクルで発生された遅
れ誤差を加算したものとして発生される。これは第２図
中の遅れ回路１１２と等価である。次いでステップ１７
５内で、次回サイクル内で先行遅れ誤差として用いられ
るべき遅れ誤差が、環在すイ゛クル内で発生された遅れ
誤差に等しく更新される。ステップ１７６内で、トルク
レートが、現在サイクル内のエンジントルクと先行サイ
クル内のエンジントルクとの差をデユーティサイクルΔ
Ｔにより除算したものとして発生される。次いで、次回
サイクルに対する先行エンジントルクがステップ１７７
内で更新される。エンジントルクの遅れレート（第２図
の遅れレート回路１１６と等価）がステップ１７８内で
遅れ定数（ＫＬ２、第２図中のＴ２と等価）にトルクレ
ートと先行サイクルで発生された遅れレートとの間を乗
算し、更に先行サイクルで発生された遅れレートを加算
したものとして発生される。また、次回サイクルに対す
る先行遅れレートが５０ミリ秒毎にインクレメントされ
る。エンゲージ遅延カウンタを４０にセットすることに
より、ステップ２０１が４０回通されて、丁度２秒でカ
ウンタをゼロにデクレメントする。

これは第３図中のタイマ１４４の２秒ヒステリシスを生
ずる。次いでテストステップ２０５で、高度指令が負で
あるか否かが判定される。その結果が肯定的であれば、
ステップ１９６に進み、トルク制限がリセットされる。

他方、否定的であれば、テストステップ２０６に進み、
予期される高度誤差が負であるか否かが判定される。そ
の結果・が−肯定・的であれば、ステップ１９６に進み
、トルク制限がリセットされる。テストステップ２０５
及び２０６の否定的な結果はエンド点１９７でプログラ
ムを終了させる。もしトルク制限がエンゲージされてお
らず、しがもテストステップ１９９の肯定的結果により
自動降下が進行中であることが示されれば、ステップ２
０７に進み、エンゲージ遅延カウンタが６０にセットさ
れる。２０Ｈｚレートで、これは、エンゲージ遅延カウ
ンタがゼロに戻され得る以前に３秒を経過させ、それに
、より、トルク制限をエンゲージする以前に降下を阻止
するべくエンジンがオーバストレスされ得る３秒間を保
証する。

説明を簡単にするため、以上の実施例がコレクチブ外側
ループサーボのみに関して説明されてきた。しかし、ト
ルク制限は完全に類似の仕方で、高度安定性を与えるコ
レクチブ内側ループサーボにも応用され得る。これは、
トルク制御器（トルク誤差及びトルクレート）に対して
フェード回路を用い、且高度制御器（比例、レート及び
垂直加速信号）に対してワン・マイナス・フェード回路
を用いることにより簡単に達成され得る。これらの制御
器信号は次いで加算され、よく知られている仕方でコレ
クチブ内側ループサーボに与えられる。

本発明は種々の遅延時間で、また種々の型式のフィルタ
リング及び制限で、更に他の公知の設計特性で、個々の
応用に適するように実行され得る。

同様に、本発明をその典型式な実施例について図示し説
明してきたが、本発明の範囲内で上記及び他の種々の変
更、省略及び追加が行われ得ることは当業者により理解
されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のトルク制限付き高度制御システムの簡単
化されたブロック図である。 第２図は本発明による自動飛行制御システムのトルク制
限高度制御部分の簡単化されたブロック図である。 第３図は本発明によりトルク制限がエンゲージされるべ
きときを判定するための制御ロジックの簡単化されたブ
ロック図である。 第４図は本発明による計算機化されたトルク制限自動飛
行制御システム内でコレクチブ外側ループ指令を計算す
るための計算機ルーチンの論理流れ図である。 第５図は本発明によるトルク制限のエンゲージ及びディ
スエンゲージのための計算機ルーチンの論理流れ図であ
る。 １２・・・コレクチブ外側ループサーボ、１４・・・加
算点、１８・・・高度保持システム、２２・・・トルク
センサ、２６・・・電圧基準、３０・・・加算点、３２
・・・高利得増幅器、３４・・・ダイオード、４０・・
・加算点。 ４２．４４・・・フェード回路、４８・・・積分器、５
０・・・高度積分利得増幅器、５２・・・トルク積分利
得増幅器、５４・・・スイッチ、６０・・・加算点、６
６・・・リミッタ、６８・・・比例利得増幅器、７０・
・・レート利得増幅器、７４・・・同期化回路、７８・
・・高度計、・・・８０・・・微分器、８４・・・乗算
器、９０・・・加算点、９４．９８・・・負比較器、１
０４・・・加算点、１’０６・・・レート利得増幅器、
１０８・・・比例利得増幅器、１１６・・・遅れレート
回路、１２０・・・加算点、１２８・・・乗算器、１３
６・・・比較器、１４０・・・双安定装置。 １４２・・・アンド回路、１４４．１４６・・・タイマ
。 １５０・・・オア回路、１５４・・・負比較回路、１５
８・・・アンド回路 特許出願人　　ユナイテッド・デクノロシーズ・コーポ
レイション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ヘリコプタ用自動トルク制限高度保持システムであって
   、 現在のヘリコプタ高度を示す現在高度信号を生ずるため
   の高度手段と、 現在のエンジントルクを示す現在トルク信号を生ずるた
   めヘリコプタエンジンに応動するべく接続されたトルク
   手段と、 ヘリコプタ主ロータブレードのコレクヂブピッチを制御
   するため］レクチブ指令信号に応動するコレクチブピッ
   チサーボ手段と、 ヘリコプタエンジンの最大設計運転トルクを示す最大ト
   ルク信号を生ずるため、ヘリコプタに対する現在の所望
   の高度を示す高度誤差信号を生ずるため、前記現在高度
   信号と前記基準高度信号どの間の差を示す高度誤差信号
   を生ずるため、前記高度誤差信号の関数と前記現在高度
   信号の変化のレートの関数との間の差を示す高度指令信
   号を生ずるため、前記高度誤差信号の関数として積分コ
   レクチブ信号を生ずるため、前記最大トルク信号と前記
   現在トルク信号との間の差としてトルク誤差信号を生ず
   るため、前記トルク誤差信号の関数と前記現在トルク信
   号の変化のレートの関数との間の差を示すトルク指令信
   号を生ずるため、また前記コレクチブピッチサーボ手段
   に対して前記高度指令信号、前記積分コレクチブ信号及
   び前記トルク指令信号の和を示すコレクチブ指令信号を
   生ずるため、前記トルク手段及び前記高度手段に応動す
   るべく接続された信号処理手段と を含んでいるシステムに於て、 前記信号処理手段が、超過エンジントルク条件を示す超
   過トルク信号を生ずるため、前記超過トルク信号に応動
   してトルク制限信号を生ずるため、前記高度指令信号が
   負であるときにそれに応動して前記トルク制限信号の発
   生を断つため、前記トク制限信号の生起時に前記トルク
   指令信号のフェードアップ及び前記高度指令信号のフェ
   ードダウンを生じさせるため、前記トルク制限信号の消
   滅時に前記高度指令信号のフェードアップ及び前記トル
   ク指令信号のフェードダウンを生じさせるため、前記ト
   ルク制限信号の存在時に前記トルク誤差信号の関数に応
   動して前記積分コレクチブ信号を生ずるため、また前記
   トルク制限信号の存在時に前記高度誤差信号の関数とし
   て前記積分コレクヂブ信号を生ずるため、前記実際トル
   ク信号及び前記基準トルク信号に応動する手段を含んで
   おり、それにより前記コレクチブ外側ループサーボの制
   御が高度指令からトルク指令へ、またその逆に滑らかに
   移行し、積分コレクチブ信号が、コレクチブ外側ループ
   サーボ指令が応動する指令に応動することを特徴とする
   ヘリコプタ用自動トルク制限高度保持システム。