JPS6040041B2 - 位置フィ−ドバック付き適応制御方法及びシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は適応制御システムに係り、特に、離散的制御
パルスに応答する被制御装置の位置の変化が測定され、
また、それに応答して次に生起する離散的制御パルスの
継続時間が変更されるシステムに係る。

本発明は被制御装置のサーボ駆動を行なうシステムのコ
ストと複雑さを減少する特徴を有する。制御信号に応答
して被制御装層の位置を調整するためのサーボ機構のよ
うな制御システムは当技術分野において良く知られてい
る。

航空機工業においては、たとえば、操縦士の操作あるい
は自動による制御システム入力に応答して方向舵、昇降
舵、副翼その他の要素の位置を正確に制御することが望
まれる。燃料制御弁、排気ノズル駆動器および可変ジオ
メトリ・ベーンのよなタービン・エンジンの種々の要素
も制御システムにより発生される制御信号に応答して位
置決めされる。従来、被制御対象が十分に速くしかも安
定に目標位置に移動されるこを保証するためには、制御
システムの機械的部分にトルク・モータおよび油圧・機
械式サーボ増幅器のような複雑なサーボ・システムを採
用することが必要であった。

これらの油圧・機械式サーボは高速でしかも安定な作動
を行なうよう内部フィードバック装置を用いており、ま
た厳密な機械的公差を不可欠とするものであった。電子
的制御システムは進歩したものの、電子的制御信号に応
答して可動的機械要素の位置を調整するための機械的シ
ステムは相変らず高価で複雑なものが用いられていた。
電子制御システムのコスト低減と能力向上についてはデ
ィジタル計算機技術および集積回路技術の利用により著
しい進歩が遂げられてきたが、この進歩は電子的制御装
置自体の技術進歩によって遂げられたものであり、それ
と組合わされて電子的信号に応答し、被制御装置の位置
を制御する機械的装置の改良は取り残されてきた。

すべての場合に、制御システムの電子的部分からの出力
によって被制御装置を駆動するためには、機械的システ
ムあるいは油圧システムを介する必要がある。制御シス
テムが一層複雑になるとともに、一層多くの機械的要素
が必要になり、コスト、寸法および重量の点でシステム
の機械的部分が制御システム全体のなかで非常に大きな
比重を占めるようになってきた。この状況は、その多く
がディジタル計算機を含む電子的制御装置の論理演算能
力を利用するようなサーボ機械システムの進歩がほとん
ど遂げられていないという事実によって一層悪化してい
る。

実際、現在の制御に使用されているサーボ機械システム
は、何年も前の比較的複雑でないアナログ制御システム
とともに使用されていたものと本質的に同じである。航
空機に使用されている現在の電子的エンジン制御装置の
多くの場合、制御システム全体のコストのなかで電子的
部分のコストは１′４に過ぎない。本発明は、制御シス
テムのサーボ機械部分のコストと複雑さと高精度の必要
性とを減少するため、電子的制御演算器の能力を十分に
利用しようという意図のもとに、制御システムのサーボ
機械部分を離散的なパルス幅制御信号により駆動する、
低コストで、しかも高速作動かつ高分解能の新規な適応
制御システムを提供するものである。

この適応制御システムによれば、サーボ機械システムと
して複雑あるいは高価なフィードバック付のものを用い
なくても、被制御装置（広範囲な負荷変動を受ける可動
的機械要素）を電気的制御信号により正しく位置決めす
ることができるので、サーボ機械部分の厳密な精度を必
要とせず、コストが低減され、設計上の制約も著しく減
少する。システムの電子的部分の複雑さをわずかに増す
だけでシステムのサーボ機械部分のコストと重量を減少
することにより、全制御システムの合計コストと複雑さ
は著しく減少される。本発明の目的は、被制御装置への
離散的制御パルスの継続時間が前回制御パルスに対する
被制御装置の応答の関数として補正される適応制御シス
テムを得ることである。

さらに本発明の目的は、電子的制御信号に応答して被制
御装置の位置決めを行なうためのサーボ機械システムと
して簡単で低コストのものが利用されてよい適応制御シ
ステムを得るこである。

本発明によれば、タービン・エンジンの排気ノズルのよ
うな可動的機械要素の目標位置と位置検出器により測定
された可動的機械要素の実際位置との間の差に応答して
、位置誤差信号が発生される。この位置誤差信号は増幅
と特性補償を行なわれる。離散的制御信号は特性補後の
誤差信号と制御ループ利得との積に比例した継続時間を
有するパルスの形で発生される。この制御信号はサーボ
駆動器あるいは他のサーボ機械システムに与えられて、
位置誤差を無くす方向に機械要素を移動させる。位置検
出器は、制御信号に応答する可動的機械要素の位置の変
化は制御信号の継続時間でけでなく、サーボ機械システ
ムの効率、可動的機械要素への負荷その他の因子によっ
ても決定されるので、可動的機械要素の位置の変化が誤
差信号と０次回離散的制御信号とに乗算される利得を調
整して適応制御を行なうものに用いられる。また本発明
によれば、制御演算器が制御信号の継続時間に応答する
可動的機械要素の位置の変化の関数としてシステムの実
際の利得を測定する。

このシステムの実際利得は最初にシステムに与えられた
定格利得と比較される。実際利得と定格利得の間に差が
存在すると、利得補正信号が発生され、この信号は制御
信号の継続時間を調整するのに用いられる。この離散的
パルスごとの継続時間の調整、したがってまた制御シス
テムの利得の調整、により制御システムのサーボ機械部
分の利得の変化と負荷からの反作用の変化は自動的に補
正されるので、複雑なサーボ機械システムを用いる必要
はなくなる。制御の機能を図解のアナログ的実施態様を
参照しつつ説明するけれども、本発明の適応制御部分は
同様にディジタル的態様により実施されてよい。

さて第１図を参照すると、本発明による適応制御システ
ムの概略が示されている。

この制御システムの心臓部は制御演算器１０であり、こ
れには線１２を経て、被制御装置１５の目標出力位置の
指標としての信号が与えられている。線１２の目標位置
信号は燃料制御装置あるいは自動操縦装置のような制御
ロジック回路（図示せず）に応答して作られても良く、
また、たとえば燃料弁の目標位置の指標であってもよい
。この制御演算器１０のディジタル計算機でもアナログ
演算回路でもよい。また制御演算器１０‘こは線１４ａ
，ｂ，ｃを経てクロツク（図示せず）からクロック・パ
ルスが与えられている。さらに、引き続いて説明するよ
うに、駆動器の目標利得の指標としての信号が線１６を
経て制御演算器１０‘こ与えられている。ディジタル計
算機が用いられている場合は、駆動器の目標利得は計算
機のなかで蓄積されてよい。被制御装置１５の実際位置
は線２０として図示されている機械的リンク仕掛を経て
ポテンシオメータのような位置検出器１８により検出さ
れる。位置検出器１８からの出力、すなわち被制御装置
１５の実際位置の指標としての信号、も信号線２２を経
て制御演算器１０に入力として与えられている。この制
御演算器は被制御装置の目標位置と実際位置の差の指標
としての誤差信号を生ずる。後で説明するように、信号
線１６の駆動器の目標利得Ｋにより最初に固定された利
得が制御演算器１０のなかで位置誤差信号にかけられ、
制御演算器はこの利得と位置誤差信号の積に等価な継続
時間を有する離散的パルスの形で制御信号を生ずる。こ
の制御信号パルスは線２４を経てサーボ駆動器２６に与
えられ、次に駆動器２６は機械的リンク仕掛３０を介し
て駆動器ピストン２８を移動させ、さらにピストン２８
は機械的結合３３を介して被制御装置１５を移動させる
。被制御装置１５の移動方向は、駆動器ピストン２８の
移動方向を制御する誤隻葦信号の符号により決定される
。後に詳記するように、制御演算器のなかで得られる位
置誤差信号は、この演算器のなかに含まれている適応ロ
ジックとともに、サーボ駆動器に対する離散的指令ある
いは制御信号を発生するために用いられる。サーボ駆動
器は駆動器ピストン２８への油圧作動油の流れを制御し
て、位置誤差信号を零にする方向にピストンを移動させ
る。第１図のシステムの電子的制御要素は離隔して設置
されてもよいし、制御システムの他の部分と一体化され
てもよい。第２図には代表的なサーボ・システムが詳細
に示されている。

引き続いて説明するように、制御演算器１０からのサー
ボ駆動器２６に与えられる制御信号入力は離散的制御パ
ルス３１および３１′であり、それぞれ線２４′および
２４ｒに現われ、それぞれＡＮＤゲート３２および３４
に与えられる。またＡＮＤゲート３２および３４には直
流電源３６から直流電力が与えられている。パルス３１
および３１′の一方のみが各クロック・サイクルの間に
発生されるので、ＡＮＤゲート３２あるいは３４の一方
のみが駆動されて、信号線２４′あるいは２４″の一方
に現われているパルスを通過させる。制御演算器１０が
被制徴装置１５の位置の増加を指令していると仮定する
と、ＡＮＤゲート３２が駆動されて、線２４′に現われ
ているパルスがそこを通過して増幅器３８に与えられる
。ＡＮＤゲート３４には同様な増幅器４０が接続されて
いる。増幅器３８からの出力はソレノィド４２を励磁し
、それによりビーム４４を所定の方向に変位させる。同
様に、増幅器４０からの出力はソレノイド４２′を励磁
し、それによりビーム４４を反対方向に変位させる。ビ
ーム４４は支点４６の周りを回動するように取り付けら
れており、ビーム４４の反対側の端に結合されているス
プール弁４８に変位を伝達する。

機械的ストッパ５０および５２は図示のようにビーム４
４の変位を制限する位置に置かれており、また、ソレノ
イド４２と４２′が共に励磁されていない時はビーム４
４をストツパ５０とストッパ５２の間のほぼ中央位置に
復帰させるよう、ばね５４および５６が用いられている
。スプール弁の二つのボート５８および６０は油圧管路
６２および６４により駆動器ピストン２８の両側に接続
されているが、ビーム４４の中央位置においてはスプー
ル弁４８が両ボートを閉塞している。

二つの油圧管路６２および６４には通路７１の絞りノズ
ル６８および７０を経て高圧の油圧供給管路６６が接続
されている。ソレノィド４２あるいは４２′の一方が励
磁されると、その鉄心の変位がビーム４４によりスプー
ル弁４８に伝達されて、ボート５８あるいは６０を開き
、作動油をドレン７２あるいは７４から排出させ、その
結果、駆動器ピストン２８に接続されている油圧管路６
２あるいは６４の油圧が低下する。こうしてピストン２
８の両側の油圧に不平衡を生ずると、ピストンは油圧差
の極性により定まる方向に油圧差とピストンの負荷と駆
動器２６のなかの摩擦と機械的可動部分の慣性との大き
の関数としての速度で移動することになる。駆動器ピス
トン２８は被制御装置１５に連結されれており、その移
動に応答して被制御装置を移動させる。ここで特記すべ
きことは、内部フィードバック装置、公差制御その他の
手段によって駆動器ピストン２８あるいは被制御装置１
５の移動量を制御しようという意図はないことである。
スプール弁４８がその中央位置にある時のスプール弁か
らドレンへの漏洩さえ重要な問題とならない。このシス
テムによればサーボ駆動器と駆動器ピストンを低コスト
な方法で製造することができる。このサーボ・システム
は基本的なオン・オフの積分動作の弁として作動する。
この制御システムはフレキシビリティに富み、また、第
３図により説明する制御演算器に含まれている制御ルー
プ・ロジックが適応性を有しているので、第２図に示さ
れているサーボ・システムを使用することもできる。駆
動器ピストン２８の移動は、機械的リンク仕掛２０を介
してそれに連結されている位置検出器１８により検出さ
れ、位置フィードバック信号が位置検出器１８から信号
線２２を経て制御演算器１川こ与えられる。

この位置検出器１８の取付個所は、その出力が被制御装
置１５の位層の関数である限りは、任意であり、第１図
に概略を示されているように被制御装置１５に直接に連
結してもよいし、第２図のように駆動器ピストンを連結
してもよい。信号線２２の実際位置信号は、第３図に示
されているように、加算結合点８川こおいて信号線１２
の目標位置信号と加算される。

その結果としての線８２の位置誤差信号は特性補償回路
８４において利得Ｋと、勤特性改善のための位相進み伝
達関数（７ｓ十１）とを掛けた形に補償される。Ｋと７
の値は、必要とする制御の良さと負荷の特性に応じて、
個々の駆動器ループごとに選定される。説明の目的で、
補償回路８４のなかの利得Ｋは信号線１６に現われてい
る駆動の目標利得Ｋと同一であると仮定する。補償され
た誤差信号は補償回路８４からの線８５を経て利得乗算
器８６に与えられる。

この乗算器の機能は後で説明するが、ここで利得をかけ
られてから、誤差信号は線８７を経てパルス幅発生器８
８に与えられる。このパルス幅発生器はトランジスタ・
スイッチから成ってよく、線８７の誤差信号の大きさに
より定まる継続時間（幅）の離散的電圧パルスを出力し
て発生する。また、このパルス幅発生器８８には線１４
ａを経てクロツク・パルスが与えられておりＬその出力
はクロツク・パルスごとに更新される。したがって、た
とえば利得乗算器８６からの制御信号が１００％であれ
ば、パルス幅発生器８８は連続的に作動し、また、利得
乗算器８６からの制御信号が５０％であれば、パルス幅
発生器８８からのパルスは繰返しサイクルの５０％の継
続時間となる。クロック・パルスの典型的な繰返しサイ
クルは約２０のＳｅｃである。利得乗算器８６からの出
力は線９０を経て符号検出回路９２にも与えられており
、この回路が誤差信号の符号を検出し、それに応じてリ
レー９４を作動させ、スイッチ９６を出力線２４′ある
いは２４″の一方に接続するように転極させる。

パルス幅発生器８８からの制御信号出力はスイッチ９６
の位置に応じて出力線２４′あるいは２４″の一方を経
てサーボ駆動器２６に与えられ、それを介して駆動器ピ
ストン２８（第２図）を各パルス・サイクルの間、移動
させる。利得乗算器８６は、位置検出器１８により測定
された前回クロック・サイクルの間の被制御装置の位置
の変化の関数としての誤差信号に、利得をかける。

この利得は信号線１２０から乗算器８６に与えられ、サ
イクルごとに更新される。この更新を可能にするため、
線１４ｃを経てクロック・パルス列を与えられているサ
ンプル・ホールド回路９８に、線２２の実際位置信号が
線９７を経て与えられる。線２２の実際位置信号は線１
０２を経て加算結合点１００１こも与えられている。サ
ンプル・ホールド回路９８は前回のクロック・パルスの
時の実際位置信号を蓄積している。次のクロック・パル
スを受けると、新しい位置データがサンプル・ホールド
回路に入力として与えられ、前回の位置デー外ま線１０
４を経て加算結合点１００に送られる。このサンプル・
ホールド回路９８は、シフト・レジスタを含んでよい。
こうして、各クロック・パルスにおいて、加算結合点１
００は線１０２を経て被制御装置の現在位置の指標とし
ての信号を受け、また、線１０４を経て前回クロック・
パルスの時の被制御装置の位置の指標としての信号を受
ける。したがって、加算結合点１００からの出力は前回
クロツク・パルスと現在のクロック・パルスの間の被制
御装置の位置の変化の指標としての信号となる。この信
号は△×として示されており、線１０６を経て除算器１
０８に与えられる。線８７に生ずる利得乗算器８６から
の出力は線１１０を経てサンプル・ホールド回路１１２
に与えられる。

このサンプル・ホールド回路はサンプル・ホールド回路
９８と同様である。クロック・パルスも線１４ｂを経て
サンプル・ホールド回路１１２に与えられている。この
サンプル・ホールド回路１１２は前回クロック・パルス
の時に生起した利得乗算器８６からの出力を蓄積する。
利得乗算器８６からの出力は、パルス幅発生器８８で作
られている制御パルスの継続時間に比例した振幅を有す
る信号である。線１４ｂに次のクロツク・パルスが与え
られると、サンプル・ホールド回路１１２は線１１４を
経て除算器１０８に、利得乗算器８６からの前回出力の
指標としての信号Ｗを与える。除算器１０８は前回サイ
クルの間の被制御装置の位置の変化△×を制御パルスの
継続時間Ｗで除算して、サーボ駆動器システムの実際利
得の指標としての信号Ｇを作る。

この利得の値は被制御装置の過渡的行き過ぎの時のよう
に負になる可能性もあるが、利得の値が負の時は制限器
１２１が零を信号することにより、線１１６には利得の
負の値が生じないようになっている。線１１６の実際利
得信号は除算器１１８に与えられ、この除算器１１８に
は線１６から駆動器の目標あるいは定格利得Ｋも与えら
れている。除算器１１８は線１６の目標あるいは定格利
得を線１１６の実際利得により除算して、線１２川こ利
得補正係数Ｋ／Ｇを生じ、これが利得乗算器８６に与え
られる。この利得補正係数は、次回の繰返しサイクルの
間、利得乗算器８６において誤差信号の利得を調節し、
それに応じてパルス幅発生器８８からの次回の離散的出
力パルスの幅を調整するのに用いられており、それによ
り駆動器ピストン２８の移動と被制御装置１５の位置変
化に作用するサーボ駆動システムの作動条件の変動にシ
ステムを適応させる。その結果、駆動器ピストン負荷、
摩擦、油圧サーボ供給圧力などの変動による利得の変化
は補正されて、駆動システムの利得は閉ループ設計条件
に合致した値となる。それにより、駆動器ピストンの負
荷特性が種々に変動しても、次回の繰返しサイクルにお
いてはループ特性の最適化を行なうことができる。もし
実際利得Ｇが目標利得Ｋに等しければ、利得乗算器８６
における補係数の乗算は行なわれない。利得乗算器８６
からの出力信号が、パルス幅発生器８８の繰返しサイク
ルに対し１００％の継続時間を有する制御パルスを生ず
るような値に制限されていることは言うまでもない。第
３図にはアナログの形態で示されているが、制御演算器
１０が適当にプログラムされたディジタル計算機の形を
とってもよいことはもちろんである。また、本発明の種
々の要素の構成と配列における種々の変更が本発明の範
囲から逸脱することなく行なわれてよいことは明らかで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による適応制御システムのブロック図形
式の概略図である。 第２図は第１図の適応制御システムのサーボ駆動器と位
置フィードバックの部分の概略図である。第３図は第１
図における制御演算器の部分の概略図である。２０…・
・・機械的リンク仕掛、２８・・・・・・駆動器ピスト
ン、３０・・・・・・機械的リンク仕掛、３３・・・・
・・機級的結合、４２，４２′・・・・・・ソレノイド
、４４・・・…ビーム、４６……支点、４８……スプー
ル弁、５０，５２・・・・・・機械的ストッパ、５４，
５６・・・・・・ばね、５８，６０……ボート、６２，
６４……油圧管路、６６・…・・油圧供給管路、６８，
７０・・・・・・絞りノズル、７１…・・・通路、７２
，７４・・・・・・ドレン、８０・…・・加算結合点、
８４・・・…特性補償回路、９４……リレー、９６……
同スイッチ、１００・・・・・・加算結合点。 宅；ノ考多・と 弓多‐夕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 位置を制御されるべき被制御要素の位置を目標位置
   信号に応答して制御する位置制御装置にして、 順次相
   続く時間を定めるクロツク信号を与えるクロツク手段と
   、 前記時間の各々に於ける前記被制御要素の実際の位
   置を示す実際位置信号を与える位置検出手段と、 或る
   作動利得を有し、前記時間の各々に於てそれに与えられ
   るパルス幅を修正された制御信号に応答して、該制御信
   号が存在する間だけ前記被制御要素の位置を連続的に変
   化させ、前記制御信号が存在しない時には前記被制御要
   素の位置を変化させないサーボ手段と、 前記時間の各
   々に於て目標位置信号と実際位置信号との差を求め、こ
   の差に当該時間に於ける利得信号を乗算することにより
   その積に比例したパルス幅を有するものとして前記サー
   ボ手段のための前記制御信号を発生し、この際前記時間
   の各々に於ける前記利得信号を、現在の実際際位置信号
   から一つ前の時間に於ける実際位置信号を減算すること
   により求めた実際位置信号の変化を一つ前の前記制御信
   号により除した値に基づいて与える作動を行う制御演算
   器と、を有することを特徴とする位置制御装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の位置制御装置にして、前記
   制御演算器は、前記時間の各々に於ける利得信号を、現
   在の実際位置信号から一つ前の時間に於ける実際位置信
   号を減算することより求めた実際位置信号の変化を一つ
   前の前記制御信号により除した値にて前記サーボ手段の
   目標利得を除した値に比例した値とする作動を行うこを
   特徴とする位置制御装置。