KR101440508B1 - Method for designing flight control law of rotor craft - Google Patents

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KR101440508B1
KR101440508B1 KR1020130040195A KR20130040195A KR101440508B1 KR 101440508 B1 KR101440508 B1 KR 101440508B1 KR 1020130040195 A KR1020130040195 A KR 1020130040195A KR 20130040195 A KR20130040195 A KR 20130040195A KR 101440508 B1 KR101440508 B1 KR 101440508B1
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rotorcraft
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김종섭
조인제
이승덕
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한국항공우주산업 주식회사
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Abstract

The purpose of the present invention is to provide a flight control law designing method of a rotor craft capable of securing the controllability in a hover area in which the visibility of the rotor craft is degraded. To achieve the purpose, the light control law designing method of the rotor craft according to the present invention comprises: a step (S100) of designating a response type for compensating to follow an orientation angle for reducing an operational stress of a pilot caused by a degraded visual field by using a control stick of the rotor craft; a step (S200) of setting a model inverse transformation control system so that a command model follows the response type designated; and a step (S300) of verifying a control gain regarding the model inverse transformation control system. The model inverse transformation control system comprises: a command model unit which copies and produce a desire response type; a feedback compensating unit which compensates a difference between the response type of a real rotor craft and the copied command model; an inverse motion model unit which copies motion characteristics inversely in the hover of the rotor craft; and a motion model unit which copies the motion characteristics inversely in the hover of the rotor craft. The feedback compensation for compensating a difference between a real response of the rotor craft and the command model is executed between the feedback compensating unit, the inverse motion model unit, and the motion model unit.

Description

회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법{METHOD FOR DESIGNING FLIGHT CONTROL LAW OF ROTOR CRAFT}METHOD FOR DESIGNING FLIGHT CONTROL LAW OF ROTOR CRAFT}

본 발명은 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법에 관한 것으로, 특히 시계가 확보되지 않은 비행 환경에서 제자리 비행시 헬리콥터의 안전성 및 비행성을 보장하기 위한 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for designing a flight control law of a rotorcraft, and more particularly, to a method for designing a flight control law of a rotorcraft for ensuring safety and flightability of a helicopter when flying in place in a flight environment where a watch is not secured.

종래의 기계식 헬리콥터는 비행 제어의 자동화가 제한적이고, 복잡한 기계 장치로 인해 정비 및 유지 보수가 어렵다. 더구나, 시계가 확보되지 않은 비행 환경에서, 제자리 비행(hovering)시, 비행성(flying quality) 저하가 발생하여 헬리콥터의 안전성 및 임무 능력을 저하시킬 수 있다. 선진 항공사에서는 이러한 문제점을 해결하고 헬리콥터의 안정성(stability) 및 비행성(flying qualities)을 보장하기 위해 고도로 발달된 디지털 제어 기술에 의한 전자식 비행 제어 시스템(digital Fly-By- Wire flight control system)을 적용하고 있다. 헬리콥터 전기식 비행 제어 시스템 기술은 미국과 프랑스의 유로콥터사가 NH-90, UH-60M 및 CH-47와 같은 군용 헬리콥터 기종에 적용하여 상용화하였고, 미국의 시콜스키사가 개발한 S-92F 헬리콥터가 민수용 헬리콥터 최초로 인증 비행 시험을 수행하고 있다. 특히, 미국은 운용중인 대다수의 군용 헬리콥터에 대해 기계식 시스템을 FBW 시스템으로 대체하는 사업을 추진하고 있다.Conventional mechanical helicopters have limited automation of flight control and are difficult to maintain and maintain due to complicated mechanical devices. Moreover, in a flight environment in which a watch is not secured, when flying in place, deterioration of flying quality may occur, thereby deteriorating the safety and mission capability of the helicopter. Advanced airlines apply digital fly-by-wire flight control systems by highly developed digital control technology to solve these problems and ensure helicopter stability and flying qualities. Doing. Helicopter electric flight control system technology has been commercialized by applying U.S. and French Eurocopters to military helicopters such as NH-90, UH-60M, and CH-47, and S-92F helicopter developed by U.S. Sikolski is a civilian helicopter. For the first time, we are conducting a certified flight test. In particular, the United States is pursuing a project to replace mechanical systems with FBW systems for the majority of military helicopters in operation.

한편, 헬리콥터 비행 제어 법칙은 1980년대 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 ADOCS (Advanced Digital Optical Control System) 프로그램을 통하여 기본적인 모델추종제어(MFC : Model Following Control) 방법을 개발하고, 개조된 UH-60A 블랙 호크(Black Hawk)에 적용하였다. ADCOS에서 개발된 모델 추종 제어 방법은 V-22 Osprey 및 RAH-66 Comanche에 적용하였으며, 나아가 AH-64 Apach, UH-60M, CH-47 Chinook 및 S-92 등 다양한 헬리콥터 FBW 비행 제어 시스템에 활용되고 있다.On the other hand, the helicopter flight control law developed a basic model following control (MFC) method through the ADOCS (Advanced Digital Optical Control System) program of the United States National Aeronautics and Space Administration (NASA) in the 1980s, and the modified UH- It was applied to a 60A Black Hawk. The model tracking control method developed by ADCOS was applied to V-22 Osprey and RAH-66 Comanche, and further utilized in various helicopter FBW flight control systems such as AH-64 Apach, UH-60M, CH-47 Chinook and S-92. have.

본 발명은 모델역변환제어(Model Inversion Control) 방법을 적용함으로써, 회전익 항공기의 시계가 저하된 제자리 비행 영역에서 조종성을 확보할 수 있는 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for designing a flight control law of a rotorcraft that can secure maneuverability in an in-flight flying zone in which the field of view of the rotorcraft is degraded by applying a model inversion control method.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법은, 상기 회전익 항공기의 시계가 저하된 제자리(hovering) 비행 영역에서, 상기 회전익 항공기의 조종간을 이용하여 저하된 시야에 따른 조종사의 조종 부담을 감소시키기 위한 자세각을 추종하도록 보상하기 위한 응답 형태를 지정하는 단계(S100)와, 지정된 상기 응답 형태를 명령 모델이 추종할 수 있도록 모델 역변환 제어 시스템을 설정하는 단계(S200)와, 설정된 상기 모델 역변환 제어 시스템에 대한 제어 이득을 검증하는 단계(S300)를 포함하되, 상기 모델 역변환 제어 시스템은, 원하는 상기 응답 형태를 모사화하여 생성하는 명령 모델부와, 실제 상기 회전익 항공기의 응답 형태와, 모사화된 상기 명령 모델 사이의 오차를 보정하는 궤환 보상부와, 상기 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 역으로 모사하는 역운동 모델부와, 상기 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 모사하는 운동 모델부를 포함하며, 상기 궤환 보상부와, 상기 역운동 모델부와, 상기 운동 모델부 사이에 상기 회전익 항공기의 실제 응답과, 상기 명령 모델 사이의 오차를 보정하기 위한 피드백 보상이 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention is performed in a flying area in which the field of view of the rotorcraft is lowered, according to a reduced field of view by using a steering wheel of the rotorcraft. Step (S100) of designating a response form for compensating to follow a posture angle for reducing the pilot's control burden, and setting a model inverse transformation control system so that a command model can follow the designated response form (S200) And, comprising the step of verifying the control gain for the set model inverse transformation control system (S300), wherein the model inverse transformation control system, a command model unit for simulating and generating the desired response form, and the actual rotorcraft Response form, a feedback compensation unit for correcting an error between the simulated command models, an inverse motion model unit for inversely simulating motion characteristics when in flight of the rotorcraft, and motion characteristics when in flight of the rotorcraft It includes a motion model unit for simulating, feedback compensation for correcting an error between the actual response of the rotorcraft and the command model between the feedback compensation unit, the inverse motion model unit, and the motion model unit It is characterized by.

또한, 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법은, 상기 피드백 보상이 상기 명령 모델에 대한 신호를 지연시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention is characterized in that the feedback compensation delays a signal for the command model.

또한, 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법은, 상기 단계(S100)에서, 상기 응답 형태가, 세로축 및 가로축에는 자세 명령 응답 형태 및 자세각 유지 응답 형태와, 방향축에는 변화율 명령 응답 형태 및 방향각 유지 응답 형태와, 고도축에는 변화율 명령 응답 형태 및 고도 유지 응답 형태를 설계하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention, in step S100, the response form is a posture command response form and a posture angle maintenance response form on a vertical axis and a horizontal axis, and a change rate command response on a direction axis It is characterized by designing a form and direction angle holding response form and a change rate command response form and an altitude holding response form on the elevation axis.

또한, 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법은, 상기 응답 형태에서, 시계가 저하된 비행 환경 시, 상기 조종성을 향상시키기 위한 PH(Position Hold) 및 TRC(Translational Rate Command)를 적용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention, in the response form, applies a PH (Position Hold) and a Translational Rate Command (TRC) to improve the maneuverability in a flight environment in which a watch is deteriorated. It is characterized by.

본 발명에 의하면, 모델역변환제어(Model Inversion Control) 방법을 적용함으로써, 회전익 항공기의 시계가 저하된 제자리 비행 영역에서 조종성을 확보할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by applying the Model Inversion Control (Model Inversion Control) method, there is an effect that can secure the maneuverability in the in-flight flight zone where the field of view of the rotorcraft is deteriorated.

도 1은 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법의 흐름을 나타내는 플로어 차트.
도 3은 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법의 모델역변환제어 개념을 나타내는 구성도.
1 is a floor chart showing the flow of a method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention.
3 is a block diagram showing the concept of model inverse transformation control of a method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The present invention can be applied to various transformations and may have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as “…unit”, “…module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to related drawings.

도 1은 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법의 흐름을 나타내는 플로어 차트이다.1 is a floor chart showing a flow of a method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법은, 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법으로서, 회전익 항공기의 시계가 저하된 제자리(hovering) 비행 영역에서, 회전익 항공기의 조종간을 이용하여 저하된 시야에 따른 조종사의 조종 부담을 감소시키기 위한 자세각을 추종하도록 보상하기 위한 응답 형태를 지정하는 단계(S100)와, 지정된 응답 형태를 명령 모델이 추종할 수 있도록 모델 역변환 제어 시스템을 설정하는 단계(S200)와, 설정된 모델 역변환 제어 시스템에 대한 제어 이득을 검증하는 단계(S300)를 포함하되, 모델 역변환 제어 시스템은, 원하는 응답 형태를 모사화하여 생성하는 명령 모델부와, 실제 회전익 항공기의 응답 형태와, 모사화된 명령 모델 사이의 오차를 보정하는 궤환 보상부와, 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 역으로 모사하는 역운동 모델부와, 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 모사하는 운동 모델부를 포함하며, 궤환 보상부와, 역운동 모델부와, 운동 모델부 사이에 회전익 항공기의 실제 응답과, 명령 모델 사이의 오차를 보정하기 위한 피드백 보상이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Referring to FIG. 1, a method for designing a flight control law for a rotorcraft according to the present invention is a method for designing a flight control law for a rotorcraft, in a hovering flight region in which the field of view of the rotorcraft is deteriorated, the steering wheel of the rotorcraft is controlled. A step (S100) of designating a response form for compensating for following a posture angle for reducing a pilot's steering burden according to the deteriorated field of view, and a model inverse transformation control system for the command model to follow the designated response form. A step (S200) of setting and a step of verifying a control gain for the set model inverse transform control system (S300), wherein the model inverse transform control system, a command model unit for simulating and generating a desired response form, and a real rotorcraft The feedback compensation unit that corrects the error between the response type of the aircraft and the simulated command model, the inverse motion model unit that inversely simulates the motion characteristics of the rotorcraft in flight, and the motion characteristics of the rotorcraft in flight It includes a simulated motion model unit, it characterized in that the feedback compensation for correcting the error between the actual response of the rotorcraft and the command model between the feedback compensation unit, the inverse motion model unit, and the motion model unit.

우선, 회전익 항공기의 응답 형태(Response Type)에 대해 설명한다.First, the response type of the rotorcraft will be described.

대부분의 헬리콥터의 응답 형태는 각속도 또는 수직 속도를 추종하는 변화율 응답 형태(rate response type)를 채택하고 있다. 이러한 제어 시스템에서 조종사가 원하는 자세각으로 추종을 하기 위해서는 조종간을 이용하여 지속적으로 보상을 해야 한다. 더구나 시계가 확보되지 않은 비행 환경(degraded visual environment)에서 지면 근처에서 제자리 비행을 할 경우, 조종사의 조종 부담을 증가시켜 조종성의 저하로 이어지며, 위험한 상황을 초래할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 예를 들면, S-33E-PRF에서는 UCE(Usable Cue Environment)에 따라 응답 형태를 요구하고 있다.
The response type of most helicopters adopts the rate response type that follows the angular velocity or vertical velocity. In such a control system, in order to follow the desired attitude angle of the pilot, it is necessary to continuously compensate using the steering wheel. Moreover, when flying in place near the ground in a degraded visual environment where the watch is not secured, the pilot's maneuvering burden is increased, leading to a decrease in maneuverability, which can lead to dangerous situations. To solve this problem, for example, the S-33E-PRF requires a response form according to UCE (Usable Cue Environment).

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다음, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법에 대해 좀더 상세히 설명한다.Next, with reference to Figure 3 will be described in more detail with respect to the flight control law design method of a rotorcraft according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법의 모델역변환제어 개념을 나타내는 구성도이다.3 is a configuration diagram showing the concept of model inverse transformation control of a method for designing a flight control law of a rotorcraft according to the present invention.

도 3을 참조하면, 모델 역변환 제어 시스템은, 원하는 응답 형태를 모사화하여 생성하는 명령 모델부(100)와, 실제 회전익 항공기의 응답 형태와, 모사화된 명령 모델 사이의 오차를 보정하는 궤환 보상부(200)와, 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 역으로 모사하는 역운동 모델(300)과, 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 모사하는 운동 모델(400)을 포함하며, 궤환 보상부와, 역운동 모델과, 운동 모델 사이에 회전익 항공기의 실제 응답과, 명령 모델 사이의 오차를 보정하기 위한 피드백 보상이 이루어진다.Referring to FIG. 3, the model inverse transformation control system compensates feedback to correct an error between a command model unit 100 that simulates and generates a desired response form, and a response form of an actual rotorcraft and a simulated command model. Includes an inverse 200, an inverse motion model (300) for simulating the motion characteristics when flying in situ of a rotorcraft aircraft, and an exercise model (400) for simulating motion characteristics when flying in situ of a rotorcraft, feedback compensation unit Wow, a feedback compensation is performed between the inverse motion model and the motion model to correct errors between the actual response of the rotorcraft and the command model.

이러한 모델 역변환 제어 시스템은 헬리콥터의 응답 특성이 저차화된 명령모델을 추종할 수 있도록 하는데 목적이 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모델 역변환 제어 시스템은, 원하는 명령을 생성하는 저차화된 명령 모델부(command model, M(s)), 외란을 억제하고 비행체를 안정화하기 위한 궤환 보상부(feedback compensation, E(s)), 역운동 모델부(inverse plant, P-1(s)) 및 운동 모델부(dynamics model, P(s))로 구성된다. 이러한 구조의 제어 시스템은 역운동 모델이 정확하게 표현될 수 있다면 헬리콥터 응답이 명령 모델을 오차 없이 추종할 수 있다. 그러나, 헬리곱터 로터 및 구동기 등과 관련된 고주파수 운동(high frequency dynamics)과 동력학적 트림 효과, 중량(weight) 및 무게 중심(center of gravity)의 효과와 같은 저주파수(low frequency) 특성을 완벽하게 상쇄시키기 어렵다.This model inverse transformation control system aims to enable a helicopter to follow a command model whose response characteristics are lowered. As shown in FIG. 3, the model inverse transformation control system includes a lowered command model (M(s)) for generating a desired command, and feedback compensation for suppressing disturbances and stabilizing the air vehicle. , E(s)), an inverse plant model (P-1(s)) and a dynamics model (P(s)). The control system of this structure allows the helicopter response to follow the command model without error if the inverse motion model can be accurately represented. However, it is difficult to perfectly cancel low frequency characteristics such as high frequency dynamics associated with helicopter rotors and actuators, and effects of dynamic trim, weight, and center of gravity.

따라서, 상술한 바와 같은 효과로 인해 발생하는 헬리콥터의 응답과 명령 모델 간의 오차를 보정하기 위해 피드백 보상을 제공한다. 또한, 고주파수 대역(high frequency band)에서 모델 추종이 용의할 수 있도록 피드백 루프에 명령 모델 신호를 지연시킨다.Accordingly, feedback compensation is provided to correct an error between the helicopter response and the command model caused by the above-described effect. In addition, the command model signal is delayed in the feedback loop so that model following is acceptable in the high frequency band.

우선, 명령 모델부(100)에 대해 설명한다.First, the instruction model unit 100 will be described.

이하, 설명하는 수식에 사용되는 변수들은 표 1을 참조하도록 한다.Hereinafter, the variables used in the described formulas will be referred to Table 1.

Figure 112013031793214-pat00001
Figure 112013031793214-pat00001

명령 모델은 사용자가 원하는 동적 응답(desired dynamic response)을 생성하는 알고리즘으로 식 (1)과 같이 저차화(low-ordered)하여 구성한다. 세로축/가로축에 적용하는 명령 모델은 2차 모델, 방향축과 고도축은 1차 모델로 구성한다. 그리고, 명령 모델의 설계 계수는 ADS-33E-PRF에 정의된 대역폭(bandwidth) 요구 조건을 만족할 수 있도록 표 2와 같이 선정한다.The command model is an algorithm that generates the desired dynamic response desired by the user, and is constructed by low-ordering as in Equation (1). The command model applied to the vertical axis/horizontal axis is composed of the secondary model, and the direction axis and the elevation axis are composed of the primary model. In addition, the design coefficient of the command model is selected as shown in Table 2 so as to satisfy the bandwidth requirements defined in the ADS-33E-PRF.

Figure 112013031793214-pat00002
... 식 (1)
Figure 112013031793214-pat00002
... Expression (1)

Figure 112013031793214-pat00003
Figure 112013031793214-pat00003

다음, 궤환 보상부(200)에 대해 설명한다.Next, the feedback compensation unit 200 will be described.

모델 역변환 제어 시스템은 역운동 모델이 정확하게 표현될 수 있다면, 명령 모델을 오차 없이 추종할 수 있다. 그러나, 헬리콥터 모델의 고주파수 및 저주파수 특성을 완벽하게 상쇄하기 어렵다. 따라서, 항공기의 응답과 명령 간의 오차를 보정하기 위해 궤환 보상부(200)의 설계가 필요하다. 궤환 보상부(200)는 식 (2)와 같이 비례-미분-적분(PID: Proportional-Integral-Derivatives) 제어기를 적용한다.The model inverse transform control system can follow the command model without error if the inverse motion model can be accurately represented. However, it is difficult to completely cancel the high and low frequency characteristics of the helicopter model. Therefore, it is necessary to design a feedback compensation unit 200 to correct an error between an aircraft response and a command. The feedback compensation unit 200 applies a Proportional-Integral-Derivatives (PID) controller as shown in Equation (2).

Figure 112013031793214-pat00004
... 식 (2)
Figure 112013031793214-pat00004
... Expression (2)

다음, 역운동 모델부(300)에 대해 설명한다.Next, the inverse motion model unit 300 will be described.

모델 역변환 제어는 이론상으로는 정확한 공력 데이터가 제공된다면 제어 이득의 스케줄링이 필요 없는 시스템이다. 본 발명에서 사용되는 역운동 모델은 비선형 시스템을 선형 시스템으로 변환하여 다음과 같이 구성한다.Model inverse transform control is a system that theoretically does not require control gain scheduling if accurate aerodynamic data is provided. The inverse motion model used in the present invention is configured as follows by converting a nonlinear system into a linear system.

동체축(body frame)에 대한 각속도와 오일러 변화율의 관계는 식 (3)과 같다.The relationship between the angular velocity and the Euler change rate for the body frame is shown in Eq. (3).

Figure 112013031793214-pat00005
... 식 (3)
Figure 112013031793214-pat00005
... Expression (3)

식 (3)을 정리하면 다음과 같이 식 (4)를 얻을 수 있다.Summarizing Eq. (3) gives Eq. (4) as follows:

Figure 112013031793214-pat00006
... 식 (4)
Figure 112013031793214-pat00006
... Expression (4)

식 (4)와 헬리콥터 동역학 모델을 활용하면 일정한 로터 속도를 가진 헬리콥터의 제어입력에 대한 역운동 모델은 식 (5)와 같이 구할 수 있다.Using equation (4) and a helicopter dynamics model, the inverse motion model for the control input of a helicopter with a constant rotor speed can be obtained as shown in equation (5).

Figure 112013031793214-pat00007
... 식 (5)
Figure 112013031793214-pat00007
... Expression (5)

다음은, 제어 법칙 평가에 대해 살펴본다.Next, the evaluation of the control law will be described.

복잡한 제어 시스템에서 제어 이득(control gain)을 설계자가 시행 착오(trial and error)를 통해 설계하는 것은 개발 기간의 증가로 개발 비용을 증가시킨다. 따라서, 본 발명에서는 제어 법칙 개발 소프트웨어인 CONDUIT(Control Designer's Unified Interface)을 제어 이득을 최적화하고 검증한다. 본 툴에서 제공하는 규격(specification)은 MIL-F-8785C를 근간으로 하는 고정익 규격서, ADS-33E-PRF을 근간으로 하는 회전익 규격서 및 제어기 설계에 공통으로 적용하는 일반적인 규격으로 구분할 수 있다. 각각의 규격은 안정도 기준(stability criteria)을 정의하는 Hard(H), 비행성(handling quality) 기준을 정의하는 Soft(S) 및 성능(performance)과 작동기 사용 기준을 정의하는 Objective(O) 제약(constraint) 등으로 구분된다. CONDUIT 최적화 과정에서 설계자로부터 설정된 제약 조건에 의해 단계적(Phase 1 ~ 3)으로 설정된 규격을 만족하는 제어 이득 최적화를 수행한다.In a complex control system, designing the control gain through the trial and error of the designer increases the development cost by increasing the development period. Therefore, in the present invention, control designer's Unified Interface (CONDUIT), which is a control law development software, optimizes and verifies the control gain. The specifications provided by this tool can be divided into fixed-wing specifications based on MIL-F-8785C, rotating-wheel specifications based on ADS-33E-PRF, and general specifications commonly applied to controller design. Each standard includes Hard(H) defining stability criteria, Soft(S) defining handling quality criteria, and Objective(O) constraints defining performance and actuator usage criteria ( constraint). In the CONDUIT optimization process, control gain optimization that satisfies the specifications set in phases (Phase 1 to 3) is performed by constraints set by the designer.

적용 규격Applicable standards

Figure 112013031793214-pat00008
Figure 112013031793214-pat00008

본 발명에서는 CONDUIT에서 제공하는 설계 규격을 적용하여 설계 계수를 최적화한다. 표 3은 제어 이득 최적화 및 해석에 적용한 규격을 나타낸다. 헬리콥터의 안정성과 관련된 안정도 여유(stability margin)와 고유값(eigenvalue) 규격은 Hard 제약 조건으로 설정하였으며, 비행성과 관련된 감쇄비(damping ratio), 대역폭(bandwidth), 외란에 대한 강건성 등의 규격은 Soft 제약 조건으로 설정한다. 그리고, 분할 주파수(crossover frequency)와 작동기 사용에 대한 규격은 Objective 제약 조건, 민첩성(agility)과 각 축의 연계(cross coupling)에 대한 규격은 Check 제약 조건으로 두어 규격의 만족 여부를 확인한다.
In the present invention, the design coefficient provided by CONDUIT is applied to optimize the design coefficient. Table 3 shows the specifications applied to control gain optimization and analysis. The stability margin and eigenvalue standard related to the stability of the helicopter were set as hard constraints, and specifications such as damping ratio, bandwidth, and robustness against disturbance related to flight performance were soft. Set it as a constraint. In addition, the specification for the crossover frequency and the use of the actuator is the objective constraint, the specification for agility and cross coupling of each axis is set as the check constraint to check whether the specification is satisfied.

최적화 결과Optimization results

표 3은 설계 계수의 CONDUIT 최적화 결과를 나타낸다. 초기에 가로축 명령 모델의 주파수를 2.0으로 설정하고 최적화를 수행한 결과, 제어 이득의 최적화만으로는 롤 신속성(roll quickness) 규격을 만족시킬 수 없다. 이에 롤축 명령 모델의 주파수를 3.0으로 증가시켜 최적화를 수행한 결과, 롤 신속성 규격을 만족시킬 수 있다. 그리고, 외란(disturbance)에 대한 강건성을 고려하지 않고 최적화를 했을 경우, 안정도 여유, 감쇄, 민첩성 등의 규격을 모두 만족시킬 수 있었으나, 외란에 취약한 제어 이득을 생성한다. 따라서, CONDUIT를 활용하여 제어 이득을 설계할 경우에는 안정도 관점에서 외란에 의한 헬리콥터 응답에 대한 규격을 도입하여 설계 계수를 최적화할 수 있다. 또한, 모델 역변환 기법을 적용하여 선형화 행렬 전체를 역변환하여 적용할 때의 이점은 대부분의 연계 효과를 별도의 제어기를 설계하지 않고서도 제거할 수 있다. 모델 추종 제어 법칙과 같은 경우에는 오차 보상기가 제어기 후반에 위치하여 역변환 모델의 결과에 보상되는 구조로 각축 간의 연계 효과를 제거하기 위해 연계 제거(decoupler) 알고리즘의 설계가 필요하다.
Table 3 shows the results of CONDUIT optimization of design factors. As a result of initially setting the frequency of the horizontal axis command model to 2.0 and performing optimization, it is impossible to satisfy the roll quickness specification only by optimizing the control gain. As a result, optimization is performed by increasing the frequency of the roll axis command model to 3.0, so that the roll speed specification can be satisfied. In addition, when optimization is performed without considering robustness against disturbance, specifications such as stability margin, attenuation, and agility can be satisfied, but control gains vulnerable to disturbance are generated. Therefore, when designing a control gain using CONDUIT, it is possible to optimize the design coefficient by introducing a specification for helicopter response due to disturbance from the viewpoint of stability. In addition, the advantage of applying the inverse transformation of the entire linearization matrix by applying the model inverse transformation technique can remove most of the linkage effects without designing a separate controller. In the case of the model tracking control law, the error compensator is located at the rear of the controller and is compensated for the result of the inverse transform model. Therefore, it is necessary to design a decoupler algorithm to remove the linkage effect between each axis.

선진 항공 업체에서는 불안정한 헬리콥터의 안정성을 확보하고 최적의 비행성을 보장하기 위해 고도로 발달된 디지털 제어 기술에 의한 전기식 비행 제어 시스템을 적용하고 있다. 본 발명에서는 모델 역변환 제어(Model Inversion Control) 방법을 적용하여 제자리 비행 영역에서 제어 법칙을 설계하고 검증한다. 설계 변수의 최적화는 상용 소프트웨어인 CONDUIT를 기반으로 ADS-33E-PRF에서 제시된 규격을 만족할 수 있는 제어 이득을 설계한다. 그리고, CONDUIT를 활용하여 정의된 규격을 평가한 결과, 제자리 비행 영역에서 ADS-33E-PRF에 명시된 조종성(HQR: Handling Quality Rating) Level 1을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
Advanced aviation companies are applying electric flight control systems by highly developed digital control technology to ensure the stability of unstable helicopters and ensure optimal flightability. In the present invention, a model inversion control method is applied to design and verify the control law in the in-situ flight region. The optimization of the design variables is based on the commercial software CONDUIT, designing a control gain that can satisfy the specifications presented in the ADS-33E-PRF. And, as a result of evaluating the defined standard using CONDUIT, it can be confirmed that the handling quality rating (HQR) Level 1 specified in the ADS-33E-PRF is satisfied in the in-flight flight area.

이상에서는 본 발명의 실시예를 예로 들어 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안되며, 이하에 기재된 특허청구범위에 의해 해석되어야 함이 자명하다.In the above, the embodiment of the present invention has been described as an example, but various changes are possible at the level of those skilled in the art. Therefore, it is obvious that the present invention should not be interpreted as being limited to the above-described examples, but should be interpreted by the claims set forth below.

100 : 명령 모델부
200 : 궤환 보상부
300 : 역운동 모델부
400 : 운동 모델부
100: command model unit
200: feedback compensation unit
300: inverse motion model
400: exercise model unit

Claims (4)

회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법으로서,
상기 회전익 항공기의 시계가 저하된 제자리(hovering) 비행 영역에서, 상기 회전익 항공기의 조종간을 이용하여 저하된 시야에 따른 조종사의 조종 부담을 감소시키기 위한 자세각을 추종하도록 보상하기 위한 응답 형태를 지정하는 단계(S100)와,
지정된 상기 응답 형태를 명령 모델이 추종할 수 있도록 모델 역변환 제어 시스템을 설정하는 단계(S200)와,
설정된 상기 모델 역변환 제어 시스템에 대한 제어 이득을 검증하는 단계(S300)를 포함하되,
상기 모델 역변환 제어 시스템은,
원하는 상기 응답 형태를 모사화하여 생성하는 명령 모델부와,
실제 상기 회전익 항공기의 응답 형태와, 모사화된 상기 명령 모델 사이의 오차를 보정하는 궤환 보상부와,
상기 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 역으로 모사하는 역운동 모델부와,
상기 회전익 항공기의 제자리 비행시 운동 특성을 모사하는 운동 모델부를 포함하며,
상기 궤환 보상부와, 상기 역운동 모델부와, 상기 운동 모델부 사이에 상기 회전익 항공기의 실제 응답과, 상기 명령 모델 사이의 오차를 보정하기 위한 피드백 보상이 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법.
As a method of designing a flight control law for a rotorcraft,
In a flight area where the field of view of the rotorcraft is deteriorated, a response form for compensating to follow a posture angle for reducing a pilot's maneuvering load according to the deteriorated field of view is determined by using the steering wheel of the rotorcraft. Step (S100), and
Setting a model inverse transformation control system so that a command model can follow the designated response form (S200);
Comprising the step of verifying the control gain for the set model inverse transformation control system (S300),
The model inverse transformation control system,
A command model unit that simulates and generates the desired response form;
A feedback compensation unit for correcting an error between the response form of the rotorcraft and the simulated command model;
An inverse motion model unit that inversely simulates motion characteristics of the rotorcraft in flight,
It includes an exercise model unit that simulates the motion characteristics when flying in place of the rotorcraft,
Flight control of the rotorcraft, characterized in that feedback compensation for correcting errors between the actual response of the rotorcraft and the command model is made between the feedback compensation unit, the inverse movement model unit, and the movement model unit. How to design the law.
제 1 항에 있어서,
상기 피드백 보상은 상기 명령 모델에 대한 신호를 지연시키는 것을 특징으로 하는 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법.
According to claim 1,
The feedback compensation is a method for designing a flight control law of a rotorcraft, characterized in that it delays the signal for the command model.
제 1 항에 있어서,
상기 단계(S100)에서,
상기 응답 형태는,
세로축 및 가로축에는 자세 명령 응답 형태 및 자세각 유지 응답 형태와,
방향축에는 변화율 명령 응답 형태 및 방향각 유지 응답 형태와,
고도축에는 변화율 명령 응답 형태 및 고도 유지 응답 형태를 설계하는 것을 특징으로 하는 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법.
According to claim 1,
In the step (S100),
The response form is
On the vertical axis and horizontal axis, the posture command response form and posture angle maintenance response form,
On the direction axis, change rate command response type and direction angle maintenance response type,
A method of designing a flight control law of a rotorcraft, characterized by designing a change rate command response type and an altitude maintenance response type on the high axis.
제 3 항에 있어서,
상기 응답 형태에서,
시계가 저하된 비행 환경 시, 조종성을 향상시키기 위한 PH(Position Hold) 및 TRC(Translational Rate Command)를 적용하는 것을 특징으로 하는 회전익 항공기의 비행 제어 법칙 설계 방법.
The method of claim 3,
In the above response form,
A flight control law design method for a rotary wing aircraft, characterized by applying a PH (Position Hold) and a TRC (Translational Rate Command) to improve maneuverability in a deteriorated flight environment.
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