(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体に取り付けた油圧アクチュエータにより操作される航空機の舵面操作を、目標値と舵面の制御量とが一致するように操作量を出力する補償器を備えたコントローラにより制御するサーボ制御システムにおいて、
油圧アクチュエータ及び舵面を以下の式で与えられる固有振動数の変動を生じるモデルとして規定した制御対象と、
制御対象の固有振動数のある定めた範囲の変動を、舵面等価質量と、舵面剛性、油圧等価剛性、機体取付剛性のうち油圧等価剛性及び機体取付剛性を無視して舵面剛性のみのパラメータ変動として扱う手段と、
制御対象が前記範囲内で変動してもロバスト安定であるようにロバスト制御手法により設計された線形補償器とを備えることを特徴とする航空機舵面のサーボ制御システム。
【数６】
0003620907.tif 000008
ただし、ωｎは固有振動数、Ｍは舵面等価質量、Ｋ１は舵面剛性、Ｋｏは油圧等価剛性、Ｋｃは機体取付剛性である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は航空機の舵面のサーボ制御システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の航空機の舵面操作の制御システムとして、例えば特開平３−１２７０７号公報によって、図８に示すようなものが提案されている。
【０００３】
これは、制御対象の固有振動数が変動しても安定した制御特性が得られるように、適応機構（適応制御）により制御対象の固有振動数を同定し、この固有振動数と合致するように補償器の係数を変更し、常に制御対象の固有振動数域でのゲイン余裕を確保するもので、固有振動数を同定するアルゴリズムにはＦＦＴ、ＰＳＤを利用している。
【０００４】
一般に制御におけるゲインを大きくすると応答性が良好となる反面、ゲインが大きくなる周波数域では共振が発生しやすいなど、制御システムは不安定になりやすい。制御対象の固有振動数域での共振を回避するため、例えばノッチフィルタにより特定の周波数域でのゲインを低め、安定性を確保することが考えられるが、航空機の舵面操作のように、制御対象の固有振動数が変動する場合には、この変動に伴ってノッチフィルタよる補償が無効となり、固有振動数が変動しても常に制御の安定性を維持できるというわけにはいかない。
【０００５】
そこで、上記した制御システムでは、制御対象の入出力データのパワースペクトル密度から、制御対象の周波数応答を推定することにより、制御対象の固有振動数を同定し、この固有振動数と合致するようにデジタルフィルタの係数列を設定して、常に最適なフィルタ効果を確保し、この結果、固有振動数が変動しても、その固有振動数域においてのゲイン余裕を確保し、常に安定した制御特性を維持することを可能にした。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この制御システムでは適応機構を利用して、制御対象の変動する固有振動数を同定するため、コントローラへの実装が必ずしも容易ではないという問題があった。
【０００７】
つまり、コントローラには固有振動数同定のための適応機構として非線形特性が要求され、また、適応機構では制御対象のモデルを変動要素に応じて絶えず修正する必要があり、また変動があまり速いと追従できない。
【０００８】
そこで本発明は、制御対象の固有振動数がある範囲で変動しても常に安定した制御特性が得られると共に、実装が容易なコントローラを実現することの可能な航空機舵面のサーボ制御システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、機体に取り付けた油圧アクチュエータにより操作される航空機の舵面操作を、目標値と舵面の制御量とが一致するように操作量を出力する補償器を備えたコントローラにより制御するサーボ制御システムにおいて、油圧アクチュエータ及び舵面を以下の式で与えられる固有振動数の変動を生じるモデルとして規定した制御対象と、制御対象の固有振動数のある定めた範囲の変動を、舵面等価質量と、舵面剛性、油圧等価剛性、機体取付剛性のうち油圧等価剛性及び機体取付剛性を無視して舵面剛性のみのパラメータ変動として扱う手段と、制御対象が前記範囲内で変動してもロバスト安定であるようにロバスト制御手法により設計された線形補償器とを備えることを特徴とする航空機舵面のサーボ制御システム。
【数７】
0003620907.tif 000002
ただし、ωｎは固有振動数、Ｍは舵面等価質量、Ｋ１は舵面剛性、Ｋｏは油圧等価剛性、Ｋｃは機体取付剛性である。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、線形補償器はＨ２制御、Ｈ∞制御、μ制御手法により設計される。
【００１１】
【作用】
本発明においては、例えば制御対象であるノミナルモデルが、ある範囲で変動してもロバスト安定であるように、固有振動数の変動を舵面等価質量、舵面剛性のパラメータ変動として扱い、ロバスト制御手法により設計された線形補償器を備えるため、実際の制御対象の固有振動数が所定の範囲内で変動しても、常に安定した制御特性が維持される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の態様を図面にしたがって説明する。
【００１３】
図１は制御系のブロック図、図２は制御対象の構成図であり、まず、図２において、１は後述するコントローラからの信号で作動するサーボ弁、２はサーボ弁１により制御される作動油に応じて作動する油圧アクチュエータである。油圧アクチュエータ２は機体８に取付けられると共に、その伸縮作動により舵面５の舵角を操作する。これら油圧アクチュエータ２及び舵面５は、後述するように固有振動数の変動を生じるモデル化された制御対象を構成する。３はアクチュエータ２の変位量を検出する検出器３である。
【００１４】
なお、図中のＫ１は舵面５の概略の剛性、Ｍは同じく舵面５の概略等価質量、Ｋ０はアクチュエータ２の概略の油圧等価剛性、Ｋｃはアクチュエータ２の機体８への取付剛性をそれぞれ表す。
【００１５】
本発明では、ロバスト制御の手法としてＨ２制御を利用し、上記した舵面等価質量と舵面剛性の２つのパラメータが制御対象の固有振動数の変動に大きく関与することに着目し、実際の制御対象の固有振動数の変動を、これら舵面等価質量と舵面剛性のパラメータ変動として扱うことに特徴がある。
【００１６】
図１の制御系において、コントローラ１０は、制御対象Ｐ’を制御するための目標値ｒが入力すると共に制御対象Ｐ’の出力（制御量）ｙがフィードバックされる加算器１３と、これらの偏差ｅを解消するように操作量ｕを出力する補償器１４とから構成される。また、Ｐは制御対象Ｐ’の数学モデルとしてのノミナルモデル、また、Δａは制御対象Ｐ’がノミナルモデルＰから変動するとしたときの加法変動であり、このΔａに上記した舵面等価質量と舵面剛性のパラメータ変動を含ませる。
【００１７】
図３は、図１をもとに、これを一般化プラントとして表したもので、ここで、ＷｓとＷｔは設計重みで、ｚ１とｚ２は、それぞれ偏差ｅと操作量ｕに設計重みをつけた量を表す。
【００１８】
Ｗｔを大きくするとロバスト安定性が高くなり、Ｗｓを大きくすると制御系の応答性が高くなる。しかし、これらＷｔとＷｓはトレードオフの関係にあり、ロバスト安定性と応答性を同時に高くすることはできない。したがって、これらの設計重みを不必要に大きくしないようにすることが重要となる。
【００１９】
図４は舵面等価質量と舵面剛性のパラメータ変動をある一定の範囲に定めたときの加法変動Δａの一例であるが、Ｗｔの具体的な設定方法として、ＷｔがΔａを覆い、かつモデル変動の影響の少ない部分ではなるべく小さくなるように、図の点線で示すような特性に設定する。
【００２０】
そこで、公知のＨ２制御の設計手法に基づいて、次の評価関数
【００２１】
【数１】
0003620907.tif 000003
【００２２】
を最小とする補償器Ｋを求める。なお、このＨ２制御に関しては、次の参考文献１，２に詳細に記載されているので、ここでは説明しない。
【００２３】
＊参考文献１：美多勉「Ｈ∞制御」昭晃堂  ６〜１２頁、１４１〜１４７頁
＊参考文献２：ＴｈｅＭａｔｈＷｏｒｋｓＩｎｃ「ロバストコントロールツールボックスユーザーズガイド」サイバネットシステム株式会社  ３５〜３７頁
以上の制御により、次のような作用を生じる。
【００２４】
図２において、制御対象の固有振動数ωｎとすると、
【００２５】
【数２】
0003620907.tif 000004
【００２６】
として表すことができる。このことから、制御対象の固有振動数ωｎの変動は、舵面等価質量Ｍ、舵面剛性Ｋ１、油圧等価剛性Ｋ０、機体取付剛性Ｋｃの４つのパラメータ変動で表すことができる。
【００２７】
Ｋｃは剛性が高く、ωｎの変動への影響は少なく、また、制御系はフィードバック制御をとることにより、Ｋ０が変動する影響はある程度抑えることができるので、Ｋ０の変動はＭ，Ｋ１に比較すると、ωｎの変動に及ぼす影響が小さい。これらのことから、制御対象の固有振動数ωｎの変動を、舵面等価質量Ｍと舵面剛性Ｋ１のパラメータ変動に限って扱っても、信頼性は確保できる。
【００２８】
そこで、ＭとＫ１のパラメータ変動を表す加法変動Δａによって固有振動数の変動を表すことができる。
【００２９】
図５はロバスト安定性についての説明のために、図１を変形したもので、この図５において、ａからｂの伝達関数が、次式、つまり
【００３０】
【数３】
0003620907.tif 000005
【００３１】
を満たすとき、スモールゲイン定理によりロバスト安定である。また、図４において、
【００３２】
【数４】
0003620907.tif 000006
【００３３】
となる関数Ｗｔを用いた次式、すなわち
【００３４】
【数５】
0003620907.tif 000007
【００３５】
を満たすことができれば、第３式が成立するので、ロバスト安定の条件となる。したがって、この第５式を満足させる補償器Ｋは、Δａの変動に対してロバスト安定である。
【００３６】
以上のことから、ノミナルモデルＰがΔａの範囲で変動してもロバスト安定であるように設計重みＷｔを設定し、Ｈ２制御の設計手法により線形の補償器Ｋとして、実際の制御対象の固有振動数がΔａで制約される範囲内で変動しても安定した制御特性が得られる。
【００３７】
さらに、設計重みＷｓを調整することでロバスト安定性を保ちながら、制御系を高応答化することができる。なお、ロバスト安定性については、前記した参考文献１に詳細に記載されているので、説明は省略する。
【００３８】
次に図６の実施の態様を説明すると、これはモデルの変動の表現方法として、加法変動Δａの代わりに、乗法変動Δｍを採用したものであり、この場合にも加法変動Δａのときと同じような作用、効果を生じる。
【００３９】
同じく図７は、フィードバック型変動Δｆを用いた実施の態様であり、この場合も同様である。
【００４０】
なお、補償器Ｋの設計手法としては、Ｈ２制御の他にＨ∞制御、μ制御などのロバスト制御の手法が利用できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、制御対象の固有振動数の変動要素として、舵面等価質量と舵面剛性を用い、固有振動数のある定めた範囲の変動に対して常に安定となるロバスト制御設計された線形補償器を備えるので、非線形な適応機構（適応制御）が必要なく、コントローラへの実装が容易となる一方、線形補償器は逐次演算で実現できるので、コントローラのリアルタイム処理が容易となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の態様を示す制御系のブロック図である。
【図２】制御対象の構成図である。
【図３】図１の内容を一般化プラントにより表したブロック図である。
【図４】加法変動Δａと設計重みＷｔとの関係を示す説明図である。
【図５】加法変動Δａのロバスト安定性を示すために図１の内容を変形して表したブロック図である。
【図６】他の実施の態様の要部を示すブロック図である。
【図７】さらに他の実施の態様の要部を示すブロック図である。
【図８】従来の制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
２  サーボ弁
３  油圧アクチュエータ
４  舵面
１０  コントローラ
１３  加算器
１４  補償器
Δａ  加法変動
Ｐ  ノミナルモデル
【図１】
0003620907.tif 000009
【図２】
0003620907.tif 000010
【図３】
0003620907.tif 000011
【図４】
0003620907.tif 000012
【図５】
0003620907.tif 000013
【図６】
0003620907.tif 000014
【図７】
0003620907.tif 000015
【図８】
0003620907.tif 000016