(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータを制御するための多重速度システムであって、
制限されたインクリメンタルコマンドを出力するインクリメンタルコマンドリミッタと、
前記制限されたインクリメンタルコマンドをフィルタリングする進相−遅相フィルタと、
フィルタ済みの前記制限されたインクリメンタルコマンドとアクチュエータからの位置フィードバック信号との比較により取得された位置エラー信号と、
前記位置エラー信号に基づいて速度コマンドを生成する増幅器と、
前記制限されたインクリメンタルコマンドに基づいてフィードフォワード速度コマンドを生成するフィードフォワード経路と、
前記速度コマンド及び前記フィードフォワード速度コマンドに基づいて速度出力信号を生成する加算器と
を含むシステム。
【請求項２】
前記多重速度システムが第１の制御システムと第２の制御システムとを備えており、前記インクリメンタルコマンドリミッタが、前記第１の制御システムからのコマンドを、前記第２の制御システムの制限されたインクリメンタルコマンドに補間する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の制御システムが第１のサンプリングレートを有しており、前記第２の制御システムが、前記第１のサンプリングレートとは異なる第２のサンプリングレートを有している、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の制御システムが、前記第２の制御システムへ第１のサンプリングレートで前記コマンドを送信し、前記第２の制御システムが前記コマンドを前記制限されたインクリメンタルコマンドに前記第２のサンプリングレートで補間する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
アクチュエータからの速度エラー信号を更に含んでおり、且つ
前記加算器が、前記フィードフォワード速度コマンド、前記速度コマンド、及び前記速度エラー信号に基づいて前記速度出力信号を生成する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
多重速度制御システムを統合する方法であって、
第１のサンプリングレートで位置コマンドを受信することと、
第２のサンプリングレートで前記位置コマンドをインクリメンタルコマンドに補間することと、
前記インクリメンタルコマンドをフィルタリングすることにより、前記インクリメンタルコマンドの高周波を減衰させることと、
フィルタ済みの前記インクリメンタルコマンドと位置フィードバック信号との比較により位置エラー信号を取得することと、
前記位置エラー信号を処理及び増幅することにより速度コマンドを生成することと、
前記インクリメンタルコマンドに基づいてフィードフォワード速度コマンドを生成することにより低周波でのフェーズロスを防止することと、
前記速度コマンドと前記フィードフォワード速度コマンドとを合算することにより速度出力信号を生成することと
を含む方法。
【請求項７】
前記インクリメンタルコマンドをフィルタリングする工程と、前記フィードフォワード速度コマンドを生成する工程とを、進相−遅相補償器によって実行する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記補間する工程が、
前記位置コマンドと、直前の位置コマンドとの差分を算出することと、
前記差分を、前記第１のサンプリングレートと前記第２のサンプリングレートとの比に応じたインクリメントに分割することと、
前記インクリメントを前記直前の位置コマンドに加算することにより、前記第２のサンプリングレートで第１のサイクルのインクリメンタル位置信号を取得することと、
後続のサイクルの各々について、次の位置コマンドが受信されるまで、第２のサンプリングレートで前記インクリメンタル位置信号に前記インクリメントを加算することとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
速度エラー信号を受信することを更に含み、且つ
前記合算する工程が、前記速度コマンド、前記速度エラー信号、及びフィードフォワード速度コマンドを合算することにより出力信号を生成することを含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
複数の制御システム間においてコマンドを修正するアップサンプラーであって、
第１の制御システムからの第１の位置コマンドと第２の位置コマンドとの差分を計算する手段と、
前記差分を、前記第１の制御システムの第１のサンプリングレートと、第２の制御システムの前記第２のサンプリングレートとの比に応じたインクリメンタルコマンドに分割する手段と、
前記インクリメンタルコマンドを前記第１の位置コマンドに加えることにより、前記第２のサンプリングレートで第１のサイクルのインクリメンタル位置信号を取得する手段と、
第３の位置コマンドが受信されるまで、前記第２のサンプリングレートで後続の各サイクルについて前記インクリメンタル位置信号に前記インクリメンタルコマンドを加える手段と
を含むアップサンプラー。
【請求項１１】
前記第１の制御システムが、前記第１のサンプリングレートで前記第２の制御システムに前記第１の位置コマンドを送信し、前記第２の制御システム要素が、前記第２のサンプリングレートで前記コマンドを前記インクリメンタル位置信号に補間し、且つ前記第２のサンプリングレートが前記第１のサンプリングレートの整数倍である、請求項１０に記載のアップサンプラー。
【請求項１２】
アップサンプラーが前記第２の制御システムの制御ループに統合されており、前記第２の制御システムの前記制御ループが、前記インクリメンタル位置信号を使用して物理的デバイスを制御する、請求項１０に記載のアップサンプラー。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
今日の多くのシステム、特に複雑なアビオニックスシステムでは、一部の確立された技術を新規の技術と組み合わせて新規システムを作製する。一般に、既知の技術を使用する方が、一から何かを完成させるよりずっと経済的である。技術の再利用は、技術リソースを節約してシステムの他の部品を更にうまく使用することができ、多くの場合製品の市販化を早める。技術の再利用により、同様の目的のために既に認定済みである部品はそれ程多くの試験サイクルによる検証を通常必要としないので、試験及び検証に掛かる時間とリソースが節約される。
【０００２】
フィードバック制御システムは、閉ループフライトコントロールシステム及びその他の産業的又は商業的製品に広く使用されている。幾つかの周知のフィードバック制御システムは、進相−遅相補償器及びＰＩＤ、又は比例積分微分フィードバック制御ループを含む。進相−遅相補償器及びＰＩＤフィードバック制御ループは、物理的システム安定化の分野において周知である。
【０００３】
フライトコントロールシステムは、時に異なる製造者によるシステムコンポーネントを含み、これらのコンポーネントは組み合わされて新規システムを形成する。設計仕様及びパラメータのいくらか異なるシステムコンポーネントは、新規システムに統合されると望ましくない挙動を示す可能性がある。例えば、マスターコンピュータから閉ループフライトコントロールシステムに送信されるコマンドのサンプリング周波数は、プラットフォームに所望の空力性能を達成するためにパイロット又はマスターコンピュータが十分な時間的粒度を有するように選択された第１の周波数に設計される。しかしながら、閉ループフライトコントロールシステムは、高速度飛行の間に、更に細かい時間的粒度で操縦翼面を素早く調節するように設計された一層高い第２の周波数で動作することができる。
【０００４】
コマンドがマスターコンピュータによって第１の周波数で送信されると、閉ループフライトコントロールシステムは、マスターコンピュータのコマンドに従って飛行操縦翼面を閉ループフライトコントロールシステムの第２の周波数で素早く調節する。閉ループフライトコントロールシステムが、マスターコンピュータより高い周波数又は速いサンプリングレートで動作しているとき、閉ループフライトコントロールシステムはコマンドとコマンドの間で任意の回数のサイクルを待たなければならない。これにより、マスターコンピュータからのコマンドに応答して、電気機械閉ループフライトコントロールシステムは起動と停止を周期的に繰返す。このような起動と停止の挙動は、プラットフォーム上で「ジャックハンマー」のように動作し、マスターコンピュータからのコマンドの第１の周波数で構造モードを作動させ、これによりフライトコントロールシステムは望ましくない挙動を呈する。
【０００５】
起動と停止を繰返す挙動により作動される望ましくない挙動は、飛行操縦翼面に送られる高電流スパイクの生成である。コマンドが受け取られると、高速の閉ループフライトコントロールシステムが直ちに飛行操縦翼面を作動させ、続いてＰＩＤフィードバックループが作動して操縦翼面をコマンド中に示される値に安定させようとする。閉ループフライトコントロールシステムによるこのような作動は、閉ループフライトコントロールシステムの高いスルーレート−サンプリングレートで起こる。これにより、操縦翼面上に負荷が掛かっている場合もいない場合も、長いスルーでフル電流コマンドが生じる可能性がある。
【０００６】
電流スパイクの後には、飛行操縦翼面による使用電流が低い谷が続く。このような高電流スパイクの要求と、それに続く低電流要求の谷との繰り返しは、電流スパイクに給電するためにパワー系統の大型化を必要とし、システム間の配線を重装備にする必要もあるので、パワーの観点から非効率的である。このような電流スパイクは飛行操縦翼面に歪みを生じさせる。例えば、閉ループフライトコントロールシステムにより操作される典型的なコマンドに関連付けられる電流スパイクは、飛行操縦翼面に最大の負荷を生成しうる。高い負荷は、コンポーネントの寿命を短縮させ、メンテナンスを増やす必要を生じ、整備と整備の飛行回数を減らす。
【０００７】
起動と停止を繰返す挙動により生じる別の望ましくない挙動は、進相−遅相又はＰＩＤフィードバックループが、閉ループフライトコントロールシステムの特定の帯域幅の周波数を過ぎると、所望の４０ｄＢ／デカードのロールオフを示さないことである。これにより、閉ループフライトコントロールシステムが不安定になる可能性が生じる。起動と停止を繰返す挙動を減衰しようとすると、通常、システムを更に不安定にしうる位相変化が増加する。例えば、コマンド経路上のバイカッドフィルタを使用してコマンド自体を平滑化することができるが、これにより許容不能なフェーズロスが生じうる。
【発明の概要】
【０００８】
提示されるのは、非線形フィルタリングと線形フィルタリングとの組み合わせを使用して多重速度システムを統合するためのシステムと方法である。一実施形態では、外側ループからの低周波コマンドを、内側ループ内の高周波制御へと非線形的に平滑化する方法が提示される。非線形アップサンプラーは、線形フィリルタリングの適用により特定の帯域幅の周波数を超えるコマンドを減衰し、それにより、内側ループ内の制御が、コマンドに対する高周波減衰を犠牲にすることなく外部じょう乱に対する耐性を付与することを可能にする。非限定的な例示的実施形態では、一のアルゴリズムにより、サンプリングレートの低いマスターコンピュータシステムからのコマンドを高いレートでサンプリングし、フライトアクチュエータ用の閉ループ制御システムにおいて高レートでサンプル制御を行う。幾つかの実施形態では、本システム及び方法により、閉ループ制御システムの特定の帯域幅の周波数を超えたところで、４０ｄＢデカードのゲインで滑らか且つ迅速な運転が提供され、フライトコントロールシステムの安定性マージンにとって重大となる周波数においてフェーズロスが低減される。
【０００９】
一実施形態では、アクチュエータを制御するための多重速度システムは、第１の制御システムのコマンドを第２の制御システム用の制限されたインクリメンタルコマンドに変化させるインクリメンタルコマンドリミッタ、制限されたインクリメンタルコマンドをフィルタリングすることにより高周波を減衰する進相−遅相フィルタ、及び低周波のレート出力信号のフェーズロスを低減するフィードフォワード経路を含んでいる。
【００１０】
一実施形態では、アップサンプラーは、第１の制御システムからの位置信号間の差異を計算する手段と、第１の制御システムと第２の制御システムとのサンプリングレートの比に基づいて、前記差異をインクリメンタル位置信号に分割し、第１の制御システムから次の位置信号が受信されるまで、第２の制御システムのサンプリングレートで、前記インクリメンタル位置信号を各サイクルの位置信号に加算する手段とを含んでいる。
【００１１】
記載される特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成されるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これら実施形態の更なる詳細は、後述の説明及び添付図面に見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付図面は、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械的フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するシステム及び方法の種々の実施形態を示している。以下に各図について簡単に説明する。図の同じ参照番号は同一の要素又は類似の機能を有する要素を示している。加えて、参照番号の一番左の番号は、その参照番号が最初に示された図の番号を示している。
【図１】図１は、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の一実施形態におけるフライトコントロールシステムを示している。
【図２ａ】図２ａは、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の一実施形態における、統合されたアップサンプラーとフィルタとを有する位置／速度閉ループコントローラの概略図である。
【図２ｂ】図２ｂは、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の一実施形態における、統合されたアップサンプラーとフィルタとを有する位置／速度閉ループコントローラを示している。
【図３】図３は、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の一実施形態における、アップサンプラーの伝達関数の応答と位置コマンドの位相とを示すグラフである。
【図４】図４は、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の一実施形態における、閉ループ制御システムの位置コマンドに対応するアップサンプラーの瞬時電流応答を示すグラフである。
【図５】図５は、統合されたアップサンプラーとフィルタとを使用して電気機械フライトアクチュエーション用の多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の一実施形態における、閉ループ制御システムの例示的な複数の位置コマンドに対応する電流応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
後述の詳細な説明は、説明的な性質のみを有しており、本発明の実施形態、又は、そのような実施形態の用途及び使用を制限することを意図していない。更に、明示、暗示の区別を問わず、前述の背景技術、発明の概要、又は後述の詳細な説明において提示されるいかなる理論にも拘束されることを意図していない。
【００１４】
図１は、例示的なフライトコントロールシステム１００を示している。フライトコントロールシステム１００は、エルロンのような飛行操縦翼面１０４を有する航空機のようなビークル１０２から構成されており、飛行操縦翼面１０４の位置は電気機械アクチュエータのようなアクチュエータ１０６によって制御されている。アクチュエータ１０６又は飛行操縦翼面１０４は、位置／速度フィードバックセンサ１０８、例えばアクチュエータ１０６に接続された回転センサと通信する。位置／速度フィードバックセンサ１０８により、フライトコントロールシステム１００は、正確な位置、角回転、及び飛行操縦翼面１０４の速度を知ることができる。マスターコンピュータ１１０は、フライトアクチュエータコントローラ、即ちＦＡＣ１１４に対し、特定の位置又は角回転に飛行操縦翼面１０４を再配置するように命令するコマンド信号１１２を送信する。ＦＡＣ１１４は、通常はアビオニクスベイ１１６に位置し、飛行操縦翼面１０４を動かすためにアクチュエータ１０６にアクチュエーション信号１１８を送信する。幾つかの実施形態では、アクチュエーション信号１１８は、飛行操縦翼面１０４を作動させるためにアクチュエータ１０６に電流を供給する別のデバイスへの電流又は信号である。フィードバック信号１２０は、位置／速度フィードバックセンサ１０８からＦＡＣ１１４へと戻る。
【００１５】
フライトコントロールシステム１００では、第１のサンプルレート又は周波数で飛行関連コマンドを発行するマスターコンピュータ１１０と、第２のサンプルレート又は高周波数で動作するフライトアクチュエーションシステム、即ちＦＡＣ１１４を有することができる。例えば、マスターコンピュータ１１０からフライトコントロールシステム、即ちＦＡＣ１１４へ送信されるコマンドのサンプリング周波数は、パイロット及びマスターコンピュータ１１０が、プラットフォーム、又はビークル１０２に所望の空力性能を達成するために十分な時間的粒度を有するように選択された第１の周波数に設計することができる。しかしながら、ＦＡＣ１１４は、高速飛行の間に非常に細かい時間的粒度で操縦翼面１０４を迅速に調整できるように設計された第１の周波数よりずっと高い第２の周波数で動作することができる。
【００１６】
マスターコンピュータ１１０とＦＡＣ１１４という二つのシステムコンポーネント間におけるサンプルレート、又は周波数の差異により、望ましくない挙動が生じうる。例えば、マスターコンピュータ１１０が５０Ｈｚで動作する場合、マスターコンピュータ１１０は、フライトアクチュエータコントローラ、即ちＦＡＣ１１４に対し、アクチュエータ１０４の位置を更新するコマンド信号１１２を、一秒間に５０回送信する。しかしながら、ＦＡＣ１１４が２０００Ｈｚで動作する場合、ＦＡＣ１１４はフライトアクチュエータ１０４を２０００Ｈｚで動作させる。サンプルレート、又は周波数の間のこのような差異により、ＦＡＣ１１４からは、コマンド信号１１２は、マスターコンピュータ１１０から送信される、４０サイクルの間隔を空けた一連の段階式位置コマンドと捉えられる。つまり、ＦＡＣ１１４は、第１のコマンド信号１１２を捉えた後４０サイクル（２０００Ｈｚ／５０Ｈｚ）の間は、コマンド信号１１２の変化により操縦翼面の位置の変化を見ることはない。ＦＡＣ１１４は、変化を有する次のコマンド信号１１２を捉えると、飛行操縦翼面１０４の位置を直ちに変更し、次いで４０サイクルの間、次のコマンド信号１１２を待つ。
【００１７】
２０００Ｈｚのサンプル間の最大のインクリメントは速度制限／２０００である。しかし、この場合は速度制限／５０を使用している。したがって、ＦＡＣ１１４の応答は、マスターコンピュータ１１０が所望する速度の４０倍の速度で行われる。５０Ｈｚのフレームの最初の０．００６秒間のこのような高速のコマンドは、ジャーキング及びフル電流コマンドを引き起こす。アクチュエータ１０６の応答はジャーキングであり、次いで安定化させる方向に位置速度エラーが生じ、アクチュエーショントルクが停止する。したがって、急進、減速、急進、減速という動きが５０Ｈｚで生じる。これは、８Ｈｚの帯域幅のアクチュエーションシステムから５０Ｈｚのジャックハンマー様の挙動を効果的に生じさせる。
【００１８】
アップサンプラーの前に、ジャックハンマー様運動を減衰させるために多くの方法が試みられたが、それらの方法は、マスターコンピュータ１１０の安定性マージンが極めて限界に近い場合、１〜２ｈｚの周波数で位相を増加させた。例えば、コマンド経路上のバイカッドフィルタは「ジャーク」を滑らかにしたが、１〜２ｈｚで、マスターコンピュータ１１０が許容しえない予測不能なフェーズロスを引き起こした。５０Ｈｚの位置コマンドから５０ｈｚの速度コマンドにＦＡＣ１１４のコマンドを変更することにより、ジャックハンマー様運動は排除されるが、マスターコンピュータ１１０は位置ループを閉じる必要があり、完成したマスターコンピュータソフトウェアのオーバーホールに費用が掛かりすぎ、数年にも及ぶ修理と認可を要し、且つ位置ループを閉じるＦＡＣ１１４よりロバスト性が低い。したがって、ジャックハンマー様運動を排除し、低周波でのフェーズロスを低減し、負荷下での迅速な応答を保存する方法が必要とされた。アップサンプラー２０２、２０４、２０６はこの解決方法を提供する。
【００１９】
図２ａは、統合されたアップサンプラー２０２、２０４、２０６を有する位置／速度閉ループコントローラ２００の概略図である。アップサンプラー２０２、２０４、２０６は、三つの主要な要素、即ち、インクリメンタルコマンドリミッタ２０２、制限されたインクリメンタルコマンドの進相−遅相フィルタ２０４、及びフィードフォワード経路２０６から構成されている。
【００２０】
位置／速度閉ループコントローラ２００は、別のコントローラからコマンド信号１１２を受信するもので、例えばマスターコンピュータ１１０から位置コマンド２１２を受信する。インクリメンタルコマンドリミッタ２０２は、位置コマンド２１２を、位置／速度閉ループコントローラ２００のサンプリングレートに補間し、制限されたインクリメンタルコマンドの進相−遅相フィルタ２０４に、制限されたインクリメンタルコマンドを供給する。
【００２１】
進相−遅相フィルタ２０４は、（例えば、システムの特定の帯域幅より大きい）位置コマンド２１２の高周波成分を減衰させるために、制限されたインクリメンタルコマンド２２２を形づくる。フィードフォワード経路２０６は、（例えば２Ｈｚ未満の）低周波でフェーズロスを低減させるフィードフォワード速度コマンド２２６を生成する。進相−遅相フィルタ２０４とフィードフォワード経路２０６は、協働して、位置／速度閉ループコントローラ２００の制御ループの進相−遅相補償を行うので、進相−遅相補償器と呼ばれることもある。アップサンプラーステート２０１は、微分器、又は加算器２０５に電流状態を戻し、この一部は制限されたインクリメンタルコマンド２２２を最大許容コマンドに制限するために使用される。制限されたインクリメンタルコマンド２０４の進相−遅相フィルタに含まれる加算器２０７は、フィルタ済みのインクリメンタルコマンド信号を生成する。微分器、又は加算器２０９は、フィルタ済みのインクリメンタルコマンド信号２２５を位置フィードバック信号２２８と比較することにより位置エラー信号２２７を取得し、位置エラー信号は増幅器２１３によって処理及び増幅されて速度コマンド２３２を生成する。加算器２１１は、速度コマンド２３２を、フィードフォワード速度コマンド２２６及び速度フィードバック２３０と組み合わせることにより、速度出力信号２０５を生成する。電力増幅器２１５は、速度出力信号２０５に基づいて、アクチュエータ１０６を作動させるための、パルス幅が調節された電流を生成する。一又は複数の楕円フィルタ、バイカッドフィルタ、又は低域フィルタ２２４は、位置／速度フィードバックセンサ１０８からの位置／速度信号の雑音の減衰を助ける。
【００２２】
図２ｂは、位置／速度閉ループコントローラ２００を更に詳細に示し、追加的特徴を説明している。インクリメンタルコマンドリミッタ２０２は、マスターコンピュータ１１０から最後に受信したコマンド２１２のアップサンプラー状態２１４を区別することにより、極性を持たない絶対値を有する差分２０８を生成する。この差分２０８は、マスターコンピュータ１１０からの目的の速度コマンド２１２を超えないインクリメントに制限される。速度が小さい場合、一の非限定的な実施例では、鈍い動きを回避するために、０．０００１単位と示されているバイアス２１６が加算される。補間回路２２０は、マスターコンピュータ１１０のサンプルレート（５０Ｈｚ）とＦＡＣ１１４のサンプルレート（２０００Ｈｚ）の比（５０／２０００、又は０．０２５という単位で示す）に従って、差分２０８をもっと小さなインクリメンタルな変化に分割する。図示のシステムはＦＡＣ１１４を有し、このＦＡＣ１１４のサンプルレートはコンピュータ１１０の整数倍であるが、他の比を使用してもよい。幾つかの実施形態では、１と、二つのシステム間の実際の比との間の数値の比を使用することができる。幾つかの実施形態では、線形補間、対数補間及びその他の非線形補間方式を利用して、本開示内容から逸脱せずにインクリメンタルな変化を生成することができる。
【００２３】
ＦＡＣ１１４の各サイクルについて、インクリメンタルコマンド２２２が各サイクルに差分２０８と０．０２５との積を加算することにより、インクリメンタルコマンド２２２は、４０サイクル後に、マスターコンピュータによって送信されたコマンド２１２と等しい位置値を有することになる。デルタアッパーイールド、即ちＤＵＹ２１０は、インクリメンタルコマンド２２２が最大許容位置変化を超えることを防ぐことが必要である場合、極性を持たないクリッパ２１３がインクリメンタルコマンド２２２をクリップするために使用する基準値を供給する。再極性器２２１は、インクリメンタルコマンドの正又は負の極性を復元し、極性を持たないクリッパ２１３と共同して、制限されたインクリメンタルコマンド２２３を生成する。
【００２４】
幾つかの実施形態では、増幅器２０３は、速度コマンドに最小有効ビット（ＬＳＢ）のチャタリングが導入されることを防ぐヒステリシス関数２１５を含んでいる。幾つかの実施形態では、増幅器２０３又は電力増幅器２１５のクリッパ２１７によって、速度コマンドが、アクチュエータ１０６又はビークル１０２のその他の構造に過大な応力を生成しうる振幅を超えることが防止される。幾つかの実施形態では、電力増幅器２１５は速度−パルス幅変調コンバータ２１９に対する速度を含んでいる。
【００２５】
図３は、位置コマンドから位置応答への伝達関数応答３００を示している。アップサンプラーの伝達関数応答３０４は、アップサンプラーが無い場合の伝達関数応答３０２を上回る大きな改善を示している。アップサンプラーが無い場合の伝達関数応答３０２は、ジャックハンマー様動作が観察される８Ｈｚの周波数３０６の近くで許容下界３１０に抵触し、一方、高周波では、許容上界３０８に接近する。アップサンプラーを使用した場合の伝達関数応答３０４は、すべての周波数について許容下界３１０と許容上界３０８との間にあり、高周波では大きく改善されたロールオフも示す。位相のグラフ３２０では、アップサンプラーを使用した場合の伝達関数応答３０４は、低周波数において改善された位相特性も示す。
【００２６】
図４は、一連の位置コマンド４１０の間の、アップサンプラーの瞬時位置応答４００と、アップサンプラーの瞬時電流応答４２０とを示す図である。図示のように、一連の位置コマンド４１０の間に、アップサンプラーが無い場合の位置応答４０２は急速に加速するが、最終位置コマンド４１０のレベルに達するには比較的長時間を要している。アップサンプラーを使用した場合の位置応答４０４は、所望の応答勾配４０６に沿ってもっと滑らかに加速し、アップサンプラーが無い場合の位置応答４０２よりも早く最終位置コマンド４１０のレベルに到達する。
【００２７】
図示のように、一連の位置コマンド４１０の間に、アップサンプラーが無い場合の電流４１２は、まずアクチュエータ１０４を加速させると上昇と下降を繰り返し、次いで落ち着く。ある時点で、アップサンプラーが無い場合の電流４１２はクリップすることさえあり、これは最大量の電流がアクチュエータ１０４に印加されていることを意味している。対照的に、アップサンプラーを使用した場合の電流４１４は、アクチュエータ１０４に印加される電力量がもっと緩やかに変化することを示している。
【００２８】
アップラサンプラーの瞬時位置応答４００と、アップサンプラーの瞬時電流応答４２０とは、アップサンプラー２０２、２０４、２０６を使用した場合の滑らかな応答と、それとは対照的な、アップサンプラーが無い場合の「進行−停止」を繰返す性質を示している。更に、アップサンプラー２０２、２０４、２０６が無い場合、システムには大量の瞬時電流が利用できなければならず、これは、アクチュエータ１０４に電力供給するのに必要な電源のサイズがアップサンプラー２０２、２０４、２０６によって縮小可能であることを意味している。更に、アップサンプラーが無い場合の電流４１２は、アクチュエータ１０４を減速させるために反対の電流が必要であるとき、電力が浪費されることを示している。
【００２９】
瞬時電流のこのような振動は、図５のアップサンプラーの位置応答５００、アップサンプラーの電流応答５２０、及びアップサンプラーのパルス幅５４０に示されている。図４と同様に、アップサンプラー位置応答５００では、一連の位置コマンド４１０に応答して、アップサンプラーを用いた場合の位置応答４０４は位置コマンドのレベルに到達し、一方アップサンプラーが無い場合の位置応答４０２は遅延する。アップサンプラー電流応答５２０では、応答曲線は、アップサンプラーを用いた場合の電流を示す滑らかな応答曲線４１４と、アップサンプラーが無い場合の電流を示す振動する応答曲線４１２とを示している。アップサンプラーのパルス幅５４０は、アクチュエータ１０４の対応するパルス幅変調を示している。
【００３０】
本発明の幾つかの実施形態はフライトコントロールシステム１００を目的としているが、上述の方法論及びシステムは、一般の統合型多重速度制御システムにも適用可能である。例えば、アップサンプラー２０２、２０４、２０６、又はアップサンプラー２０２、２０４、２０６の一部は、一の製造プロセスに含まれる二つのコントローラが異なるサンプリングレートを使用するとき、製造工場における産業用制御システムに取り込むことができる。
【００３１】
図面に示し、且つ上述した本発明の実施形態は、特許請求の範囲において創造可能な多数の実施形態の一例である。統合されたアップサンプラーとフィルタとを用いて多重速度システムを統合するためのシステム及び方法の他の多数の構成が、開示された方式を利用して創造可能である。出願人は、本明細書に基づいて発行される特許の範囲が特許請求の範囲によってのみ規定されることを意図している。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
アクチュエータを制御するための多重速度システムであって、
制限されたインクリメンタルコマンドを出力するインクリメンタルコマンドリミッタと、
前記制限されたインクリメンタルコマンドをフィルタリングする進相−遅相フィルタと、
アクチュエータからの位置エラー信号と、
前記制限されたインクリメンタルコマンド及び前記位置エラー信号に基づいて速度コマンドを生成する第１の加算器と、
前記制限されたインクリメンタルコマンドに基づいてフィードフォワード速度コマンドを生成するフィードフォワード経路と、
前記速度コマンド及び前記フィードフォワード速度コマンドに基づいて速度出力信号を生成する第２の加算器と
を含むシステム。
（態様２）
前記多重速度システムが第１の制御システムと第２の制御システムとを備えており、前記インクリメンタルコマンドリミッタが、前記第１の制御システムからのコマンドを、前記第２の制御システムの制限されたインクリメンタルコマンドに補間する、態様１に記載のシステム。
（態様３）
前記第１の制御システムが第１のサンプリングレートを有しており、前記第２の制御システムが、前記第１のサンプリングレートとは異なる第２のサンプリングレートを有している、態様２に記載のシステム。
（態様４）
前記第１の制御システムが、前記第２の制御システムへ第１のサンプリングレートで前記コマンドを送信し、前記第２の制御システムが前記コマンドを前記制限されたインクリメンタルコマンドに前記第２のサンプリングレートで補間する、態様３に記載のシステム。
（態様５）
前記第２のサンプリングレートが前記第１のサンプリングレートの整数倍である、態様３に記載のシステム。
（態様６）
前記進相−遅相フィルタが、高周波を減衰させるために、前記制限されたインクリメンタルコマンドを形づくる、態様１に記載のシステム。
（態様７）
前記フィードフォワード速度コマンドが、前記速度出力信号のフェーズエラーを低周波で低減させる、態様１に記載のシステム。
（態様８）
アクチュエータからの速度エラー信号を更に含んでおり、且つ
前記第２の加算器が、前記フィードフォワード速度コマンド、前記速度コマンド、及び前記速度エラー信号に基づいて前記速度出力信号を生成する、
態様１に記載のシステム。
（態様９）
アクチュエータからの前記速度エラー信号に含まれる雑音を減衰させる低域フィルタと、
アクチュエータからの前記位置エラー信号に含まれる雑音を減衰させる低域フィルタと
を更に含んでいる、態様８に記載のシステム。
（態様１０）
前記速度出力信号を、アクチュエータを作動させるパルス幅変調電流に変換する増幅器
を更に含んでいる、態様１に記載のシステム。
（態様１１）
多重速度制御システムを統合する方法であって、
第１のサンプリングレートでコマンド位置信号を受信することと、
第２のサンプリングレートで前記コマンド位置信号をインクリメンタルコマンド位置信号に補間することと、
前記インクリメンタルコマンド位置信号をフィルタリングすることにより、前記インクリメンタルコマンド位置信号の高周波を減衰させることと、
位置エラー信号と前記インクリメンタルコマンド位置信号とを合算することにより速度コマンドを生成することと、
前記インクリメンタルコマンド位置信号に基づいてフィードフォワード速度コマンドを生成することにより低周波でのフェーズロスを防止することと、
前記速度コマンドと前記フィードフォワード速度コマンドとを合算することにより速度出力信号を生成することと
を含む方法。
（態様１２）
前記インクリメンタルコマンド位置信号をフィルタリングする工程と、前記フィードフォワード速度コマンドを生成する工程とを、進相−遅相補償器によって実行する、態様１１に記載の方法。
（態様１３）
前記補間する工程が、
前記コマンド位置信号と、直前のコマンド位置信号との差分を算出することと、
前記差分を、前記第１のサンプリングレートと前記第２のサンプリングレートとの比に応じたインクリメントに分割することと、
前記インクリメントを前記直前のコマンド位置信号に加算することにより、前記第２のサンプリングレートで第１のサイクルの前記インクリメンタルコマンド位置信号を取得することと、
後続のサイクルの各々について、次のコマンド位置信号が受信されるまで、第２のサンプリングレートで前記インクリメンタルコマンド位置信号に前記インクリメントを加算することと
を含む、態様１１に記載の方法。
（態様１４）
速度エラー信号を受信することを更に含み、且つ
前記合算する工程が、前記速度コマンド、前記速度エラー信号、及びフィードフォワード速度コマンドを合算することにより出力信号を生成することを含む、
態様１１に記載の方法。
（態様１５）
前記速度エラー信号をフィルタリングすることにより、前記速度エラー信号の雑音を減衰させることと、
前記位置エラー信号をフィルタリングすることにより、前記位置エラー信号の雑音を減衰させることと
を更に含む、態様１４に記載の方法。
（態様１６）
前記速度出力信号をパルス幅変調電流に変換すること
を更に含む、態様１１に記載の方法。
（態様１７）
前記パルス幅変調電流を、多重速度制御システムに関連付けられたアクチュエータに印加すること
を更に含む、態様１６に記載の方法。
（態様１８）
複数の制御システム間においてコマンドを修正するアップサンプラーであって、
第１の制御システムからの第１のコマンド位置信号と第２のコマンド位置信号との差分を計算する手段と、
前記差分を、前記第１の制御システムの第１のサンプリングレートと、第２の制御システムの前記第２のサンプリングレートとの比に応じたインクリメンタルコマンドに分割する手段と、
前記インクリメンタルコマンドを前記第１のコマンド位置信号に加えることにより、前記第２のサンプリングレートで第１のサイクルのインクリメンタル位置信号を取得する手段と、
第３のコマンド位置信号が受信されるまで、前記第２のサンプリングレートで後続の各サイクルについて前記インクリメンタル位置信号に前記インクリメンタルコマンドを加える手段と
を含むアップサンプラー。
（態様１９）
前記第１の制御システムが、前記第１のサンプリングレートで前記第２の制御システムに前記第１のコマンド位置信号を送信し、前記第２の制御システム要素が、前記第２のサンプリングレートで前記コマンドを前記インクリメンタル位置信号に補間し、且つ前記第２のサンプリングレートが前記第１のサンプリングレートの整数倍である、態様１８に記載のアップサンプラー。
（態様２０）
アップサンプラーが前記第２の制御システムの制御ループに統合されており、前記第２の制御システムの前記制御ループが、前記インクリメンタル位置信号を使用して物理的デバイスを制御する、態様１８に記載のアップサンプラー。
【符号の説明】
【００３２】
１００    フライトコントロールシステム
１０４    飛行操縦翼面
１０６    アクチュエータ
１０８    位置／速度フィードバックセンサ
１１０    マスターコンピュータ
１１４    フライトアクチュエータコントローラ（ＦＡＣ）
１１６    アビオニクスベイ
１１８    アクチュエーション信号
１２０    フィードバック信号
２００    位置／速度閉ループコントローラ
２０１    アップサンプラーステート
２０２    インクリメンタルコマンドリミッタ（アップサンプラー）
２０４    進相−遅相フィルタ（アップサンプラー）
２０６    フィードフォワード経路（アップサンプラー）
２０３、２１３    増幅器
２０５    加算器、速度出力信号
２０７、２０９、２１１    加算器
２０８    差分
２１０    デルタアッパーイールド（ＤＵＹ）
２１２    位置コマンド
２１４    アップサンプラー状態
２１５    電力増幅器
２１６    バイアス
２１７    クリッパ
２１９    速度−パルス幅変調コンバータ
２２０    補間回路
２２１    再極性器
２２２    インクリメンタルコマンド
２２３    制限されたインクリメンタルコマンド
２２４    低域フィルタ
２２５    フィルタ済みのインクリメンタルコマンド信号
２２６    フィードフォワード速度コマンド
２２７    位置エラー信号
２２８    位置フィードバック信号
２３０    速度フィードバック
２３２    速度コマンド
３００    位置コマンドから位置応答への伝達関数応答
３０２    アップサンプラーが無い場合の伝達関数応答
３０４    アップサンプラーの伝達関数応答
３０６    ジャックハンマー様動作が観察される周波数
３０８    許容上界
３１０    許容下界
３２０    位相のグラフ
４００    アップサンプラーの瞬時位置応答
４０２    アップサンプラーが無い場合の位置応答
４０４    アップサンプラーを使用した場合の位置応答
４０６    所望の応答勾配
４１０    最終位置コマンド
４１２    アップサンプラーが無い場合の電流
４１４    アップサンプラーを使用した場合の電流
４２０    アップサンプラーの瞬時電流応答
５００    アップサンプラーの位置応答
５２０    アップサンプラーの電流応答
５４０    アップサンプラーのパルス幅
【図１】
0005825953.tif 000002
【図２ａ】
0005825953.tif 000003
【図２ｂ】
0005825953.tif 000004
【図３】
0005825953.tif 000005
【図４】
0005825953.tif 000006
【図５】
0005825953.tif 000007