JP5771893B2 - Turbulence suppression control method - Google Patents
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Description
本発明は、自機の運動の状態を取得できる航空機が、自機の前にある乱気流の風速・風向データをも取得できる場合に、乱気流による垂直加速度を抑制する技術に関する。 The present invention relates to a technique for suppressing vertical acceleration caused by turbulence when an aircraft capable of acquiring the state of motion of the aircraft can also acquire wind speed and direction data of turbulence in front of the aircraft.
最近の日本における大型航空機の事故の大半は乱気流が原因とされ、より安全な航空機運航の実現には、乱気流による突然の揺れを防止する制御技術、すなわち外乱である乱気流の事前情報を何らかの方法で取得し、その情報を有効利用することで乱気流による航空機の揺れを抑制する制御(以下では、これを乱気流抑制制御と称す)が必要である。その制御アルゴリズムは、従来からいくつかの提案がなされている。例えば、特許文献1には「望ましくない横向き運動を減少するための方向舵修正コマンドを生成する方法およびシステム」が提示されている。この発明の目的は、乱気流および突風によって引起こされる横からの荷重および狂いを減少させることによって飛行機の望ましくない横向き運動を減少させることにあり、そのために、乱気流および突風によって引起こされる、飛行機の垂直安定板での有効力を軽減するように飛行機の方向舵コマンドを変化させる方向舵修正コマンドが生成される構成を採っている。より特定的には、垂直安定板の両側で差圧が測定され、ロールレートおよびヨーレート補償される方向舵偏向値を生成するのに用いられる。補償された偏向値は、飛行機のダッチロール周波数の25%である折点周波数で高域フィルタ処理される。結果は、第2の方向舵偏向値に減算的に合成される第1の方向舵偏向値である。第2の方向舵偏向値は、飛行機のヨーダンパによって生成される慣性横滑り角度比率値を利得調節し、かつ低域フィルタ処理することによって引出される。また、特許文献2である「航空機の上流の乱気流を予測して測定するためのシステム」の発明の目的は、ライダーを使用してシステムに関して前進位相している、気流作動面の、飛行制御システムによる作動を可能にするに十分な距離にある航空機の前方の風速を測定することにある。この発明は、航空機の上流の乱気流を予め測定し、該航空機に搭載されて配置されたシステムに関し、このシステムは、前記航空機の前部に向けて光ビームを送信し、かつ散乱された光ビームを受信するための、例えば、紫外線ライダーのような、ライダーと、制御手段と関連付けられた直接検出デバイスと、第1内部補正アルゴリズムを使用する第1処理素子と、少なくとも1つの航空機制御面のアクチュエータに実行できる命令を送信する第2外部補正アルゴリズムを使用する第2処理素子と、を含むことを特徴とするシステムである。 Most recent large-scale aircraft accidents in Japan are caused by turbulence, and in order to realize safer aircraft operation, control technology that prevents sudden fluctuations due to turbulence, that is, prior information on turbulence, which is a disturbance, is somehow used. Control that suppresses aircraft shake due to turbulence by acquiring and effectively using the information (hereinafter referred to as turbulence suppression control) is required. There have been some proposals for the control algorithm. For example, Patent Document 1 proposes “a method and system for generating a rudder correction command for reducing undesirable lateral movement”. It is an object of the present invention to reduce undesirable lateral movement of an airplane by reducing side loads and upsets caused by turbulence and gusts, and therefore, for airplanes caused by turbulence and gusts. The configuration is such that a rudder correction command is generated that changes the rudder command of the airplane so as to reduce the effective force on the vertical stabilizer. More specifically, the differential pressure is measured on both sides of the vertical stabilizer and used to produce a rudder deflection value that is compensated for roll rate and yaw rate. The compensated deflection value is high pass filtered with a corner frequency that is 25% of the airplane's Dutch roll frequency. The result is a first rudder deflection value that is subtractively synthesized with the second rudder deflection value. The second rudder deflection value is derived by gain adjusting and low-pass filtering the inertia skid angle ratio value generated by the aircraft yaw damper. Further, an object of the invention of “a system for predicting and measuring turbulence upstream of an aircraft”, which is Patent Document 2, is an airflow working surface flight control system that uses a rider and is in a forward phase with respect to the system. The purpose is to measure the wind speed in front of the aircraft at a sufficient distance to allow operation by. The present invention relates to a system that pre-measures turbulence upstream of an aircraft and is mounted on the aircraft, the system transmitting a light beam toward the front of the aircraft, and a scattered light beam A direct detection device associated with the control means, a first processing element using a first internal correction algorithm, and at least one aircraft control surface actuator And a second processing element that uses a second external correction algorithm to transmit instructions that can be executed.
特許文献3には、飛行中、出会う少なくとも1つの垂直乱気流の航空機、特に、輸送機に対する影響を、特に効果的に軽減できる方法を提示する「航空機に対する垂直乱気流の影響を軽減するための方法と装置」が開示されている。この発明が提示する方法は、飛行中、以下の一連の連続する工程、
a) 航空機の外側の風の垂直構成要素が航空機の現在の位置で決定され、
b) この風の垂直構成要素により、航空機の外側の垂直乱気流に関する激しさのレベルが上記の現在の位置で決定され、
c) 上記の風の垂直構成要素により、少なくとも1つの制御指令が、航空機の揚力に作用できる少なくとも1つの制御可能な可動部材に対し計算され、この制御指令が、垂直乱気流により航空機に生じる負荷因子の大きさを減少することのできるものであり、
d) 少なくとも上記の激しさのレベルに依存する作動状態が実現しているかどうか確認するため照合がなされ、
e) 上記の作動状態が実現していれば、上記の制御指令が上記の制御可能な可動部材の少なくとも1つの作動器に伝達される、
が自動的および繰り返し実施されるというものである。
In US Pat. No. 6,057,049, a method for reducing the influence of vertical turbulence on an aircraft is presented, which presents a method that can particularly effectively reduce the influence of at least one vertical turbulence encountered in flight on an aircraft, in particular a transport aircraft. An apparatus "is disclosed. The method presented by the invention comprises the following series of sequential steps during flight:
a) The vertical component of the wind outside the aircraft is determined at the current location of the aircraft,
b) This wind vertical component determines the intensity level for vertical turbulence outside the aircraft at the current position above,
c) With the wind vertical component described above, at least one control command is calculated for at least one controllable movable member capable of acting on the lift of the aircraft, and this control command is a load factor caused to the aircraft by vertical turbulence. That can reduce the size of
d) A check is made to see if an operating condition that depends at least on the level of severity is achieved,
e) If the above operating state is realized, the control command is transmitted to at least one actuator of the controllable movable member;
Is performed automatically and repeatedly.
特許文献4に開示されている「航空機の動的構造負荷の最小化」の目的は、その名称の通り航空機の動的構造負荷の効果的な最小化を提供することである。この発明は、外部励振によって航空機に対して導入される航空機の動的構造負荷を最小化する方法を提供するものであり、前記外部励振を示す信号を生成するステップと、航空機に対して導入される動的構造負荷を低減するように、先行制御ルールに従って、前記励振を示す信号から、航空機の制御要素を駆動するための先行制御信号を導出するステップと、前記先行制御の実績を示す誤差信号を生成するステップと、動的構造負荷を最小化するように、前記誤差信号および/または前記励振を示す信号によって先行制御ルールを最適化するステップとを含むものである。 The purpose of “minimizing the dynamic structural load of the aircraft” disclosed in US Pat. No. 6,057,086 is to provide effective minimization of the dynamic structural load of the aircraft as the name suggests. The present invention provides a method for minimizing the dynamic structural load of an aircraft introduced to an aircraft by external excitation, the method of generating a signal indicative of the external excitation, and introduced to the aircraft Deriving a preceding control signal for driving an aircraft control element from the signal indicating the excitation according to a preceding control rule so as to reduce a dynamic structural load, and an error signal indicating a result of the preceding control And optimizing a predecessor control rule with the error signal and / or a signal indicative of the excitation so as to minimize the dynamic structural load.
しかし、これら従来の乱気流による航空機の揺れを抑制する制御アルゴリズムは、せいぜいシステムの不確かさのみを考慮した問題に対する制御アルゴリズムまでであって、多くはそれすら考慮しない問題に対する制御アルゴリズムであった。更に進んだ外乱の事前情報データに対する観測誤差およびシステムの状態データに対する観測誤差を考慮した制御アルゴリズムは現在まで提案されていない。しかし、これらの観測値には、必ず観測誤差が含まれ、観測誤差を含まない観測を行うことは不可能である。また、これらの観測誤差を考慮した制御を行わないと、乱気流の影響を悪化させる、すなわち乱気流の揺れを増幅させる制御が加えられる可能性もあり、実システムに適用する場合には、これらの観測誤差およびシステムの不確かさを考慮したアルゴリズムが強く求められるところである。 However, these conventional control algorithms for suppressing the swaying of the aircraft due to turbulent air flow are, at best, control algorithms for problems that only consider the uncertainty of the system, and many are control algorithms for problems that do not even take into account. A control algorithm that takes into account the observation error for the advanced information data of the advanced disturbance and the observation error for the state data of the system has not been proposed so far. However, these observation values always include observation errors, and it is impossible to perform observations that do not include observation errors. In addition, if the control considering these observation errors is not performed, there is a possibility that the influence of the turbulence will be exacerbated, that is, the control for amplifying the turbulence fluctuation may be added. There is a strong need for algorithms that take into account errors and system uncertainties.
本発明の課題は、背景技術において指摘した二つの観測誤差、すなわち事前乱気流の観測誤差および自機の運動の状態観測誤差、およびシステムの不確かさを考慮した乱気流抑制制御を行うために、これらの誤差または不確かさの影響をすべて考慮し、これらがもっとも悪く影響し合った場合にも、遭遇する乱気流の影響を最小にする制御を行うアルゴリズムを開発し、提供することにある。 The object of the present invention is to perform two turbulence suppression controls in consideration of the two observation errors pointed out in the background art, that is, the observation error of the prior turbulence and the state observation error of the own aircraft, and the uncertainty of the system. The goal is to develop and provide an algorithm that takes into account all the effects of errors or uncertainties and provides control that minimizes the effects of turbulence encountered even when they affect each other worst.
本発明の乱気流抑制制御方法は、連続時間の航空機の線形運動方程式を離散化したシステムを制御対象とし、舵面を動かすアクチュエータや推力変化をもたらすエンジン等の動特性の離散時間システムとしてこれらの結合システムが与えられるものとし、システムのモデリング誤差に対するロバスト性(頑強性)を確保するために制御入力端に[式1]で示される不確かな無駄時間を有する遅れシステムを用い、事前乱気流情報の観測誤差に対するロバスト性を確保するために[式2]に示されるあらかじめ想定された誤差幅を用いた事前乱気流情報を用い、さらに自機の運動の状態の観測誤差に対するロバスト性を確保するために[式3]に示されるあらかじめ想定された誤差幅を用いた機体運動状態を用い、機体の運動に関する状態および入力についての制約条件下において、評価関数を最適化し、得られた最適入力時系列のうち、最初のデータを実際の入力として加え、次のステップでは、新たに得られた乱気流情報および機体運動に関する情報を用いて、再度最適化問題を解き、得られた最適入力時系列の最初のデータを実際の入力として加え、これを毎ステップ繰り返すことを特徴とする。
また、機械運動に関する状態量の観測誤差を加え、本発明の乱気流抑制制御方法は、上記の観測誤差および不確かさのすべての組み合わせに対して共通の入力時系列を求める定式化を行うものとした。 Further, by adding an observation error of a state quantity related to mechanical motion, the turbulence suppression control method of the present invention performs a formulation for obtaining a common input time series for all combinations of the above-described observation error and uncertainty. .
本発明を用いる場合の効果は従来技術と比較して以下のとおりである。The effects of using the present invention are as follows in comparison with the prior art.
1)事前乱気流の観測誤差があったとしても、想定範囲内ならば実際の乱気流を受けた場合の運動の影響は最適化の結果得られる評価関数値以下である。1) Even if there is an observation error of prior turbulence, if it is within the assumed range, the influence of the motion when receiving actual turbulence is below the evaluation function value obtained as a result of optimization.
2)自機の運動の状態の観測誤差があったとしても、想定範囲内ならば実際の乱気流を受けた場合の運動の影響は最適化の結果得られる評価関数値以下である。2) Even if there is an observation error in the state of motion of the aircraft, the effect of the motion when receiving actual turbulence is within the expected function value if it is within the assumed range.
3)搭載システムに不確かな遅れがある場合にも、想定範囲内ならば実際の乱気流を受けた場合の運動の影響は最適化の結果得られる評価関数値以下である。3) Even if there is an uncertain delay in the on-board system, the effect of motion when subjected to actual turbulence is within the assumed range and is below the evaluation function value obtained as a result of optimization.
4)エレベータ等の制御入力の駆動範囲および入力レートリミットを超えない制御入力が得られるため、これらの制御入力の飽和およびレートリミットによる機体運動の不安定化は生じない。4) Since a control input that does not exceed the drive input range and input rate limit of the control input such as an elevator can be obtained, the body motion does not become unstable due to the saturation of the control input and the rate limit.
図1に本発明の概念図を示す。本発明の制御方法では飛行中の航空機は何らかの方法により乱気流の風速・風向データ(Vg で表現)が取得でき、また、航空機の運動に関わる情報(V, θ, etc. で表現)も取得できるものとし、このような場合に、制御を行わないと気流の影響をまともに受けた動きが発生するが、その動きを押さえた動きにするような制御入力コマンドを、乱気流情報の観測誤差、機体運動の観測誤差および機体運動モデルの不確かさに対してロバスト(頑強)であるように生成する制御方法が本発明の基本構想である。 FIG. 1 shows a conceptual diagram of the present invention. According to the control method of the present invention, a flying aircraft can acquire turbulent wind speed / direction data (expressed in Vg) by any method, and can also acquire information related to aircraft motion (expressed in V, θ, etc.). In such a case, if the control is not performed, a motion that is affected by the airflow will occur, but a control input command that suppresses the motion will be sent to the turbulence information observation error, the aircraft The basic concept of the present invention is a control method that is generated so as to be robust against motion observation errors and airframe motion model uncertainty.
本発明の第1の特徴点は、システムのモデリング誤差に対するロバスト性(頑強性)を確保するために制御入力端に不確かな無駄時間を有する遅れシステムを用い、事前乱気流情報の観測誤差に対するロバスト性を確保するためにあらかじめ想定された誤差幅を用いた事前乱気流情報を用い、さらに自機の運動の状態の観測誤差に対するロバスト性を確保するためにあらかじめ想定された誤差幅を用いた機体運動状態を用いた点にある。The first feature of the present invention is to use a delay system having an uncertain dead time at the control input end in order to ensure robustness (robustness) with respect to a modeling error of the system, and to be robust against an observation error of prior turbulence information. Aircraft motion state using pre-estimated error width to ensure robustness against observation error of the state of motion of own aircraft, using prior turbulence information using error width assumed in advance to ensure It is in the point using.
第2の特徴点は、上記の観測誤差および不確かさのすべての組み合わせに対して共通の入力時系列を求める定式化を行った点にある。The second feature point is that a formulation for obtaining a common input time series for all combinations of the above-described observation error and uncertainty is performed.
今、航空機の定常飛行状態からの微小運動を考える。その微小運動を表す機体運動モデルが離散時間システムで与えられるとする。ただし、これは通常与えられる連続時間システムを搭載計算機の周期TNow, let us consider micromotion from the steady flight state of an aircraft. It is assumed that a body motion model representing the minute motion is given by a discrete time system. However, this is usually given a continuous time system and the period T of the computer
ss
[s]により零次ホールドによる離散化したシステムでよい。また、エレベータ(昇降舵)等のアクチュエータシステムも同様にして、離散時間システムとして与えられるとする。これも、通常与えられる連続時間システムを搭載計算機の周期TIt may be a discretized system with zero-order hold by [s]. Similarly, an actuator system such as an elevator (elevator) is provided as a discrete time system. This is also usually given a continuous time system, the period T of the computer
ss
[s]により零次ホールドによる離散化したシステムでよい。このとき、これらを結合したシステムが下記により与えられるとする。It may be a discretized system with zero-order hold by [s]. At this time, it is assumed that a system combining them is given by the following.
ここで、xWhere x
kk
はkステップにおける結合システムの状態、w Is the state of the coupled system in k steps, w
kk
はkステップにおける乱気流入力、u Is the turbulence input in k steps, u
kk
はkステップにおけるエレベータ等の制御入力、z Is the control input of the elevator etc. in k steps, z
kk
はkステップにおける上下加速度の定常値からの変動を表す。さらに,u Represents the fluctuation from the steady value of the vertical acceleration in k steps. U
kk
を1ステップ前の入力 u Input one step before u
k-1k-1
とその差分Δu And the difference Δu
kk
に分解し、u Decomposed into u
kk
=u= U
k-1k-1
+Δu+ Δu
kk
と表現する。 It expresses.
さらに、エレベータ等の制御入力デバイスによる入力が加えられる制御入力端において、TFurthermore, at the control input end to which input by a control input device such as an elevator is applied, T
dd
∈[T ∈ [T
dmindmin
,T, T
dmaxdmax
]と不確定な遅れ時間を有する遅れ時間システムが与えられるとする。なお、この不確定な遅れはアクチュエータ等のモデリングの際に発生するモデル化誤差を記述するための仮想的なシステムであって、実際のシステムに遅れが存在しなくても良い。このとき、不確定な遅れ時間TAnd a delay time system having an indefinite delay time. Note that this indefinite delay is a virtual system for describing a modeling error that occurs during modeling of an actuator or the like, and there is no need for a delay in the actual system. At this time, the indefinite delay time T
dd
は、先の離散時間システムPにとって下記のT Is the following T for the above discrete time system P:
dd
による不確かな遅れステップに相当する。 This corresponds to an uncertain delay step due to.
次に、乱気流の事前情報の観測誤差を考える。今、現在の時刻である kステップからN-1 ステップまでの乱気流情報が観測されるとする。Next, consider the observation error of prior information on turbulence. Suppose that turbulence information from the current time k step to N-1 step is observed.
次に、機体の運動に関する状態の観測誤差を考える。kステップの真の状態 xNext, let us consider the state observation error related to the motion of the aircraft. k-step true state x
kk
がx X
k|kk | k
と観測され、真の状態と観測値にはx And the true state and the observed value are x
kk
=x= X
k|kk | k
+Δ+ Δ
xx
の関係が成り立つとする。ただし、観測誤差ΔThe relationship is established. However, the observation error Δ
xx
はあらかじめ定められるとする。Is predetermined.
このとき、不確かな遅れステップ[数2]、乱気流の観測誤差[数3]、状態の観測誤差のすべての組み合わせについて共通する入力時系列を、機体の運動に関する状態および入力についての制約条件下において、あらかじめ定められた評価関数を最適化するよう求める。なお、この問題は二次錐計画(Second Order Cone Programming:SOCP)問題として定式化され、市販のツールを用いて求めることができる。At this time, an input time series common to all combinations of the uncertain delay step [Equation 2], the turbulence observation error [Equation 3], and the state observation error is obtained under the constraints on the state and input related to the motion of the aircraft. Sought to optimize a predetermined evaluation function. This problem is formulated as a Second Order Cone Programming (SOCP) problem and can be obtained using commercially available tools.
得られた最適入力時系列のうち、最初のデータを実際の入力として加える。Of the obtained optimum input time series, the first data is added as an actual input.
次のステップでは、新たに得られた乱気流情報および機体運動に関する情報を用いて、再度最適化問題を解き、得られた最適入力時系列の最初のデータを実際の入力として加える。これを毎ステップ繰り返す。In the next step, the optimization problem is solved again using the newly obtained turbulence information and information on the airframe motion, and the first data of the obtained optimum input time series is added as an actual input. This is repeated every step.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本明細書で用いる記号の定義を以下に行う。0n はn次元零行列、0n,m はn×m 次元零行列、In はn次元単位行列、1n はすべての要素が1であるn次元ベクトル、0 は適当なサイズの零行列もしくは零ベクトル、Rn はn次元実ベクトルからなる集合、Rn×m はn×m 次元実行列からなる集合、
The symbols used in this specification are defined below. 0 n the n-dimensional zero matrix, 0 n, m are n × m-dimensional zero matrix, I n is the n-dimensional unit matrix, 1 n is n-dimensional vector where all elements are 1, 0, appropriately sized zero matrix Or a zero vector, R n is a set of n-dimensional real vectors, R n × m is a set of n × m-dimensional execution sequences,
本明細書では、線形化された航空機の微小縦運動を制御対象とする。また、広く使用されている文献と同様に乱気流の時間変化は機体運動に影響を及ぼさないと仮定する(非特許文献1参照)。現在の機体搭載コンピュータはほとんどディジタルコンピュータであることを考慮して、連続時間の航空機の線形運動方程式を離散化したシステムを制御対象とし、舵面を動かすアクチュエータや推力変化をもたらすエンジン等の動特性も離散時間システムとして与えられると仮定する。このとき、これらの離散時間システムを結合したシステムが(1)式で与えられるとする。
一般に、システムをモデリング誤差なく求めることは不可能であり、実際のシステムに対する制御系の設計はモデリング誤差等の不確かさを考慮して行われる。このシステムの不確かさの表現方法には、パラメトリックな表現や周波数領域における表現などがあるが、その中の一つの方法として制御入力端における有界な無駄時間を用いた時不変無駄時間システムによる不確かさ表現がある。この方法は、従来技術である非特許文献2ではトラッキング問題、非特許文献3ではモデルマッチング問題と、異なる設計仕様においてもその不確かさ表現としての有効性が示されている。そこで、本明細書においても、制御入力端における無駄時間を用いた不確かさ表現を用いる。具体的には、無駄時間Td [s] がTd ∈[Tdmin,Tdmax] である時不変無駄時間システムを制御入力端に加えたシステムを考える。ただし、搭載計算機がもたらす1ステップ遅れを考慮して、Ts≦Tdmin を満たすと仮定する。いま、制御入力端に無駄時間Td が不確定な無駄時間システムを挿入しても、離散時間システムを対象としていることから、制御入力が加えられるステップの数は有限個に限られることがわかる(図2参照)。
さらに、制御入力uk を(2)式のように、1ステップ前の値とその差分に分解して表現する。
uk = uk−1+Δuk (2)
これは、入力飽和に対する制約条件のみならず入力レートに対する制約条件も課すためである。
このとき、(1)式のシステムにTd∈[Tdmin,Tdmax] を満たす不確かな時不変無駄時間システムを制御入力端に加えたシステムPu は、Δuk を入力とする以下のシステムとして記述される。
u k = u k−1 + Δu k (2)
This is to impose not only constraints on input saturation but also constraints on input rate.
At this time, the system P u in which an uncertain time-invariant dead time system satisfying T d ∈ [T dmin , T dmax ] is added to the control input terminal in the system of the formula (1) is the following system using Δu k as an input: Is described as
本明細書では、システム(1)の状態量xk は、観測誤差を含めて観測されるとする。現在時刻をkステップとし、時刻kにおいて観測される状態量xk|kは、観測誤差をあらわす既知の時不変ベクトルΔx を用いた以下の式を満たすと仮定する。
xk =xk|k+Δx (5)
ただし、Δxの存在範囲は既知の凸多面体で与えられ、その端点から構成された集合をΦx とする。すなわち、以下の式が成り立つ。
Δx ∈ coΦx (6)
上式のcoはコンベックス集合すなわち、coΦxは凸多面体の全体及び内部を表す。
ここで、xk の存在範囲 Ωx を定義する。
x k = x k | k + Δ x (5)
However, the existence range of Δ x is given by a known convex polyhedron, and a set composed of the end points is defined as Φ x . That is, the following formula is established.
Δ x ∈ coΦ x (6)
In the above equation, co is a convex set, that is, coΦ x represents the whole and the inside of the convex polyhedron.
Here, the existence range Ω x of x k is defined.
また、外乱入力である乱気流について、現在からN−1ステップ先まで観測誤差を含んだ情報として得られるとする。すなわち、以下の式が成り立つとする。
事前外乱情報がN−1ステップ先まで得られることから、N−1ステップ先まで状態予測を行うとする。
従来の乱気流抑制制御である非特許文献5の手法は、「(5)式とは異なり、観測誤差がなく機体運動に関する状態量が観測でき、また、(9)式とは異なり、観測誤差がなく乱気流情報がえられる場合に、(13),(14),(15)式の制約条件のもと、評価関数Ji(xi, Δu, z i) の最大値を最小にする共通入力時系列 Δu を求めなさい。」という問題を解く方法を提案している。ここでは、インデックスi は、システムの不確かさによるもので、この一種類の不確かさのみを考慮した「最大値」を扱っている。これを一歩進めた乱気流観測誤差のみを考慮した乱気流抑制制御アルゴリズムでは、「(5)式とは異なり、観測誤差がなく機体運動に関する状態量が観測できるが、(9)式と同様に、観測誤差を含む乱気流情報がえられる場合に、(13),(14),(15)式の制約条件のもと、評価関数Ji(xi,Δu, z i)の最大値を最小にする共通入力時系列 Δu を求めなさい。」という問題を解く方法を提案している。それが、問題2を毎ステップ解くという制御手法である。
すなわち、非特許文献5では、事前外乱情報および機体運動状態量の観測値に観測誤差がない場合の定式化を行っており、乱気流観測誤差のみを考慮した乱気流抑制制御アルゴリズムでは、非特許文献5の結果を発展させ、事前外乱情報のみに観測誤差がある場合の定式化を行っている。よって、本明細書ではその研究の結果のみ示す。以下では、機体運動状態量に観測誤差がないことから、(5)式について,xk= xk|k が成り立つとする。
That is, Non-Patent Document 5 formulates the case where there is no observation error in the observation values of the prior disturbance information and the body motion state quantity. In the turbulence suppression control algorithm considering only the turbulence observation error, Non-Patent Document 5 The above results have been developed to formulate the case where there is an observation error only in the prior disturbance information. Therefore, only the results of that study are shown here. In the following, since there is no observation error in the airframe motion state quantity, it is assumed that x k = x k | k holds for Equation (5).
すなわち、非特許文献5では、以上の準備のもと、問題1は次の問題2となる。
このとき、問題3は、(Δw,Δx)のすべての端点の組み合わせにおいて評価するため、計算複雑度は問題2よりも大きい。しかし、プラントの不確かさが制御入力端の不確定な時不変無駄時間によって記述され、事前外乱情報および機体運動状態量の観測値に対する観測誤差がそれぞれ(9)式および(5)式で表現されるならば、問題3の定式化の際には、何ら近似等の保守性を導入していないことに注意されたい。また、問題3は状態等の制約条件(19)および(20)を満たす制御入力時系列の中から最適な入力時系列を作成する。以上のことから、問題3を用いたシミュレーションを行うことで、突風軽減制御の性能限界評価を行うことが可能である。
At this time, since the problem 3 is evaluated for all combinations of end points of (Δ w , Δ x ), the calculation complexity is larger than the problem 2. However, the uncertainty of the plant is described by an uncertain time-invariant dead time at the control input, and the observation errors for the prior disturbance information and the observed values of the airframe motion state quantities are expressed by equations (9) and (5), respectively. Therefore, it should be noted that no conservativeness such as approximation is introduced when the problem 3 is formulated. Problem 3 is to create an optimal input time series from among the control input time series that satisfies the constraints (19) and (20) such as the state. From the above, it is possible to perform performance limit evaluation of gust mitigation control by performing a simulation using Problem 3.
本節では、非特許文献5と同様に、乱気流による上下加速度の抑制可能性について調べた一例を示す。
非特許文献5と同様に、宇宙航空研究開発機構が有する実験用航空機MuPAL-αの1520 [m]、真対気速度66.5 [m/s]における水平定常飛行状態から線形近似を行った微小縦運動に1/(0.1s+1) の一次遅れモデルによってモデル化されたエレベータアクチュエータモデルを加えた航空機運動を考える。サンプリング周期Tsを0.1 [s] とした。なお、状態変数xk は[ui wi q θ δe]T,外乱入力xk はwg,制御入力uk はδec ,制御出力zkはΔaz である。
ここで、ui,wi,q,θ,δe,wg,δec,Δazはそれぞれ機体座標系x方向慣性速度[m/s],機体座標系z方向慣性速度[m/s],ピッチ角速度[rad/s],ピッチ角[rad],エレベータ舵角変位[rad],慣性座標系z方向突風[m/s],エレベータ舵角変位コマンド[rad],慣性座標系z方向加速度の変分[m/s2] をあらわす。なお,wgは機体下方から上方へ吹く風をプラスの風としている。
In this section, as in Non-Patent Document 5, an example of examining the possibility of suppressing vertical acceleration due to turbulence is shown.
Similar to Non-Patent Document 5, a small vertical vertical approximation was performed from the horizontal steady flight state of the experimental aircraft MuPAL-α of the Japan Aerospace Exploration Agency at 1520 [m] and true air speed of 66.5 [m / s]. Consider an aircraft motion that adds an elevator actuator model modeled by a 1 / (0.1s + 1) first order lag model to the motion. The sampling period T s was set to 0.1 [s]. The state variable x k is [u i w i q θ δ e ] T , the disturbance input x k is w g , the control input u k is δ ec , and the control output z k is Δa z .
Here, u i , w i , q, θ, δ e , w g , δ ec , and Δ a z are the aircraft coordinate system x-direction inertia velocity [m / s] and the aircraft coordinate system z-direction inertia velocity [m / s], respectively. ], Pitch angular velocity [rad / s], pitch angle [rad], elevator rudder angular displacement [rad], inertial coordinate system z direction gust [m / s], elevator rudder angular displacement command [rad], inertial coordinate system z direction It represents the variation of acceleration [m / s 2 ]. Note that w g is a positive wind that blows upward from the bottom of the aircraft.
不確定無駄時間Td[s] は、Td∈ [0.1, 0.4] とした。このとき、
なお、(15)式の制御出力制約は課さず、制御入力レートに対する重みであるR,および事前乱気流情報の時間長さTs×Nはシミュレーションパラメータとした。
また、遭遇する乱気流は次式で与えられると設定した。
wg(t) = sin(ωt) (21)
ここで,t[s] はシミュレーション開始からの時刻をあらわし、乱気流の周波数であるω[rad/s] はシミュレーションパラメータとした。
事前外乱情報の観測誤差をあらわす行列Xj は以下に定めた。
Xj = 0.2 + 0.1 ×(66.5/100 ×Ts) j (22)
シミュレーションパラメータであるR,Ta,ω の集合はそれぞれ以下に定義した。
R ∈{ 101, 102, 103,104, 105 }
Ta∈ {1.0, 1.2, 1.4,1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.4}
ω ∈ {0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0,7.0}
機体運動線形時不変システムおよびエレベータアクチュエータモデルを用いた20 [s] のシミュレーションを行った。なお、SOCP 問題の解は非特許文献4のYALMIPを介した非特許文献6のSeDuMiにより求めた。また、比較対象として事前乱気流情報が得られない条件下における問題3による乱気流抑制制御を行うケースも同一環境下においてシミュレーションを行った。記述上、ケース名を以下に定める。
The indeterminate dead time T d [s] is T d ∈ [0.1, 0.4]. At this time,
Note that the control output constraint of Equation (15) is not imposed, and R, which is a weight for the control input rate, and the time length T s × N of the prior turbulence information are simulation parameters.
The turbulent airflow encountered is set to be given by the following equation.
w g (t) = sin (ωt) (21)
Here, t [s] represents the time from the start of simulation, and ω [rad / s], which is the frequency of turbulence, was used as a simulation parameter.
The matrix X j representing the observation error of the prior disturbance information was determined as follows.
X j = 0.2 + 0.1 × (66.5 / 100 × T s ) j (22)
Each set of simulation parameters R, Ta, and ω is defined as follows.
R ∈ {10 1 , 10 2 , 10 3 , 10 4 , 10 5 }
T a ∈ {1.0, 1.2, 1.4,1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.4}
ω ∈ {0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0,7.0}
A simulation of 20 [s] was performed using an airframe motion linear time-invariant system and an elevator actuator model. The solution to the SOCP problem was obtained by SeDuMi in Non-Patent Document 6 via YALMIP in Non-Patent Document 4. Moreover, the case where the turbulence suppression control by the problem 3 on the conditions which cannot obtain prior turbulence information as a comparison object was also performed in the same environment. For descriptive purposes, case names are defined below.
端的なシミュレーション結果の例として、乱気流の周波数ω=3.0,R=10,Ta=2.4(N=24) の場合のシミュレーション結果を図5に示す。なお、シミュレーションは、事前乱気流の観測誤差が最大もしくは最小の場合、機体運動の状態量の観測誤差が最大もしくは最小の場合、不確かな遅れステップ数が1もしくは2もしくは3もしくは4の場合が存在し、これらすべての組み合わせについて実施している。これらのシミュレーション結果からCaseA,B,Cそれぞれの値JA,JB, JC を求め,JA/JB,JA/JC をプロットした点が、それぞれ、図4の ω=3.0 におけるXおよびYである。図5において実線が上記のCaseA(本発明の乱気流抑制制御のデータ)を、破線が上記のCaseB(制御なしのデータ)を、点線が上記のCaseC(事前乱気流情報ナシのデータ)を示している。グラフに示した16組すべてについて、CaseAは制御を行わないCaseBの場合に比べ、制御幅が顕著に小さいことが分かる。また、点線表示のCaseCはCaseBの場合に比べればやや制御幅が小さくなっているが、CaseAはこれよりはるかに制御幅が小さくなっている。本発明の乱気流抑制制御を施したCaseAが如何に機体運動を抑制しているかが実線のグラフと破線のグラフ及び点線のグラフとの対比で一目瞭然に確認できる。 As an example of a simple simulation result, FIG. 5 shows a simulation result when the turbulence frequency is ω = 3.0, R = 10, and Ta = 2.4 (N = 24). In the simulation, there are cases in which the number of uncertain delay steps is 1 or 2 or 3 or 4 when the observation error of the prior turbulence is the maximum or minimum, the observation error of the state quantity of the airframe motion is the maximum or minimum. , All these combinations are implemented. The values JA, JB, and JC of Case A, B, and C are obtained from these simulation results , and the points where JA / JB and JA / JC are plotted are X and Y at ω = 3.0 in FIG. 4, respectively. In FIG. 5, the solid line indicates the above Case A (data for turbulence suppression control of the present invention) , the broken line indicates the above Case B (data without control) , and the dotted line indicates the above Case C (preliminary turbulence information pear data) . . It can be seen that for all 16 pairs shown in the graph, Case A has a remarkably small control width compared to Case B in which control is not performed. In addition, the control width of Case C indicated by the dotted line is slightly smaller than that of Case B, but the control width of Case A is much smaller than this. It can be confirmed at a glance how Case A, which has been subjected to turbulence suppression control according to the present invention, suppresses the movement of the aircraft by comparing the solid line graph, the broken line graph, and the dotted line graph .
本発明の乱気流抑制制御方法は、外乱を事前に観測でき、外乱の影響を最小化するなどの最適化仕様が与えられたシステム全般、例えば、船は波浪によって揺れるが、マストなどからの画像によって、今から遭遇する波浪情報が事前に得られると仮定する。そのような場合には、事前に得られた波浪情報を元に、もっとも揺れを抑制する操舵入力を得ることが可能となる。
また、別の応用として、風力発電を行う風車の最適な羽根ピッチ角制御を行うことも可能である。これは,風力発電を行う風車は回転数を羽根のピッチ角によって制御しているが、風車をある一定の回転数で回すことが重要であり、突風などの影響を受けない回転数維持が望まれている。このような場合に、風車の脚もしくは風車の中心などに遠方の乱気流を計測する装置を追加することで、外乱である風速の揺れを観測することが可能となり、事前に得られる風速の揺れを考慮した発電に最適なピッチ角を計算することが可能となる。
The turbulence suppression control method according to the present invention can observe disturbances in advance, and can be used in general for systems that have been given optimization specifications such as minimizing the effects of disturbances. Suppose that the wave information to be encountered is obtained in advance. In such a case, it is possible to obtain a steering input that most suppresses shaking based on wave information obtained in advance.
As another application, it is also possible to perform optimum blade pitch angle control of a wind turbine that performs wind power generation. This is because wind turbines that generate wind power have their rotational speed controlled by the pitch angle of the blades. However, it is important to rotate the wind turbine at a certain rotational speed, and it is desirable to maintain the rotational speed without being affected by gusts. It is rare. In such a case, by adding a device that measures the turbulence in the distance to the windmill legs or the center of the windmill, it becomes possible to observe the disturbance of the wind speed, which is a disturbance. It is possible to calculate the optimum pitch angle for power generation in consideration.
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