JPH06509198A - 適応制御システム入力制限 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 適応制御システム入力制限 技術分野 本発明は制御システム入力制限に関し、特に制御システムにより稼働される原動 機の状態に基づく制御システム入力の制限に関する。

従来技術 ヘリコプタ−などの航空機の機械的な空気力学的飛行表面を、電気制御システム により制御することは、一般的となってきた。通常、オペレータ（パイロット） からの入力は、位置変換器または力変換器により供給される。これら変換器は入 力スティックの移動、あるいは入力スティックにかかる力に比例した電気信号ま たは光学信号を制御システムに供給する。上記のような電気システムの出力によ り通常は４個の電気油圧式アクチュエータまたは原動機が運転され、１個がヘリ コプタ−の４つの主軸である縦揺れ（縦サイクル）、横転（横サイクル）、コレ クティブ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ）、片揺れの各々に対応している。３個のアク チュエータは“ミキサー“により主回転翼羽根を制御するスウォツシュプレート （回転斜板）に機械的に接続されており、他の１個は尾部回転翼に接続されてい る。

このような制御システムは、通常、様々なセンサからのフィードバック信号（速 度、加速度、高度、姿勢及び角度比率）を使用する設計であり、閉ループ制御に 負帰還を供給したり、ゲインや折点周波数を変えて制御システムのループ応答を 変化させる。しかしながら、これらの制御設計技術では、過度のオペレータコマ ンドにより起こる過度の出力オーバーシュートを防止できない。例えば、機体の ピッチ姿勢を決定する回転翼羽根先端経路面が、ヘリコプタ−の縦軸に沿って急 速に機体の胴体の前方部または後方部に接近した場合、回転翼羽根はオーバーシ ュートして胴体にぶつかり、深刻な破損を招く。近代的なシステムでは、パイロ ット入力スティックコマンドと実際のシステムコマンドとが分離される傾向にあ るため、このような問題がより深刻になる。

純粋に機械的なシステムの場合、出力アクチュエータの位置に置き換えた機械入 力レバーやペダルが使用されている。この場合、入力レバーの位置と実際の飛行 コマンド及び出力との間に直接的な関係が存在するため、前述のような問題は比 較的起こりにくい。さらに機械システムにおいては、制御すべきものの慣性時定 数に基づいた内部減衰とスルーレートの制限がなされるので、一層の“感触”を 入力レバーに付加する。同様にレバーの位置に比例した電気入力コマンド信号を 使用するシステムにおいては、パイロットが位置レバーによりスウォツシュプレ ートの位置を常に把握しているため、前述はど分離されない。

米国特許４，４２０，８０８号に開示されているようなサイドアーム制御装置に よれば、パイロットは単一の入力スティックで航空機の４つのすべての軸を制御 することができる。制御装置は限定移動（約０．２５インチ）の制御グリップス ティックを有し、ひずみゲージセンサを使用して、指示された方向にスティック に加えられた力を検出することにより、すべての軸に対する入力を電気制御シス テムに供給する。指定された制御軸、例えば機体のピッチ姿勢の毎秒の度合い（ ｄｅｇ／５ｅｅ）に沿ったループ基準の変化率など、スティックに加えられる力 は、通常、比率コマンドに比例する。スティックに力が全く加えられないと、比 率コマンドはゼロであり、ループ基準は固定され、制御システムは機体のすべて の軸をその時の基準設定に保持する。

サイドアーム制御装置の制御グリップの慣性は無視できる程小さく、入力スティ ックの位置は位置コマンドよりも変更コマンドの比率と関連するので、パイロッ トが誤って高比率の変化（スルーレート）を指示し、出力アクチュエータが所望 しない操作領域に入ってしまうことがある。これは入力レバー位置がスウォツシ ュプレート及び尾部回転翼羽根の実際の機体出力位置と直接的に関連していない ことにより起こる。従ってパイロットはシステム（スウォツシュプレート及び尾 部回転翼）の出力位置及び実際のコマンドの“感触”を容易に失ってしまう。

これは特に軸に関する問題であって、パイロットによるコマンドとピッチ姿勢な ど機体の反応との間の慣性的な時間遅れを示し、パイロットが必要以上に大きい 入力をする原因となる。

発明の開示 本発明の課題は入力コマンドの大きさ及び／または比率を制限し、操作様式に基 づいて制限量を動的に調節し、所望の領域を越えてしまう出力の暴走を防ぐ、制 御システムに対する入力コマンドの自動的制限を提供することである。

本発明によれば入力コマンドの大きさ及び／または比率の制限は、制御システム により運転される原動機などの所望の出力パラメータの状態の関数として調節さ れる。本発明は原動機の位置、比率（位置変化の比率）、及び／または加速度を 監視し、原動機がいつ所望しない操作様式（ｒｅｇｉｍｅ）に接近しているかを 測定する。所望しない操作様式が探知されると、入力はこのような操作様式を防 止する方向にのみ、原動機比率の関数として変動可能に制限される。

原動機が所望の操作様式内にあり所望しない操作様式へ接近していない場合、操 作入力制限は広範な限界に設定され固定されるので、通常のオペレータの権限に はなんら影響しない。

本発明は原動機を継続的に監視し、原動機が所望しない制限に接近した場合に、 パイロットの入力コマンドを制限することにより、従来の制御技術に比べると大 きな改良が見られる。従って、この制限技術は、単にフィードバック信号と最小 のロジックを加えることにより、制御システムに決定的な安全強化を与えるが、 パイロットにとって、制限は基本的には明解であり、通常の操縦に必要な権限に 支障をきたすことはない。本発明は、様々なシステム出力の状態に応じて、制御 システムコマンドに対するオペレータの権限を制限することにより、安全なパイ ロットと同様に働く監視装置としての役割を事実上行う。

本発明の前述のあるいは他の課題、特徴及び有利性は添付の図面とともに次に詳 述する実施例においてより明確にされる。

本発明の好ましい実施例 第１図によれば、適応制御システム入力制限装置は、オペレータ（すなわちパイ ロット）入力スティック８を有し、入力スティック８は機械的接続部９により入 力センサ１０に接続される。入力センサ１０は位置変換器または力変換器などで スティック８の動きを検出する。センサ１０は、オペレータの入力コマンドを、 線１２で示すように、電気信号または光学信号として、公知の可変大きさ制限器 １４に供給する。可変大きさ制限器１４は、線２０に沿って出力信号を供給する ように調整されたオペ・アンプ（ｏｐ−ａｍｐｓ）、ダイオード、抵抗器などの ような公知の電気的なハードウェアを有し、線１２上の信号が入力されており、 線１６上の信号により規定される最少限界値と線１８上の信号により規定される 最大限界値とを有している。線１２上の信号の大きさが線１６及び１８上の信号 により設定された大きさの制限内であれば、可変大きさ制限器１４の出力信号は 線１２上の入力信号と同じである。線１２上の信号の大きさが線１６及び１８上 の信号により設定された最少または最大限界値を各々越えると、線２０上の出力 信号の大きさは、入力が限界値を越えないように最少または最大限界値に各々制 限（固定）される。

可変比率制限器２２には線２０上の出力信号が供給される。可変比率制限器２２ は線２８上に信号を供給するように調整されたオペ・アンプ、ダイオード、抵抗 器などのような公知の電気的なハードウェアを有し、線２４上の信号の大きさに より規定される比率より小さいマイナス（減少）比率と、線２６上の信号の大き さにより規定される比率より小さいプラス（増加）比率とを有している。線２０ 上の信号の変化比率が、線２４及び２６上の信号により設定された２つの限界内 にある場合、可変比率制限器２２の出力信号は、線２０上の入力信号と同じとな る。線２０上の信号の比率が線２４及び２６上の信号により設定されたマイナス 比率またはプラス比率のしきい値を越えた場合、線２８上の出力信号の比率は、 入力比率が限界を越えないようにマイナス比率またはプラス比率の限界値に制限 （固定）される。従って、可変比率制限器２２は入力信号を擬似するが、出力変 化の比率が一定のプラス比率及びマイナス比率を越えることを防ぐものである。

線２８上の信号は、公知の制御システム３０に与えられる。制御システム３０は 、通常、加算接合部３２を有し、線３４上のフィードバック信号及び線２８上の 制限された大きさ及び比率の基準コマンド信号が供給される。所望であれば複数 のフィードバック信号を用いても良い。公知のフィードバック動的補償３８は線 ３４にフィードバック信号を供給する。加算接合部３２は、基準とフィードバッ ク信号とが異なることを示すエラー信号を線３６上に出力する。

１［３６上のエラー信号は、フィードフォーワード動的補償ロジック４０に供給 される。フィードフォーワード動的補償ロジック４ｏは線４２に沿って出力運転 信号を公知の原動機４４に供給する。フィードバック及びフィードフォワード動 的補償３８及び４ｏは、各々、通常、ゲイン、先行時間差、システムの時間及び ／または周波数の応答を調整する他の機能、または上記を調整する微分方程式を 示す状態空間マトリックスを有する。所望であれば、動的補償に関して他の方法 を用いたり付加的手段を加えたりすることも可能である。

ヘリコプタ−の場合、原動機４４は、通常、複数の電気油圧的アクチュエータの 一つであるが、個々がヘリコプタ−の異なる制御軸（ピッチ姿勢など）に各々対 応している。原動機は機械的接続部４６により接続され、制御されるべき実際の システム、例えばヘリコプタ−のスウォツシュプレートなどを駆動する。ヘリコ プタ−の縦軸（機体のピッチ姿勢など）が制御ループ３ｏにより制御された場合 、機体４８からの出力信号は、通常、姿勢（ピッチ）、姿勢比率、フォワード値 、高度、周囲温度であり、これらは複数の線５ｏに沿って制御システム３０の動 的フィードバック補償ロジック３８へフィードバックされる。

原動機の位置は位置センサにより測定される。位置センサは原動機位置を示す電 気信号を、線５２に沿って制限連動ロジック５４（１ｉｍｉｔ　ｅｎｇａｇｅｍ ｅｎｔ　ｌｏｇｉｃ）及び微分差５６に供給する。微分差５６は原動機の時間に 関する変化比率を示す信号を、線５８に沿って、制限連動ロジック５４及びスイ ッチ６ｏに供給する。微分による高周波ノイズを減少させるために、遅れ時間定 数γは一秒などの数値として設定される。

後述するように制限連動ロジック５４は、スイッチ６ｏに、線６２に沿って出力 信号（ＬＩＭＳＷ）を供給する。スイッチ６ｏは、線６４上のゼロの大きさ信号 （ＬＩＭＳＷ−０の場合）が、または線５８上の微分差５６がらの原動機比率（ Ｌ　ＩＭＳＷ−１の場合）のどちらかを選択する。スイッチは、線６６上の出力 信号を、下限側大きさ制限マツプ６８、上限側大きさ制限マツプ７０．マイナス 比率制限マツプ７２及びプラス比率制限マツプ７４に供給する。ＬＩＭＳＷがゼ ロに設定されている場合、線６６上の信号はゼロで、各制限マツプは（後述のよ うに）作動不能である。ＬＩＭＳＷが１の場合、制限マツプ応答は線５８上の原 動機比率信号に応答する。

制限マツプ６８．７０．７２．７４は、オペ・アンプ（ｏｐ−ａｍｐｓ）、ダイ オード及び抵抗器など公知の電気的ハードウェアを有している。これらハードウ ェアは折点間に直線的に挿入する°関数発生器”を作成するように構成され、曲 線６９．７１．７３．７５により示される出力信号を線６６上の比率信号に応じ て発生させる。

下限側大きさ制限マツプ６８は、可変大きさ制限器１４に対し、線６６上の比率 信号及び曲線６９の形状の関数として、線１６を介して下限側大きさ制限信号を 供給する。比率信号が毎秒０％に接近すると、下限側制限値は最大値Ｋｌ（例ニ ー５０％）に設定される。

これは正常な最少のオペレータコマンドを下回る。線６６上の比率信号がマイナ ス方向に折点Ａ（例：毎秒−６０％）に向がって増加し、線５２上の原動機位置 信号の減少を表示すると、下限側制限信号は折点Ｂ（例：毎秒−７６％）から直 線的に最小値に２（例ニー１０％）に向かって増加する。従って原動機比率が増 加するとオペレータが命令できる最大のマイナス値は減少する。所望であれば他 の形状、折点の追加及び異なる最大値または最小値を用いることも可能である。

同様に、上限側大きさ制限マツプ７０は、線１８上の上限側大きさ制限信号を、 線６６上の比率信号の関数として可変大きさ制限器１４に供給する。線６６上の 比率信号が毎秒θ％に近い場合、上限側大きさ制限値は、正常コマンド範囲より 高い値に３（例：５０％）に設置される。比率信号が折点Ｃ（例：毎秒６０％） に対応する値を越えた場合、上限側大きさ制限値、は折点Ｄ（例：毎秒７６％） で値に４（例：１０％）に向けて直線的に減少する。したがって、オペレータが 命令できる最大プラス値は、原動機の比率が増加するとともに減少する。所望で あれば他の形状、折点の追加及び異なる最大値または最小値を用いることもでき る。

マイナス比率制限マツプ７２は、可変比率制限器２２に対し、線６６上の比率信 号及び曲線７３の形状の関数として、線２４を介してマイナス比率制限信号を供 給する。線６６上の比率信号が毎秒０％に近い場合、マイナス比率制限は、パイ ロットの正常コマンドの比率より高い値に５（例：毎秒−５０％）に設定される 。比率信号が折点値Ｅ（例；毎秒−６０％）を越えた場合、比率制限値は折点Ｆ （例：毎秒〜７５％）から値に６（例：毎秒−１ｏ％）に向は直線的に減少する 。従って、原動機比率が減少すると、オペレータが命令できる最大マイナス比率 は減少する。所望であれば他の形状、折点の追加及び異なる最大値または最小値 を用いることもできる。

同様に、プラス比率制限マツプ７４は、可変比率制限器２２に対し、線２６を介 してプラス比率制限信号を線６６上の比率信号及び曲線７５の形状の関数として 供給する。原動機比率が毎秒０％に近い場合、プラス比率制限値は、値に７（例 ：毎秒５０％）に設定される。比率が折点Ｇ（例：毎秒６０％）を越えると、制 限値は折点ＨＣＨ：毎秒７５％）がら値に８（例：毎秒１０％）＋、：向は直線 的に減少する。従って、原動機比率が減少するとオペレータが命令できる最大プ ラス比率は減少する。所望であれば他の形状、折点の追加及び最大値または最小 値を用いることもできる。

制限連動ロジック５４が信号ＬＩＭＳＷをゼロに命令した場合、スイッチ６ｏは 、ゼロに固定された大きさを有する線６４の信号を、線６６に接続する。従って 正常なパイロットコマンドの外に、制限値を値ＫＩＳＫ２、Ｋ３、Ｋ４に固定す ることにより、＃Ｉ限マツプ６８．７０．７２．７４が線５８上の原動機比率信 号の変化に反応することを防ぐ。

次に第２図によれば、制限連動ロジック５４はエントリ一点１゜Ｏで開始され、 ステップ１０２で原動機位置の方向つまり徴候を、線５２上の信号により測定す る。位置がプラスであれば（またはピッチ制御ループに対して機体の前方であれ ば）、ステップ１０４で原動機位置のしきい値ＰＯ３ＴＮ−ＴＨＲＥＳＨｊ５＜ 、（ｍＰ２（例ニー１０％）と等しく設定される。他方の場合は、ステップ１０ ６で位置しきい値ＰＯ５ＴＮ−ＴＨＲＥＳＨが、値ＰＩ（例：１０％）に設定さ れる。その後、テスト１０８において原動機位置の絶対値が位！１ｊＬ！い値Ｐ Ｏ８ＴＮ−ＴＨＲＥＳＨの絶対値以上であるがが測定される。原動機位置の絶対 値が位置しきい値の絶対値以上であった場合、テスト１１０で、原動機の変化比 率がマイナスであるか否かを、線５８上の比率信号の徴候を監視することにより 測定する。

比率がマイナスの場合、ステップ１１２において、原動機比率しきい値ＲＡＴＥ −ＴＨＲＥＳＨは、値Ｒ２（例：毎秒−３０％）と等しく設定される。プラスの 場合、ステップ１１４で比率しきい値ＲＡＴＥ−ＴＨＲＥＳＨは、値Ｒ１（例： 毎秒３０％）に設定される。

次に、テスト１１６において、原動機比率の絶対値が比率しきい値ＲＡＴＥ−Ｔ ＨＲＥＳＨの絶対値以上であるかが測定される。しきい値の絶対値以上であった 場合、ステップ１１８において、スイッチ６０は線５８を線６６に接続させ、こ れにより線６２上の信号ＬＩＭＳＷはロジック１へ進むよう命令される。テスト １０８または１１６の結果がＮＯであれば、ステップ１２２において、線６２上 の信号Ｌ　ＩＭＳＷがゼロに設定され、これにより制限マツプが原動機の状態に 反応することが防止される。これは、スイッチ６０に対し、信号の大きさがＯで ある線６４を線６６に接続する位置となるように命令する。これにより、すべて の制限マツプが各々の最も広範な限界（例：に１、Ｋ３、Ｋ５、Ｋ７）に設定さ れる。その後ロジックは出口点１２０で終了する。

制限連動ロジック５４は、リアルタイムなソフトウェアで実行される場合がある 。ロジックの最新の比率は例えば３９Ｈｚなどであり、原動機の変化比率を探知 し、かつ入力を制限して原動機の過度の応力や不所望領域への進行を防止できる ように十分速くなければならない。所望であれば他の最新の比率を用いることも できる。

本発明はヘリコプタ−への設置を例として述べられたが、一定の操作様式におい て制限を要する出力パラメータ、及び出力に関連した入力コマンド信号を有する いかなる制御システムにおいても、本発明は有効である。

さらに位置センサより割り出された機械位置となる原動機の代わりに、制限を必 要とする実際のパラメータに関連したソフトウェア制御アルゴリズムの中間パラ メータでも良い。

また可変大きさ制限器１４、下限側大きさ制限マップロジ・ツク６８、上限側大 きさ制限マツプロジック７０、可変比率制限器２２、マイナス比率制限マツプロ ジック７２、プラス比率制限マツプロジック７４、スイッチ６０、微分差５６、 制限連動ロジ・ツク５４は、米国特許４，２７０，１６８号に記述されている電 気制御システムのソフトウェアにより実現される多数の機能の一つとして用いら れることが好ましい。

様々な位置様式に対して異なる制限形状を所望する場合、より多くのマツプやス イッチを用いることもでき、所望の条件で所望のマツプを使用できるように、使 用可能なロジ・ツク５４を変更することも可能である。また、直線的に挿入する マ・ノブの代わりに、方程式を用いて制限値を決定することも可能である。

さらに本発明は、制限マツプ６８．７０．７２．７４が継続的に原動機比率に応 答する場合には、同様に有効である。技術が選択された場合は、制限連動ロジッ ク５４は及びスイ・ソチ６０を用いる必要はなく、線５８は常に線６６に接続さ れている。

制限マツプを連動する条件を決定する際、原動機の比率と位置の両方を監視する 代わりに、ロジック５４が位置のみを監視しても本発明は同様に有効である（す なわちステップ１１０から１１６は用いる必要がない）。さらに原動機の比率及 び／または位置を監視する他に、またはその代わりに原動機の加速度をロジック ５４により監視しても良い。

可変大きさ制限器及び可変比率制限器の両方を使用する代わりに、本発明によれ ばこれらのどちらかを単独で使用しても本発明は同様に有効である。

以上、本発明を実施例を用いて説明したが、当業者においては本発明の趣旨及び 範囲を逸脱することなく、前述及び種々の他の変更、省略及び付加を行い得るも のである。

図面の簡単な説明 第１図は機体の一つの制御軸に対し原動機フィードバック及び入力コマンド制限 を設けた本発明による制御システムのブロック線図である。

第２図は原動機比率に対する制限マツプ応答の使用の可否のステップを示す本発 明によるロジックのフローチャートである。

国際調査報告 一１１ゝ１＾軸′＠蟲＋Ｉ″１ＩＮＩｌ　ｐＣ〒川Ｑ用フ１０ζりＡ２ＡｈＪＨ ＭＮＣＩ　ＡＮＮＥＸ　ＡＮＮ！ＥＸＥフロントページの続き （７２）発明者　ライト、スチュアート　シー。

アメリカ合衆国、コネチカット　０６５２５゜ウッドブリッジ、ディア　ラン　 リッジロード　４ （７２）発明者　ヴアーゼラ、デイヴイッド　ジェイ。

アメリカ合衆国、コネチカット　０６４３７゜ギルフォード、ホワイト　バーチ 　ドライブ３８４ （７２）発明者　ラモンターヌ、トロイ　ジェイ。

アメリカ合衆国、コネチカット　０６４９２゜ウォーリングフォード、ニス　チ ェリーストリート３５８

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．所望の制御システムの出力を示す入力コマンド信号に応じて出力運転信号を 供給する前記制御システムと、前記制御システムからの前記出力運転信号に応答 する原動機と、前記原動機の状態に応答して前記原動機の前記状態が所望しない 操作条件に接近した場合、前記入力コマンド信号の少なくとも一つのパラメータ 値を制限する制限手段を有し、前記制限は前記所望しない操作条件の方向のみに 沿うものであり、前記制限手段は前記制限を原動機比率に応じて調整することを 特徴とする適応制御システム入力制限器。
2. ２．前記原動機の前記状態が前記原動機の位置であることを特徴とする請求項１ に記載の装置。
3. ３．前記原動機の前記状態が前記原動機の速度であることを特徴とする請求項１ に記載の装置。
4. ４．前記入力コマンド信号の前記パラメータが前記入力コマンド信号の大きさで あることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. ５．前記入力コマンド信号の前記パラメータが前記入力コマンド信号の時間に関 する大きさの変化比率であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. ６．前記入力コマンド信号がヘリコプターへのパーセントピッチ姿勢コマンドで あることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. ７．前記原動機がヘリコプターのピッチ姿勢軸を制御する電気油圧式アクチュエ ータからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. ８．前記所望しない条件がヘリコプターの胴体付近の先端通過面に対応した電気 油圧式アクチュエータの所定位置であることを特徴とする請求項７に記載の装置 。
9. ９．前記所望しない条件がヘリコプターの胴体付近の先端通過面に対応した電気 油圧式アクチュエータの所定位置と、胴体に接近する前記先端通過面に対応した 前記電気油圧式アクチュエータの時間に関する所定の位置変化比率とからなるこ とを特徴とする請求項７に記載の装置。