JPS6368499A - Attitude controller for space missile - 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。(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、宇宙飛翔体の姿勢制御装置に関するもので
るる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an attitude control device for a spacecraft.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

以下、１軸まわりの姿勢制御系を例（二とり説明する。 Below, two examples of attitude control systems around one axis will be explained.

第３図は従来の宇宙飛翔体の姿勢制御装置を示すブロッ
ク図であり１図において（１）は宇宙飛翔体の姿勢を検
出するための姿勢□センサ（２）はこの姿勢センサの出
力信号を入力して閉ループ制御信号を発生するための閉
ループ制御信号発生部、（３）はこの閉ループ制御信号
発生部の出力信号にホイールの速度を追従させるための
ホイール速度制御部、　（４１Ｕこのホイール速度制御
部の出力であるホイール制御コマンドに応じてホイール
を駆動するためのホイール駆動回路、（５）はこのホイ
ール駆動回路により駆動されるホイール、（６）は衛星
のダイナミクスでろる。Fig. 3 is a block diagram showing a conventional attitude control device for a spacecraft. In Fig. 1, (1) is an attitude □ sensor (2) for detecting the attitude of a spacecraft. (3) is a wheel speed control unit for making the speed of the wheel follow the output signal of the closed-loop control signal generation unit; (41U) this wheel speed control unit; (5) is a wheel driven by this wheel drive circuit; (6) is the dynamics of the satellite.

以下、主要部分について更に詳細に説明する。The main parts will be explained in more detail below.

閉ループ制御信号発生部（２）は０通常トルクコマンド
計算部（７）と積分器（８）とで構成される。ここで積
分器（８）はトルクコマンド計算部（７）の出力である
ドルクコマン下信号を速度コマンド信号に変換するため
のもので連続系の場合ラプラス変換を使うとＷで表わす
ことができる。一方トルクコマンド計算部（７）の代表
的な補償要素としてはＰＤ制御（Ｐは比例要素、Ｄは微
分要素を表わす）がるる。閉−ループ制御信号発生部（
２）は、上で述べたようなトルクコマンド計算部（７）
と積分器（８）の直列接続で表わされる補償要素の他に
この２つの演算部を合せて、比例脣素と積分器の並列接
続で表わされるような補償要素を使う場合もめる。宇宙
飛翔体の姿勢制御系のふるまいは、主として上記閉ルー
プ制御信号発生部の補償要素（二よってきまると言りて
良い。The closed loop control signal generating section (2) is composed of a zero normal torque command calculating section (7) and an integrator (8). Here, the integrator (8) is for converting the Dorkcomman signal, which is the output of the torque command calculating section (7), into a speed command signal, and in the case of a continuous system, it can be expressed as W using Laplace transform. On the other hand, a typical compensation element of the torque command calculation section (7) is PD control (P represents a proportional element and D represents a differential element). Closed-loop control signal generator (
2) is the torque command calculation section (7) as described above.
In addition to a compensation element represented by a series connection of a proportional element and an integrator (8), it is also possible to use a compensation element represented by a parallel connection of a proportional element and an integrator by combining these two calculation sections. It can be said that the behavior of the attitude control system of a spacecraft depends mainly on the compensation elements of the closed-loop control signal generator.

ホイール速度制御部（３）は、ホイールの速度を検出す
るためのタコパルスカウンタ（９）と。The wheel speed control section (3) includes a tacho pulse counter (9) for detecting the speed of the wheel.

このカウンタ出力信号を平滑化するためのタコメータフ
ィルタαＧと、このタコメータフィルタの出力信号と、
上記閉ループ制御信号発生部の出力信号を比較するため
の比較器＋１１１とこの比較器の出力信号を与えられた
ゲづ部分だけ増幅するための比例ゲイン要素ｕ３’″Ｃ
構成されている。A tachometer filter αG for smoothing this counter output signal, an output signal of this tachometer filter,
A comparator +111 for comparing the output signals of the closed loop control signal generator and a proportional gain element u3'''C for amplifying the output signal of this comparator by a given difference portion.
It is configured.

アクチェエータとして使用されるホイール（５）は、ホ
イール駆動回路（４）の駆動信号に比例するトルクを発
生するためのホイールモｉりＱ３と、ホイールの速度検
出のためのタコパルス発生部α４と、ホイールダイナミ
クス部０９で構成されている。ホイールダイナミノ３部
（１５への入力でらるホイール制御トルクｒ１ｅは、ホ
イールモータ（１３の出力でるる千−夕発生トルクａη
から、ホイールロストルクαａを差し引いたものである
。ホイールロストルク（１８の大きさ及び極性は、ホイ
ールロストルク発生メカニズム部ａ９（：よってきまる
。ホイールロストルクαＳは厳密には温度、ホイ〒ル速
度等の関数であり複雑なチデルとなるが、ここでは第１
次近似として第３図に示したよう（：ホイールロストル
ク０８がホイールダイナミクス部α５の出力であるホイ
ール速度田の関数となり。The wheel (5) used as an actuator includes a wheel torque Q3 for generating torque proportional to the drive signal of the wheel drive circuit (4), a tacho pulse generator α4 for detecting the speed of the wheel, and a wheel dynamics controller. It consists of Department 09. The wheel control torque r1e input to the wheel dynamometer 3 (15) is the wheel control torque r1e generated by the output of the wheel motor (13)
The wheel loss torque αa is subtracted from the equation. The magnitude and polarity of the wheel loss torque (18) depend on the wheel loss torque generation mechanism a9 (:).The wheel loss torque αS is strictly a function of temperature, wheel speed, etc., and is a complex chidel. Here, the first
As shown in FIG. 3 as the next approximation (: wheel loss torque 08 is a function of wheel speed 0 which is the output of wheel dynamics section α5.

ホイール速度圧の時　　ホイールロストルク　　ＴＦ　
＝　ＴＦ６　＞　０ ホイール速度負の時　　ホイールロストルク　ＴＦ　＝
−ＴＦ６　＜。At wheel speed pressure Wheel loss torque TF
= TF6 > 0 When wheel speed is negative Wheel loss torque TF =
-TF6<.

で表わされるモデルを使用する。Use the model represented by .

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上記のような従来の姿勢制御系では、ホイール（５）が
ＯＱ＠を通過する時、ホイールロストルクが＋ＴＦｏか
ら−ＴＦｏ（またはその逆の−ＴＦｏから＋Ｉｐ、ｏ）
に急変し、このロストルクの急変により大きな姿勢　乱
を発生するという問題点がめった。通常、このようなロ
ストルクの急変に対して姿勢誤差を小さく抑えるために
は、ホイール速度制御部（３）の比例ゲイン要素α２の
ゲインｋを大きくすれば良いことがわかっている。とこ
ろが、比例ゲイン要素（１２のゲインＫｓは、タコパル
スの量子化誤差Ｉ：よる姿勢誤差、ホイール速度制御ル
ープの安定性等の観点からとり得る上限値があり、無条
件；；大きくできなりという制約がるる。In the conventional attitude control system as described above, when the wheel (5) passes OQ@, the wheel loss torque changes from +TFo to -TFo (or vice versa from -TFo to +Ip, o).
The problem was that this sudden change in lost torque caused a large attitude disturbance. Normally, it has been found that in order to suppress the attitude error to a small value in response to such a sudden change in loss torque, it is sufficient to increase the gain k of the proportional gain element α2 of the wheel speed control section (3). However, the proportional gain element (the gain Ks of 12) has an upper limit that can be taken from the viewpoint of the quantization error I of the tacho pulse, the attitude error due to it, the stability of the wheel speed control loop, etc. Garuru.

この発明は、上記のような問題点を解消するため（：な
されたもので、タコパルスの量子イ１誤差の増大及びホ
イール速度制御ループの不安定性を伴う仁となしに、ホ
イールゼロクロス時の姿勢誤差を小さく抑える姿勢制御
装置を得ることを目的とするものでるる。This invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to reduce the attitude error at wheel zero crossing without increasing the quantum error of the tacho pulse and the instability of the wheel speed control loop. The objective is to obtain an attitude control device that suppresses the

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この発明に係る未整制御装置！！は、ホイール速度制御
部に１通常使用されろタコパルスカウンタ、タコメータ
フィルタ、比較器、比例ゲイン要素の他に、上記比例ゲ
イン要素と並列接続になるように積分器と加算器を設け
ると同時Ｃ二人刃側に非線形ゲイン要素を設り°たもの
である。Unequipped control device according to this invention! ! In addition to the tacho pulse counter, tachometer filter, comparator, and proportional gain element normally used in the wheel speed control section, an integrator and an adder are provided in parallel connection with the proportional gain element. A nonlinear gain element is installed on the two-man blade side.

〔作　用〕[For production]

この発明においては、入力が小さい時はゲインかほぼ１
．入力が大きくなるとそれに応じてゲインが１よりも大
きくなるような特性を非線形ゲイン要素にもたせること
により。In this invention, when the input is small, the gain is approximately 1.
．． By giving the nonlinear gain element a characteristic such that the gain becomes larger than 1 as the input becomes larger.

ホイールゼロクロス時にホイールロストルクの急変で速
度制御誤差が大きくなると、ホイール速度制御部の等価
的なループゲインが自動的に大きくなり、ホイールゼロ
クロス時の姿勢誤差を小さく抑えると同時に、積分器の
働きで定常時の非線形ゲイン要素のゲインをほぼ１とす
ることで、定常時のタコパルスの量子化誤差の問題及び
ホイール速度ループの不安定性の問題を解決するように
した。When the speed control error increases due to a sudden change in wheel loss torque at wheel zero cross, the equivalent loop gain of the wheel speed control section automatically increases, suppressing the attitude error at wheel zero cross, and at the same time, the integrator function By setting the gain of the nonlinear gain element at steady state to approximately 1, the problems of quantization error of the tacho pulse and instability of the wheel speed loop during steady state are solved.

〔実施例〕〔Example〕

第１図はこの発明による姿勢制御装置の一実施例を示す
ブロック図であり１図中（１１，＋２１及び（４）〜■
は従来の姿勢制御系と全く同一のものでるる。この発明
が従来の姿勢制御装置と異なる（３）のホイール速度制
御部である。この発明で新規追加されるのは、非線形ゲ
イン要素２υと積分器■と加箕器Ｑである。非線形ゲイ
ン要素−としては入力をＸ、出力をｙとする時１次に示
すようなものを使用すれば良い。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the attitude control device according to the present invention.
is exactly the same as the conventional attitude control system. This invention is a wheel speed control section (3) that is different from conventional attitude control devices. What is newly added in this invention is the nonlinear gain element 2υ, the integrator ■, and the adder Q. As the nonlinear gain element, a linear gain element may be used when the input is X and the output is y.

例１−　　Ｙ＝（１＋に−ｘ’）・ｘ＝Ｋｖ−ｚゲイン
　Ｋｙ　＝　ｌ　−）−ｋ　ｘ’例２．　　ｙ＝（１＋
に−ｘ２）・ｘ＝Ｋｖ−ｘゲイン　Ｋｖ　＝　１　＋　
ｋχ２ 上記例からもわかるように、非線形ゲイン要素のゲイン
特性としては、入力が小さい時ゲインがほぼ１．入力が
大きくなるとゲインが急激に１よりも大きくなるような
特性をもっている。Example 1 - Y=(1+-x') x=Kv-z gain Ky = l-)-k x'Example 2. y=(1+
−x2)・x=Kv−x gain Kv = 1 +
kχ2 As can be seen from the above example, the gain characteristic of the nonlinear gain element is that when the input is small, the gain is approximately 1. It has a characteristic that as the input becomes larger, the gain suddenly becomes larger than 1.

次（＝積分器口の働きについて説明する。まず最初（＝
積分器がない場合を考える。積分器ツがないと定常状態
では比較器αυの出力であるホイール速度制御誤差は、
ホイールのロストルクを補償する分だけオフセットする
。このオフセットは非線形ゲイン要素３υを通すと等価
的なループゲインの増加となる。このようなループゲイ
ンの増加は、タコパルスの量子化誤差によるトルクリッ
プルを増大させ。Next (= I will explain the function of the integrator mouth. First (=
Consider the case where there is no integrator. Without an integrator, in steady state, the wheel speed control error, which is the output of the comparator αυ, is
Offset by the amount to compensate for wheel loss torque. This offset becomes an equivalent increase in loop gain when passed through the nonlinear gain element 3υ. Such an increase in loop gain increases torque ripple due to quantization error of the tacho pulse.

姿勢誤差が大きくなると同時にホイール速度制御ループ
の不安定性を伴うようになる。ところが積分６四がある
と定常状態で比較器αυの出力がゼロになるまで積分器
のの出力が変化するため、非線形ゲイン要素（２υの入
力はほぼゼロとなり、そのゲインもほぼ１となる。As the attitude error increases, the wheel speed control loop becomes unstable. However, when there is an integral 64, the output of the integrator changes until the output of the comparator αυ becomes zero in a steady state, so the input of the nonlinear gain element (2υ becomes almost zero and its gain also becomes almost 1.

このため、積分器のがあれば、上で述べたようなタコパ
ルスの量子イヒの問題及びホイール速度制御ループの不
安定性の問題に発生しなくなる。Therefore, the presence of the integrator eliminates the tacho pulse quantum failure problem and wheel speed control loop instability problem described above.

次にホイールがＯｒｐｍを通過する時の上記補償要素の
ふるまいについて簡単に説明する。Next, the behavior of the compensation element when the wheel passes through the Orpm will be briefly explained.

ホイールが０−を通過する時、既に述べたようにホイー
ルロストルクが急変する。ホイールロストルクが急変す
ると、積分器口はすぐには応答しないので、比較器ａυ
の出力であるホイール速度制御誤差が犬ぎくなる。ホイ
ール速度制御誤差が大きくなると、非線形ゲ・ｆン要素
ｑυの働きにより９等価的なループゲインが大きくなり
、比例ゲイン要素α２を通してホイールのロストルクを
補償するようになる。上で述べたような補償要素の働き
（二より。When the wheel passes through 0-, the wheel loss torque suddenly changes as described above. When the wheel loss torque suddenly changes, the integrator port does not respond immediately, so the comparator aυ
The wheel speed control error, which is the output of When the wheel speed control error increases, the 9-equivalent loop gain increases due to the action of the nonlinear gain element qυ, and the wheel loss torque is compensated for through the proportional gain element α2. The function of the compensation element as mentioned above (from 2).

ホイールロストルクの急変による姿勢誤差を小さく抑え
ることができる。一方、ｙ分器のがあるため、既に述べ
たように１時間がたてばホイール速度制御誤差はほぼゼ
ロとなりそれに伴い非線形ゲイン要素−のゲインも１と
なる。このため、ホイール速度制御部（３）はホイール
がＯＩＶ＠を通過する時のみ、ループゲインが自動的（
二大きくなるような機能をもっていることになる。Posture errors due to sudden changes in wheel loss torque can be suppressed. On the other hand, since there is a y-divider, the wheel speed control error becomes almost zero after one hour as described above, and accordingly, the gain of the nonlinear gain element also becomes 1. Therefore, the wheel speed control section (3) automatically adjusts the loop gain (
It has a function that makes it bigger.

第２図に第１図に示したこの発明の実施例（二さらにト
ルクフィードフォワード信号（至）を付加した適用例を
示したものである。FIG. 2 shows an application example in which the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 (secondary) is further added with a torque feedforward signal.

な２．第１図及び第２図で示した閉ループ割御信号発生
部（２）、及びホイール速度制御部＋３１Ｕ、計算機を
利用して実現することもできることはいうまでもない。2. Needless to say, the present invention can also be realized by using the closed-loop control signal generation section (2) and the wheel speed control section +31U shown in FIGS. 1 and 2, as well as a computer.

ところで、ここでは１軸まわりの姿勢制御系を例にとり
説明したが、２軸、３軸の場合も同様にして、この発明
を適用することができる。Incidentally, although the attitude control system around one axis has been explained here as an example, the present invention can be similarly applied to cases of two or three axes.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

この発明は以上説明したとおり、ホイール速度制御部に
積分器と加算器及び非線形ゲイン要素を付加することで
、ホイールがＯ＋ｖｍを通過する時に発生する姿勢誤差
を小きく抑えることができるという効果がある。As explained above, this invention has the effect of suppressing the attitude error that occurs when the wheel passes O+vm by adding an integrator, an adder, and a nonlinear gain element to the wheel speed control section. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は第１図の実施例をさらに拡張した実施例を示すブロッ
クス、第３図は従来の姿勢制御系を示すブロック図でる
る〇 図において（１）ハ姿勢センサ、（２）は閉ループ制御
信号発生部、（３）はホイール速度制御部、（４）はホ
イールホ動回路、（５）はホイール、（９１Ｈタコパル
スカウンタ、σ［ｌはタコメータフィルタ、ａｌｌは比
較器、Ｃ１２は比例ゲイン要素、Ｑυは非線形ゲイン要
素、器は積分器、のに加算器である。 なお各図中、同一符号は同一または相白部分を示す。Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a block diagram showing an embodiment that is a further extension of the embodiment shown in Fig. 1, and Fig. 3 is a block diagram showing a conventional attitude control system. In the figure, (1) C attitude sensor, (2) closed loop control signal generation section, (3) wheel speed control section, (4) wheel motion circuit, (5) wheel, (91H tacho pulse counter, σ [l is a tachometer filter, all is a comparator, C12 is a proportional gain element, Qυ is a nonlinear gain element, a device is an integrator, and an adder. In each figure, the same symbols indicate the same or mutually exclusive parts. .

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 宇宙飛翔体の姿勢を検出する姿勢センサと、この姿勢セ
ンサの出力である姿勢センサ出力信号を入力として閉ル
ープ制御信号を発生するための閉ループ制御信号発生部
と、速度の加減速により宇宙飛翔体に制御トルクと角運
動量を与えるためのホイールと、このホイールを駆動す
るためのホイール駆動回路と、上記閉ループ制御信号に
上記ホイールの速度を追従させるためのホイール速度制
御部とで構成される宇宙飛翔体の姿勢制御装置において
、上記ホイール速度制御部の補償要素を、比例ゲイン要
素の他に、積分要素と、加算器と、非線形ゲイン要素と
で構成し、上記非線形ゲイン要素を入力が大きくなると
それに応じてゲインが大きくなるような特性をもたせる
ようにしたことを特徴とする宇宙飛翔体の姿勢制御装置
。an attitude sensor that detects the attitude of the spacecraft; a closed-loop control signal generator that receives the attitude sensor output signal that is the output of the attitude sensor as input and generates a closed-loop control signal; A spacecraft comprising a wheel for providing control torque and angular momentum, a wheel drive circuit for driving the wheel, and a wheel speed control section for causing the speed of the wheel to follow the closed-loop control signal. In the attitude control device, the compensation element of the wheel speed control section is composed of an integral element, an adder, and a nonlinear gain element in addition to the proportional gain element, and the nonlinear gain element is adjusted according to the increase of the input. What is claimed is: 1. An attitude control device for a spacecraft, characterized in that the device has a characteristic that increases the gain by increasing the gain.