JP2000276205A - 液圧アクチュエータのフィードバック制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 航空機の舵面等の制御において、即応性が良
く、ゲインの極大値がさほど大きくならないように、安
定性を補償する。 【解決手段】 液圧アクチュエータの位置を指令する指
令部、液圧アクチュエータの位置を計測する計測部７，
８，９、指令部の後に接続され指令部の出力から計測部
７，８，９の出力を減算する減算器１、減算器１の出力
を電流又は電圧にする電気出力部12、電気出力部12の出
力を受けて作動する電油圧サーボバルブ４、及びサーボ
バルブ４により制御される油圧シリンダ５を備えたフィ
ードバック制御装置において、計測部７，８，９と減算
器１との間に並列に接続された負の１次遅れ要素１０ａ
及び正の比例要素１０ｂを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機の舵面の制
御等に用いられるサーボアクチュエータの制御システ
ム、特に、電気入力を受けて作動する電気液圧サーボバ
ルブにより制御される液圧アクチュエータのフィードバ
ック制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気液圧サーボバルブにより制御される
液圧アクチュエータのフィードバック制御装置における
安定性を補償する方法には、状態量フィードバックおよ
びゲイン余有（gain margin）定義周波数の変更があ
る。

【０００３】状態量フィードバックは、一巡伝達特性中
の２次遅れ特性の減衰係数を大きくして安定性の向上を
図るものである。

【０００４】状態変数フィードバック方式には、液圧ア
クチュエータである油圧シリンダのピストン内圧の差圧
を検出しこれを微分要素を介してフィードバックする方
法（シリンダ差圧の微分フィードバック方式）、ピスト
ンの位置信号をもとにディジタル信号処理にて加速度を
算出し、この加速度をフィードバックする方法（加速度
算出フィードバック方式）あるいは制御対象部に加速度
センサを付加して、検出した加速度をフィードバックす
る方法（加速度センサによる加速度フィードバック方
式）などがある。

【０００５】ゲイン余有定義周波数の変更は、２次遅れ
系に積分要素が加わった制御対象に対して用いる。これ
は、１次遅れ要素を制御ループ内に挿入し、ゲイン余有
定義周波数すなわち位相が−１８０［ｄｅｇ］になると
きの周波数を制御対象の２次遅れにおけるゲインが極大
になる周波数から離す方法である。なお、航空機の舵面
の制御等に用いられるサーボアクチュエータの制御シス
テムは２次遅れ系に積分要素が加わったものに近似でき
る。

【０００６】図１５及び図１６に、一般的な電油圧サー
ボ・アクチュエータの一巡伝達特性のボード線図を示
す。図１５は安定性補償要素無し、図１６は前向き回路
に１次遅れを挿入し、ループ・ゲインを増加した場合の
ボード線図を示す。このボード線図からも解るように、
安定性補償の無い場合は−１８０［ｄｅｇ］位相遅れの
周波数はシステム固有振動数Ｆ０にほぼ等しいＦａとな
り、その結果ゲイン余有は２．７［ｄＢ］と極めて悪い
値となっている。一方、１次遅れの安定性補償を付加
し、ループ・ゲインを増加した場合は、−１８０［ｄｅ
ｇ］位相遅れの周波数がシステム固有振動数Ｆ０よりも
低域のＦｂに移動すると共に、１次遅れのゲイン特性が
高域で減衰するために、一巡特性のゲインが低化するこ
とにより、ゲイン・マージンは６［ｄＢ］に増加し、安
定性が増大している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の各方法にあっては以下に述べるような問題がある。

【０００８】まず、状態量フィードバック方式のうち、
シリンダ差圧の微分フィードバック方式においては、シ
リンダの差圧検出器、信号処理器（復調器、ローパスフ
ィルタ、微分回路）などが必要となり、部品点数が増え
てシステムの信頼性が低下するとともに制御システムの
コストが高くなるという問題がある。

【０００９】また、加速度算出フィードバック方式にお
いては、位置検出器として、いわゆる、LVDT（Linear V
oltage Differential Transformer：差動変圧器）を用
いると、出力信号から加速度を算出する際外部ノイズの
影響を受けやすく実用には適さない。このため、この方
式を採用するとすれば、光エンコーダなどのディジタル
位置検出器を用いる必要があるが、航空機用途など環境
条件の厳しい場合には現在の光エンコーダは用いること
ができない。

【００１０】さらに、加速度センサによる加速度フィー
ドバック方式にあっては、加速度センサを作動部に取付
ける必要があるが、この場合、センサのケーブル折損の
恐れがあり、制御システムの信頼性に問題が生ずる。

【００１１】ゲイン余有定義周波数の変更によっては、
ゲイン余有の増大により安定性を良くすることはでき
る。しかし、前向き要素として、１次遅れを挿入し、ル
ープ・ゲインを増加しても、応答性がさほど改善されな
いという問題がある。以下に、その経緯を説明する。

【００１２】先に説明した図１６にボード線図を示す１
次遅れ挿入後のシステムにおける、付加した１次遅れ要
素の特性を図１８に示す。その伝達関数はＧ（ｓ）＝Ｋ
／（１＋ｓＴ）［Ｋ＝２．９２，Ｔ＝０．０３５４［ｓ
ｅｃ］］であり、図１６をクローズ・ループに変換し、
アクチュエータ出力の周波数特性に換算したボード線図
が図１７である。この図からもわかるように遮断周波数
は１．６４［Ｈｚ］であり、比較的即応性が欠けること
がわかる。この理由は前向き要素に遅れ要素を挿入して
いることに起因している。

【００１３】そこで、本発明はアナログ並びにディジタ
ルにて実現でき、即応性に優れた安定性を補償した液圧
アクチュエータのフィードバック制御装置を提供するこ
とを課題としている。

【００１４】

【課題を解決する手段】本発明は、液圧アクチュエータ
の位置を指令する指令部と、液圧アクチュエータの位置
を計測する計測部と、指令部の後に接続され、指令部の
出力から計測部の出力を減算する減算器と、減算器の出
力を電流または電圧に出力する電気出力部と、電気出力
部の出力を受けて作動する電気液圧サーボバルブと、電
気液圧サーボバルブにより制御される液圧アクチュエー
タと、を備えた液圧アクチュエータのフィードバック制
御装置に係るものである。

【００１５】かかる液圧アクチュエータのフィードバッ
ク制御装置は、計測部と減算器の間に並列に接続された
負の１次遅れ要素および正の比例要素を備えている。

【００１６】並列に接続された負の１次遅れ要素および
正の比例要素を等価変換すれば、K３＊（１−sT１）／
（１＋ｓＴ２）となる。ただし、K３、T１、Ｔ２は所定
の定数である。この伝達関数の代表例を図１９に示す。
このゲイン特性は概ね低周波帯域でフラット、高周波帯
域においてもフラット、中間領域で約２０［ｄＢ／ｄｅ
ｃ］の傾斜を持った特性であり、２次の遅れ特性であり
ながら、高周波ほどゲインが高い（Ｔ１＜Ｔ２，Ｔ１＞
Ｔ２）又はゲインが完全にフラット（Ｔ１＝Ｔ２）等、
ゲイン特性を任意に設定できるのが特徴であり、これに
よって、サーボ定数（制御対象の負荷条件）に応じた補
償器の最適化が容易となる。

【００１７】また、１次遅れと比較して、高周波帯域の
ゲイン特性が高いのも特徴であり、これによって、アク
チュエータのゲイン極大値を抑制しやすくなる。

【００１８】更に、位置フィード・バック側にこの補償
要素を挿入することにより、位置フィード・バック・ポ
イントからみたアクチュエータ出力部には等価的に、上
記伝達特性と逆数の進み要素が加えられたことと等価な
効果が得られ、その結果、１次遅れ補償と比較して、即
応性の優れたサーボ・システムが提供可能となる。

【００１９】さらに、指令部と減算器との間に1次もし
くは2次の進み遅れ要素を接続してもよい。遮断周波数
を大きくできるため、即応性がさらに良くなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２１】図１は、請求項１に係る実施形態である航
空機の舵面や翼の制御に用いる油圧アクチュエータのフ
ィードバック制御装置の構成を示した図である。

【００２２】図１において、指令部１１から減算器１へ
液圧シリンダの位置を指令する指令信号が送られる。減
算器１は指令信号から安定性補償要素１０の出力を減算
するものであり、この減算器１の出力はプリアンプ２、
カレントアンプ３により増幅された電流にされ、電油圧
サーボバルブ４（電気液圧サーボバルブ）に入力され
る。電油圧サーボバルブ４は入力された電流に従い開度
が決定され、液圧アクチュエータである油圧シリンダ５
を駆動する。油圧シリンダ５が動くことにより、航空機
の翼、舵面６が動く。油圧シリンダ５の位置は位置検出
器７により検出され、その出力が復調器８により復調さ
れ、フィルタ９によりノイズを除去されて、１次遅れ要
素１０ａと比例要素１０ｂに入力される。なお、プリア
ンプ２及びカレントアンプ３は電気出力部を、位置検出
器７、復調器８及びフィルタ９は計測部を、それぞれ構
成する。

【００２３】図２に示すように、安定性補償要素１０は
１次遅れ要素１０ａと比例要素１０ｂと減算器１０ｃか
らなり、１次遅れ要素１０ａと比例要素１０ｂは計測部
と減算器１の間に並列に接続されている。これら１次遅
れ要素１０ａ及び比例要素１０ｂはシリンダの位置信号
を受け、その出力は減算器１０ｃに入力される。減算器
１０ｃは１次遅れ要素１０ａの出力から比例要素１０ｂ
の出力を減算して出力する。この減算器１０ｃの出力が
安定性補償要素１０の出力となる。なお、減算器１にと
って、１次遅れ要素１０ａの出力は減算され、比例要素
１０ｂの出力は加算されることになるので、負の１次遅
れ要素１０ａと正の比例要素１０ｂが並列に接続されて
いるといえる。

【００２４】１次遅れ要素１０ａと比例要素１０ｂの伝
達特性は、図２中に示す式の通りであるので、安定性補
償要素１０は、図３のように等価変換することができ
る。図３（ａ）が等価変換する前、図３（ｂ）が等価変
換した後を示している。なお、等価変換の過程、結果は
図３に示す通りである。

【００２５】図４〜図６は安定性補償要素１０の一例を
示しており、図４に１−ｓＴ２の、図５にＫ３／（１＋
ｓＴ１）のボード線図をそれぞれ示しており、各定数は
下記の通りである。 Ｋ３＝０．２ Ｔ１＝０．０２６５［ｓｅｃ］ Ｔ２＝０．１３３［ｓｅｃ］ そして、両者を重ね合せたＫ３（１−ｓＴ２）／（１＋
ｓＴ１）の伝達特性を有する安定性補償要素１０のボー
ド線図を、図８に示している。

【００２６】なお、上述の実施形態においては、減算器
１０ｃと減算器１との間に、比例要素を設けてもよい。
図７は減算器１０ｃと減算器１との間に比例要素１５を
挿入、接続したシステムのブロック線図である。また、
上記K１、T１、K２の値によっては、安定性補償要素１
０のゲインが大きく、又は小さくなりすぎるため、比例
要素を減算器１０ｃと減算器１との間に接続して調整す
ることができる。

【００２７】さらに、図８に示すように、１次進み遅れ
要素１４を減算器１の前に接続することができ、それに
よって即応性がさらに改善される。なお、１次進み遅れ
要素１４のかわりに２次進み遅れ要素を用いても同様の
効果を奏する。

【００２８】

【実施例】（実施例１） 図１及び図２に示した実施形
態において、K１＝１．１、T１＝１／（２＊π＊９）、
K２＝１とすると、安定性補償要素１０は、図３（ｂ）
に示した結果を利用して、０．１＊（１−１０Ｔ１＊
ｓ）／（１＋ｓＴ１）となる。図９及び図１０にそのと
きの安定性補償要素１０の特性を示し、図９は０．１＊
（１−１０Ｔ１＊ｓ）および１／（１＋ｓＴ１）のボー
ド線図である。ここで、ω＝２＊π＊f（f：周波数［Ｈ
ｚ］）より、ω＝１／T１のときの周波数は９［Ｈ
ｚ］、ω＝１／１０T１のときの周波数は０．９［Ｈ
ｚ］となる。図９に示した２つの特性を重ね合せたもの
が、図１０に示す０．１＊（１−１０Ｔ１＊ｓ）／（１
＋ｓＴ１）のボード線図である。

【００２９】ゲイン−周波数特性によれば、周波数が
０．９［Ｈｚ］以下では、ゲインは−２０［ｄＢ］に近
づき、９［Ｈｚ］以上では０［ｄＢ］に近づく。また、
位相−周波数特性によれば、位相が遅れることがわか
る。

【００３０】この安定性補償要素１０を採用し、更に、
ループ・ゲインの適正化を行えば、位相が遅れるのでゲ
イン余有定義周波数をゲインが極大になる周波数から離
すことができ、安定性が高まる。しかも、制御対象の固
有振動数が９［Ｈｚ］付近ならば、安定性補償要素１０
のゲインは９［Ｈｚ］以上では０［ｄＢ］に近づくた
め、ゲインが急激に減少しない。よって、遮断周波数が
小さくならないので、即応性がよくなる。

【００３１】本実施例における制御対象は固有振動数が
９［Ｈｚ］付近であり、９［Ｈｚ］付近でゲインが極大
値をとる。そして、周波数が９［Ｈｚ］を超えるとゲイ
ンが減少し、ゲインが−３［ｄＢ］になったときの周波
数が遮断周波数となる。ここで、安定性補償要素１０の
ゲインは９［Ｈｚ］以上では０［ｄＢ］に近づくため、
ゲインは全体としては、周波数が９［Ｈｚ］以上になっ
ても、急激には減少しない。よって、上記のとおり、遮
断周波数が小さくならないので、即応性がよくなるので
ある。しかも、安定性補償要素１０のゲインは０［ｄ
Ｂ］以下なので、システム全体のゲインの極大値が大き
くならずに済む。

【００３２】安定性補償要素１０を制御対象に挿入した
システムの一巡伝達特性のボード線図を図１１に、クロ
ーズループ特性のボード線図を図１２に示す。図１１よ
り、ゲイン余有７．０［ｄＢ］、位相余有５８．０［ｄ
ｅｇ］となる。図１２より、遮断周波数３．３［Ｈ
ｚ］、ゲインの極大値−５．８［ｄＢ］となる。

【００３３】従来例の１次遅れ補償を行ったときと実施
例１（安定性補償要素１０により安定性を補償したと
き）を表１に比較する。即応性が良く、安定性も問題が
ないことがわかる。

【表１】 ただし、システムの固有振動数は９．５［Ｈｚ］であ
る。 （実施例２） 図８に示した実施形態において、１次進
み遅れ要素１４の特性を図１３に示すボード線図のよう
に設定し、この１次進み遅れ要素１４を減算器１の前に
接続して、システムの一巡伝達特性が第一の実施形態と
同様なシステムとする。

【００３４】この場合、システムの一巡伝達特性は、図
１１と変わらない。クローズループ特性は、図１２のボ
ード線図に示された特性と、図１３のボード線図に示さ
れた特性とを重ね合せたものとなる。実施例２における
システムのクローズループ特性のボード線図を図１４に
示す。同図より、遮断周波数１０．０［Ｈｚ］、ゲイン
の極大値２．７［ｄＢ］である。表２に、実施例２と実
施例１との比較を示す。

【表２】 ただし、システムの固有振動数は９．５［Ｈｚ］であ
る。

【００３５】実施例２によれば、１次進み遅れ要素を設
けたことで、さらに即応性が良くなる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、状態変数フィードバッ
クにくらべ航空機の舵面等の制御への適用が容易で、１
次遅れ補償にくらべ即応性が良くてゲインの極大値が大
きくならない、安定性が補償された液圧アクチュエータ
のフィードバック制御システムが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る油圧アクチュエータ
のフィードバック制御装置の構成図である。

【図２】一実施形態のフィードバック制御装置の要部ブ
ロック線図である。

【図３】一実施形態の安定性補償要素の等価変換を示す
図である。

【図４】一実施形態の安定性補償要素の等価変換に関連
する伝達要素のボード線図である。

【図５】一実施形態の安定性補償要素の等価変換に関連
する伝達要素のボード線図である。

【図６】一実施形態の安定性補償要素のボード線図であ
る。

【図７】一実施形態の減算器と安定性補償要素の間に比
例要素を挿入した他の実施形態のブロック線図である。

【図８】一実施形態の減算器の前に一次進み遅れ要素を
設けた他の実施形態のブロック線図である。

【図９】図８の実施形態における安定性補償要素の２つ
の伝達要素のボード線図である。

【図１０】図９に示す２つの伝達特性を重ね合せた安定
性補償要素の特性を示すボード線図である。

【図１１】実施例１のシステムの一巡伝達特性を示すボ
ード線図である。

【図１２】実施例１のシステムのクローズループ特性を
示すボード線図である。

【図１３】実施例２の１次進み遅れ要素の特性を示すボ
ード線図である。

【図１４】実施例２のシステムのクローズループ特性を
示すボード線図である。

【図１５】従来例の電気油圧サーボアクチュエータシス
テムの一巡伝達特性を示すボード線図である。

【図１６】前向き回路に１次遅れ要素を挿入した従来例
のシステムの一巡伝達特性を示すボード線図である。

【図１７】従来例の１次遅れ要素を制御対象に挿入した
システムの一巡伝達特性のボード線図である。

【図１８】従来例で挿入した１次遅れ要素単体の特性を
示すボード線図である。

【図１９】並列接続した負の１次遅れ要素及び正の比例
要素を等価変換した伝達要素の特性を示すボード線図で
ある。

【符号の説明】

１ 減算器 ２ プリアンプ ３ カレントアンプ ４ 電油圧サーボバルブ ５ 油圧シリンダ ６ 翼、舵面 ７ 位置検出器（計測部） ８ 復調器（計測部） ９ フィルタ（計測部） １０ 安定性補償要素 １０ａ １次遅れ要素 １０ｂ 比例要素 １０ｃ 減算器 １１ 指令部 １２ 電気出力部 １４ １次進み遅れ要素 １５ 比例要素

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液圧アクチュエータの位置を指令する指令
   部と、 液圧アクチュエータの位置を計測する計測部と、 前記指令部の後に接続され、前記指令部の出力から前記
   計測部の出力を減算する減算器と、 前記減算器の出力を電流又は電圧にする電気出力部と、 前記電気出力部の出力を受けて作動する電気液圧サーボ
   バルブと、 前記電気液圧サーボバルブにより制御される液圧アクチ
   ュエータと、 を備えた液圧アクチュエータのフィードバック制御装置
   において、 前記計測部と前記減算器の間に並列に接続された負の１
   次遅れ要素および正の比例要素、 を備えたことを特徴とする液圧アクチュエータのフィー
   ドバック制御装置。
2. 【請求項２】前記指令部と前記減算器との間に接続され
   た１次もしくは２次の進み遅れ要素を備えたことを特徴
   とする請求項１に記載の液圧アクチュエータのフィード
   バック制御装置。