JPH08511752A - 航空機周波数適応モード抑圧システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 航空機の重量が設計総重量と異なるとき、機体の曲げモードの周波数および位相が変化することを認識する、航空機モード抑圧システム。航空機の総重量の関数として表で表わされるアクティブダンパノッチフィルタを使用して、ノッチフィルタの周波数だけでなく幅および深さを航空機の総重量に従って変化させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 航空機周波数適応モード抑圧システム発明の背景 本発明は航空機モード抑圧システムに関し、より特定的には、離陸時の総重量 （ＧＷ）および燃料消費が原因で航空機の重量が設計総重量（ＤＧＷ）と異なる とき、機体の曲げモードを補償するための航空機モード抑圧システムに関する。 細長い飛行機における、突風による後部機体の横振動は、客室の後部での快適 さおよび乗り心地に影響する可能性がある。ボーイング社（The Boeing Company ）に譲渡された、米国特許番号第５，０７２，８９３号では、ボーイング社発明 の初期のモード抑圧システムは、ヨー減衰を利用して横振動を抑圧し機体の曲げ モードを制御した。第５，０７２，８９３号の特許のシステムは、横の動き検出 のためにレートジャイロを加速度計に置き替えたが、飛行機の重量が燃料消費の ために設計総重量（ＤＧＷ）と異なる場合には機体の曲げモードを完全に補償す るものではない。発明の概要 したがって、本発明の目的は、フライト管理コンピュータ（ＦＭＣ）から得た 重量信号に従い、ヨーダンパの出力を変化させて機体の曲げモードを抑圧するこ とにより重量の変化に対する補償を行なう、周波数適応モード抑圧システムを提 供することである。図面の簡単な説明 図１は、すべての飛行機の構成に対し固定制御法則を有する、先行技術による 航空機モード抑圧システムの図である。 図２は、飛行機の重量の変化を原因とした、機体の曲げモードの周波数におけ る変化に対処するために、総重量信号を制御法則に取入れる、本発明の航空機周 波数適応モード抑圧システムの概略的なブロック図である。 図３は、飛行機の総重量に従い変化する、本発明の可変ノッチフィルタの例で ある。 図４は、適応モード抑圧システムの可変部分の一般的な形式である。 図５は、重量の大きい飛行機に対する後部ステーションでの横の加速の周波数 応答グラフである。 図６は、軽量の飛行機に対する後部ステーションでの横の加速の周波数応答グ ラフである。 図７は、重量の大きい飛行機に対する後部ステーションでの横の加速の位相グ ラフである。 図８は、軽量の飛行機に対する後部ステーションでの横の加速の位相グラフで ある。 図９および図１０は、後部ステーションでの横の加速における改良を示す、周 波数応答を大きさで示したグラフである。一般的な説明 機体の曲げモードは、飛行機の横軸では優勢な構造モー ドである。細長い機体の飛行機、特にストレッチ型の飛行機では、構造モードの 振動レベルが非常に高いため、乗り心地が悪くなる。本発明の方法の実施例に先 行する、乗り心地の問題を解決するための多くの試みは、１９７０年代の、フィ ードバックのためにジャイロを用いてヨーレートを測定するＭＳＡＳシステム、 １９８５年の、受動制御システムと呼ばれる、基本的なヨーダンパの出力に位置 する単一固定周波数ノッチフィルタの使用、および１９８７、１９８８、１９８ ９年に開発された、航空機モード抑圧システムと呼ばれる、固定周波数アクティ ブフィルタと結合した複数固定周波数ノッチフィルタである。 図１は、航空機において使用される現在のモード抑圧システムを示す、詳細な ブロック図である。現在のモード抑圧システムは、飛行機の総重量が設計総重量 と異なるときには、機体の曲げモードを抑圧する上で十分に満足のゆくものでは ない。その理由は以下のとおりである。 ａ）基本的なヨーダンパにおける固定周波数ノッチフィルタは、基本的なヨー ダンパが機体の曲げモードを励起することを防止できない。 ｂ）機体の曲げモードの利得および位相特性が変化し、固定周波数アクティブ フィルタの効果を下げる。 機体曲げモードの周波数は、飛行機の総重量に従い変化する。最小重量と最大 重量との長距離飛行機の間の総重量の差は、２００，０００ｌｂｓよりも大きい 。その結果、 最初の機体の曲げモードの周波数は、およそ２．８から３．５Ｈｚへと変化する 。以降で説明する本発明の周波数適応モード抑圧システムは、結果として位相に おける変化を招く、機体の曲げモードの周波数における変化を扱う。本発明の好 ましい実施例では、フライト管理コンピュータから総重量信号を飛行機に取入れ 、その作用により受動的および能動的な制御システム両方が機体の曲げモードの 周波数に正確に適応し、かつ正確な制御信号を発生することができる。 図２は、本発明の好ましい実施例に従う好ましい信号加速度計モード抑圧シス テムを示す、詳細なブロック図である。現在の航空機の基本的なヨーダンパにお ける基本的なヨーダンパノッチフィルタ（３．５Ｈｚノッチフィルタ）の周波数 （係数）は３．５Ｈｚに固定されているが、本発明の好ましい実施例に従った、 基本的なヨーダンパのノッチフィルタの係数Ｋ１、Ｋ２、およびＫ３（表１参照 ）を、飛行機の総重量の関数として表に示す。こうしてノッチフィルタの周波数 （Ｋ３）だけでなく幅および深さ（Ｋ１／Ｋ２）を、飛行機の総重量に従って変 化させることができる。機体の曲げモードの周波数レンジ（ノッチフィルタの周 波数レンジと同じである）は、飛行機の方向舵を、その最大重量および最小重量 で掃引することにより決定する。最大重量の飛行機は、最低の周波数に第１の機 体曲げモードを有し、最小重量の飛行機は、その最高周波数に第１の 機体の曲げモードを有する。掃引プロセスは、周波数関数発生器（ＦＦＧ）を用 いてヨーダンパのサーボを駆動し、予め定められたレートで予め定められた期間 周波数が変化（上昇または下降）する正弦波（またはその他の波形）信号を用い て、生成された。これによりサーボが飛行機の方向舵を駆動して、予め定められ た周波数レンジ全体にわたって振動を発生させる。後部（および／または前部） ステーションの加速の時間応答（ヒストリ）が収集されて機体の曲げモードの周 波数が読出される周波数領域に変換される。機体の曲げモードの中間周波数は、 総重量が中間である飛行機に対して同じ掃引プロセスを用いて決定できる。これ らの中間周波数はまた、飛行機の掃引の費用があまりにもかさむ場合には、最小 および最大周波数間の周波数ポイントを線形化することで得ることができる。飛 行機の総重量はゆっくりと変化するため、最小および最大周波数間の周波数ポイ ントの数は、無限に選択できる。しかしながら、以降で説明するように、最小周 波数から最大周波数までの０．１Ｈｚの増分が、周波数ポイントおよび対応する 総重量範囲（ＳＷＲ）を選択するのに用いられる。 この場合、図３の表１に示すように、２．８Ｈｚで始まり３．５Ｈｚで終わる ８つの周波数ポイント、すなわち８つの総重量範囲が選択可能である。図５およ び６はそれぞれ、総重量が重量および軽量である飛行機の機体曲げモードを表わ す。機体の曲げモードの周波数が総重量に依存す ることは明らかである。 図７および図８は、機体の曲げモードの位相が飛行機の重量次第で大きく変化 することを示す。特定的な軽量および重量の飛行機間の、機体の曲げモードの位 相の差異は、３Ｈｚで７２度である。航空機のモード抑制システムの背後にある 操縦理論は、操縦法則と機体曲げモードとの位相の関係に基づいて制御信号を発 生するため、このことは重要である。フィルタの位相が固定されている際に機体 の曲げモードの位相が変化すれば、モード抑圧システムは、加速を抑圧するため に、適時に操縦翼面を制御することができないであろう。操縦翼面を不適切な時 に駆動すれば、制御信号の大きさ次第では、モードを励起するかまたは飛行機を 不安定にするだろう。係数Ａｏ、...、ＡｐおよびＢｏ、...、Ｂｑに対する利得 表として総重量信号を導入することにより（図２、および図４の表２参照）、ア クティブフィルタはその位相を機体の曲げモードの位相の変化と整合させて適切 な制御信号を発生し、機体の曲げモードを抑圧することができるであろう。係数 の利得を表にすることは、１つの加速度計を用いる本発明の航空機周波数適応モ ード抑制システムに限られるものではなく、周波数適応モード抑制システムに対 して用いられるマイクロプロセッサのメモリサイズおよびスピード次第では、２ つ以上の加速度計および多オーダフィルタにも適用することができる。Ｇｒは、 ｎの総重量範囲に対し、Ｇ１ないしＧｎからなる 複数利得スケジュールである。言い換えれば、各ＧＷＲは、対応するＧの利得を 備えたアクティブフィルタを有するであろう。しかしながら、このことは２つま たはそれ以上の総重量範囲が共通のフィルタまたは共通のＧｒ利得を有すること を制限するものではない。共通の固定フィルタ全体またはその一部を下流に移動 させて、モード抑圧システムおよび基本的なヨーダンパの和の後におよびもし必 要であれば３度のリミッタの前におくことができる。詳細な説明 図１は、米国特許番号第５，０７２，８９３号の図５および６に類似する、先 行技術による航空機モード抑圧システムおよび基本的なヨーダンパを示す詳細な ブロック図であり、その詳細を引用により援用し、本明細書中の図２では対応す る回路要素に対しては対応する参照番号を用いている。 図２は、本発明の好ましい実施例に従う、モード抑圧システムおよび基本的な ヨーダンパを示す詳細なブロック図である。本発明と米国特許番号第５，０７２ ，８９３号に示されるシステムとの相違は、以降でより詳細に論じられる。本発 明は、航空機搭載のフライト管理コンピュータから総重量信号２８を取り入れる 。この信号は０．５ｒａｄ／ｓのローパスフィルタ３０を通して送られいかなる 高周波数のノイズでもフィルタ処理される。フィルタ処理された総重量信号は次 に、フィルタおよび利得選択のために、 可変フィルタ３４、複数利得スケジュール３６、および可変ノッチフィルタ７２ に送られる。加速度計１０からのアナログ出力は、米国特許番号第５，０７２， ８９３号で述べられるように、数値化され、次に数値化のエイリアシング効果を 排除することを目的とするアンチエイリアシングフィルタ１２を通される。アン チエイリアシングフィルタ１２からのディジタル出力は、共通固定ｊ次フィルタ ３２を通り、ここでｊは搭載マイクロプロセッサの基準時間のみにより制限され る。共通固定フィルタ３２は、モード抑制システムの全オーダを低減するために 、可変フィルタ３４と呼ばれる複数の経路から引き出される。共通固定フィルタ 加速度計信号３２は次に可変フィルタ３４に送られ、ここで飛行機の総重量に基 づきスイッチング（フィルタ選択）が発生する（図４で詳述する）。可変フィル タ３４の出力は、複数利得スケジュールブロック３６に送られ（図４で詳述する ）、ここで対応する利得スケジュールのみが、基本的ヨーダンパのコマンドとの 総和を計算する前に活性化される。 図３は本発明の可変ノッチフィルタを例示する。図１のノッチフィルタ７０は 周波数３．５Ｈｚで固定されるが、可変ノッチフィルタは飛行機の総重量に従い 予め定められた周波数に設定される。表２は、ｎ＝８個の総重量範囲を有する可 変ノッチフィルタの例である。係数Ｋ３の値を予め規定された総重量範囲に割り 当てることにより、ノッチ フィルタの周波数はそれに従い変化し、ノッチフィルタの比率Ｋ１／Ｋ２を予め 規定された総重量範囲に設定することにより、ノッチフィルタの深さおよび幅も またそれに従い変化するであろう。 図４は、複数利得スケジュール１０および可変ノッチフィルタ２０の一般的な 形式を拡大したものである。これは基本的には複数経路であり、フィルタおよび それに対応する利得スケジュールで表わされる各経路が、総重量範囲に割り当て られ、フィルタ処理された総重量信号が重量範囲の範疇にあるときに選択される 。単一の経路は、一般的な形式２０をサブ係数ａ_0,1２２，ａ_1,1２４，．．．ａ_p,1 ２８，ｂ_0,1３０，ｂ_1,1３２，．．．ｂ_q,1３６で満たすことにより、構成で きる。各経路の形状は、その可変フィルタにより変化させることができるが、可 変フィルタの主機能は、機体の曲げモードの周波数における変化を扱うために、 システムに対し適切な位相を提供することである。重い飛行機の制御には軽い飛 行機の場合よりも大きな力が要求されるため、モード抑圧システムからのｎ組の 利得スケジュールＧ１．．．Ｇｎ信号は、航空機の方向舵に送られるであろうし 、方向舵が発生する力は、速度、高度および温度の関数である衝撃圧力ｑｃの関 数であるため、加速度信号の利得は、衝撃圧力ｑｃが増大するにつれて値が減少 する利得ファクタＧ（１、または．．ｎ）により増幅される。 図５は、重い飛行機の機体曲げモードのピークでの周波数が２．８５Ｈｚであ ることを示す、後部ステーションでの横の加速の大きさの周波数応答グラフであ る。 図６は、同じ飛行機で重量が小さい場合は３．４Ｈｚで機体の曲げモードのピ ークを有することを示す。 図７は、３Ｈｚで−７２度の位相角度を有する、重量に対する、後部ステーシ ョンでの横の加速の位相グラフである。 図８は、重量から軽量への飛行機への位相における変化を示す。同じ飛行機が 軽量の場合は、３Ｈｚで０度の位相を有する。 図９および１０は、本発明の航空機周波数適応モード抑圧システムを利用した 際の、重量および軽量の飛行機両方に対する横の加速における改良を示す、周波 数応答グラフである。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９４年１０月７日 【補正内容】 請求の範囲 ４． 航空機モード抑圧システムでの組合せにおける、 航空機の総重量を表わす総重量信号を提供するための手段と、 航空機の総重量を表わす総重量信号を提供するための前記手段に応答するフィ ルタ手段とであり、 前記フィルタ手段は航空機の機体曲げモードを抑圧するための制御信号を発生 する、組合せ。 ５． 航空機の総重量を表わす総重量信号を提供するための前記手段は、フライ ト管理コンピュータを含む、請求項４に記載の組合せ。 ６． 航空機の総重量を表わす総重量信号を提供するための前記手段に応答する 前記フィルタ手段は、航空機の総重量に従い変化する周波数、幅、および深さを 有するノッチフィルタを含む、請求項４に記載の組合せ。 ７． 前記フィルタ手段は、航空機の総重量が最大重量および最小重量の際、航 空機の方向舵を掃引することにより決定される周波数レンジを有するノッチフィ ルタを含む、請求項４に記載の組合せ。 ８． 前記フィルタ手段は航空機の機体曲げモードの位相変化の位相整合を有す るアクティブフィルタを含む、請求項４に記載の組合せ。 ９． 可変ヨーダンパノッチフィルタ。 １０． 航空機での組合せにおける、 共通固定フィルタ加速度計信号を提供するための手段と、 前記共通固定フィルタ加速度計信号に応答する可変フィルタとであり、 前記可変フィルタは航空機の総重量に応答するフィルタ選択を有し、 前記可変フィルタは航空機の制御のために、総和手段を通してヨーダンパコマ ンドに結合される出力を有する、組合せ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，Ｂ Ｒ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＺ ，ＶＮ (72)発明者 ホワイト，スティーブン アメリカ合衆国、98012 ワシントン州、 ボーセル、エイス・アベニュ・ウエスト、 17602

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 航空機周波数適応モード抑圧システムでの組合せにおける、 制御信号に応答する操縦翼面手段と、 航空機の総重量を表わす信号と、 制御信号を発生して航空機の機体曲げモードを抑圧するための、前記操縦翼面 手段に結合されたアクティブフィルタとであり、 航空機の総重量を表わす前記信号は、予め定められた係数および利得スケジュ ールを選択する能力を有するアクティブフィルタを提供し、そうすることにより 前記アクティブフィルタが航空機の機体曲げモードの位相変化の位相整合を行な うことを可能にする、組合せ。 ２． 航空機モード抑圧システムでの組合せにおける、 モード抑圧ヨーダンパ出力信号と、 重量信号を提供して前記モード抑圧ヨーダンパ出力信号を変化させて航空機の 機体曲げモードを抑圧するための、フライト管理コンピュータとである組合せ。 ３． 航空機モード抑圧システムでの組合せにおける、 航空機の総重量の関数である係数を有するアクティブヨーダンパノッチフィル タであって、前記アクティブヨーダンパノッチフィルタの周波数、幅、および深 さを航空機の総重量の関数として変化させることを可能にする、組合せ。