航空機の縦系モデルに対する、非線形制御の適用例

Size: px

Start display at page:

Download "航空機の縦系モデルに対する、非線形制御の適用例"

こうしろうありはら
5 years ago
Views:

1 制御システム工学研究グルプ航空機の縦系モデルに対する非線形最適制御の適用例菊池芳光 * * 名古屋大学 MBD 年 12 月 18 日

2 目次はじめに先行研究提案手法縦系航空機モデルシミュレーション結果おわりに

3 はじめに PIO(Pilot Induced Oscillation) Category II 速度飽和位相遅れ PIO 事故 PIOにより墜落するGripen (Sweden) 縦方向の PIO 現象 (NASA)

4 先行研究 -Windup Anti-windup 補償器飽和要素をモデルに考慮していない全体の最適性は失われる安定多様体法 [2] による非線形最適安定問題 [2] + 線形出力レギュレーション問題 [3] 飽和の非線形性を考慮した最適安定化サーボ系としての最適性がない SAAB Compensator [1] SAAB 社 (Gripen) demand Filter 1 Filter 2 To physical rate limiter [1] Sarah L. Gatley. A comparison of rate-limit compensation schemes for pilot-induced-oscillation avoidance [2] Noboru Sakamoto. Case studies on the application of the stable manifold approach for nonlinear optimal control design. Automatica, 2013 [3] Yamagishi S, Sakamoto N, Sato M. 非線形最適制御による PIO を防止する飛行制御系設計. 2013

5 先行研究実証試験 :PIO Anti-windup 補償法の実証試験 [4] Pilot Rating 追従性能の向上 (Flight Condition を設定した試験 ) H anti-windup 補償器の有効性を実証 DLR Anti-windup 補償制御 [4] O.Brieger. Flight testing of a rate saturation compensation scheme on the ATTAS aircraft. 2009

6 先行研究非線形最適制御安定多様体法 [2] 非線形最適制御系の設計手法 Hamilton-Jacobi 方程式 (HJE) を解く必要安定多様体法 [2]:HJE の解を精度よく求められる適用例 : 倒立振子の振り上げ制御 1 つの非線形コントローラで振り上げ安定化を行う! 名古屋大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻 [2] Noboru Sakamoto. Case studies on the application of the stable manifold approach for nonlinear optimal control design. Automatica, 2013 制御システム工学研究グループ

7 目次はじめに先行研究提案手法縦系航空機モデルシミュレーション結果おわりに

8 提案手法概要提案手法中心安定多様体法 [5] : 速度飽和をモデルに考慮した非線形最適サーボ系の設計非線形システム + 速度飽和評価関数速度飽和はそのままでは扱いづらい航空機系の場合, ピッチレート [5] Sakamoto N, Rehak B. Iterative methods to compute center and center-stable manifolds with application to the optimal output regulation problem. 2011

9 提案手法拡大係数系速度飽和の近似 Saturation 拡大系

10 縦系航空機モデル制御系の構成 Pilot model ler Actuator model Aircraft model Observer 15 F-16 短周期近似モデル [6] [de eg] 10 0 ft m/s rad rad time [s] 0 rad/s rad ノミナルな飛行条件 [6] Stevens, Lewis. Aircraft and Simulation. 1992

11 縦系航空機モデルパイロットモデル OLOP(Open Loop Onset Point) 基準 [7] パイロット+ 航空機系制御器の性能評価法パイロットモデル PIO に陥った時, 定数ゲインとなると仮定 OLOP 基準は非線形特性も含めて評価 PIO 発生時のパイロットモデルは定数ゲインで表現できる. Pilot model ler Actuator model Aircraft model Observer [7] H. Duda. Prediction of Adverse Aircraft-Pilot Coupling in the Roll Axis due to Rate Limiting in Flight. 1996

12 縦系航空機モデルアクチュエータモデルアクチュエータ (F-16 モデル ) 線形モデル : 一次遅れ系近似速度飽和特性を考慮した近似モデル航空機 + アクチュエータモデルの拡大系状態量 :1 次元増加提案手法は速度飽和を設計モデルに考慮

13 縦系航空機モデル拡大系拡大系 : 航空機モデル + アクチュエータモデル ( 速度飽和 ) 追従誤差外部システム ( 目標値を生成するシステム ) 評価関数評価関数を最小化する非線形最適制御系の設計

14 縦系航空機モデル評価関数の決定評価関数航空機の操縦性評価法黄色の領域内 : 飛行性能が最も良い線形領域における性能評価 + 非線形領域の性能向上 [8] Stevens Lewis. Aircraft and Simulation. 1992

15 縦系航空機モデル中心安定多様体法の適用 Hamilton-Jacobi 方程式等価 Hamilton の正準方程式ブロック対角化積分漸化式繰り返し数値計算非線形最適フィードバックコントローラ

16 目次はじめに先行研究提案手法縦系航空機モデルシミュレーション結果おわりに

17 シミュレーション結果 1 速度飽和の影響が見られる線形制御器も追従を達成

18 シミュレーション結果 2 ピッチ角コマンドが大きい線形制御器は発散 Anti-windup, 非線形最適サーボ系は追従を達成

19 シミュレーション結果 3 ロバスト性能評価

20 おわりに縦系 PIO 既存の解決法最適性を考慮した非線形最適サーボ系の設計を行った研究はない提案手法速度飽和を含む系に対する非線形最適サーボ系設計アクチュエータの速度飽和を1 次遅れと飽和で近似中心安定多様体法 HJ 方程式を解くことで非線形最適サーボ系設計ロバスト性能の向上今後の課題 JAXAの実証試験機での検証

Microsoft PowerPoint - ６．PID制御.pptx

Microsoft PowerPoint - ６．PID制御.pptx プロセス制御工学 6.PID 制御京都大学加納学 Division of Process Control & Process Systems Engineering Department of Chemical Engineering, Kyoto University manabu@cheme.kyoto-u.ac.jp http://www-pse.cheme.kyoto-u.ac.jp/~kano/