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1 KMAP による水中ビークルの制御 (3)- ラタ ー操舵応答 1 217(H29) 片柳亮二 問題 前資料 KMAP による水中ビークルの制御 (1)- エレヘ ータ操舵応答 において求めた運動方程式を用いて, 水中ビークルの横 方向系の運動を解析せよ. ただし, 水中ビークルのデータは前資料 KMAP による水中ビークルの制御 (1)- エレヘ ータ操舵応答 と同じとする. 解 前資料 KMAP による水中ビークルの制御 (1)-エレヘ ータ操舵応答 を用いて, 横 方向系の運動を KMAP で解析する. KMAP( バージョン 114 以降 ) を起動して, 1 KMAP*** 解析内容選択画面 3 キーイン 2 データファイル利用方法 3 をキーイン 3 3: 機械システム制御の実際の例題 3 キーイン例題のインプットデータ CDES.WAT8.2-3.DAT 5 新しいファイル名入力してください と表示されるので, 以下, 次のようにキーイン これで解析計算が実行されて, 安定解析結果が次のように表示される....( 釣り合い飛行時のデータ )... S =.7E+1 (m2) CBAR =.19191E+1 (m) Hp =.15E+4 (ft) W =.1E+5 (kgf) qbars=.37786e+5 (kgf) ROU =.12E+3 (kgf s2/m4) V =.1288E+2 (m/s) VKEAS=.2E+2 (kt) b =.4E+1 (m) Ix=.32E+3 ( ) Iz =.33927E+4 ( ) Ixz =.E+ (kgf m s2) //// 浮力を考慮 //// CL=.14691E+ (-) α =.21877E+1 CG =.25E+2 (%MAC) ( この CL は初期釣合 G に必要な CL です ) T=.9234E+3 (kgf) δf =.E+ δe =.6123E+1 CLα=.5297E-1 (1/deg) Cmα=-.3976E-2 (1/deg) 縦安定中正点 (neutral point) hn=(.25-cmα/clα)*1=.3256e+2 (%MAC) 脚 ΔCD=.2E-1 (-), スピードブレーキΔCD=.4E-1 (-) 脚 -UP, スヒ ート フ レーキクロース, 初期フラッフ 角 δfpilot=.e+ ( 微係数推算用フラッフ δf =.2E+2 ) (CG=25%) (CG= 25.%) ( フ ライムト 有次元 ) Cyβ = E-1 Cyβ = E-1 Yβ' =-.2818E+1 Cyδr= E-2 Cyδr = E-2 Yδr'=.35943E+ Clβ = E-2 Clβ = E-2 Lβ' = E+2 Clδa= E-3 Clδa = E-3 Lδa'= E+2 Clδr=.13447E-3 Clδr =.13447E-3 Lδr'= E+1 Clp =-.2638E+ Clp =-.2638E+ Lp' = E+2 Clr =.7299E-1 Clr =.7299E-1 Lr' = E+1

2 Cnβ =.1644E-2 Cnβ1 =.1644E-2 Nβ' = E+1 Cnδa= E-5 Cnδa = E-5 Nδa'= E-2 Cnδr= E-2 Cnδr1= E-2 Nδr'= E+1 Cnp = E+ Cnp = E+ Np' =.11555E+1 Cnr =-.878E+ Cnr =-.878E+ Nr' = E+1 2 ******************************************************** (NAERO=22) 方向 δr 閉ループシステム解析 出力キーイン :i=3:beta, 4:p, 5:r, 6:PHI ( 不明なら 6 入力 ) ***** POLES AND ZEROS ***** POLES( 8), EIVMAX=.1915D+2 N REAL IMAG D+2.D D D+2 [.7E+,.1884E+2] D D+2 [.7E+,.1884E+2] D D+2 周期 P(sec)=.467E D D+2 周期 P(sec)=.467E D+1.D D D+1 [-.2431E-1,.116E+1] D D+1 周期 P(sec)=.6187E+1 ZEROS( 5), II/JJ= 5/ 2, G=-.1173D+4 N REAL IMAG D+2.D D D+2 [.7E+,.1884E+2] D D D+1.D D+.D+ この画面を消すと, 次の 解析結果の表示 の画面になる. $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$< 解析結果の表示 >$$$$$$$$$$(KMAP***)$$$$$$$$$$$ $$ : 表示終了 ( 次の解析または終了へ ) $$ $$ 1 : 安定解析図 (f 特, 根軌跡 ) (Excel を立ち上げてください ) $$ $$ ( 極 零点配置, 根軌跡, 周波数特性などの図が表示できます ) $$ $$ ( 極 零点の数値データは 9 ( 安定解析結果 ) で確認できます ) $$ $$ 2 : シミュレーション図 (KMAP( 時歴 )) (Excel を立ち上げてください ) $$ $$ (4 秒または 2 秒のタイムヒストリー図に表示できます ) $$ $$ 3 : 機体 3 面図 (Excel を立ち上げてください ) $$ $$ 4 : 飛行性能推算結果 (TES1.DAT) $$ $$ 5 : 空力係数推算結果 (TES5.DAT) $$ $$ 6 : ナイキスト線図 (Excel を立ち上げてください ) $$ $$ 7 : シミュレーション図 (KMAP(Simu)) (Excel を立ち上げてください ) $$ $$ (Z191~Z2 に定義した値をタイムヒストリー図に表示できます ) $$ $$ 9 : 釣り合い飛行時のデータおよび安定解析結果 (TES13.DAT) $$ $$ 1 : その他の Excel 図, 11 : KMAP 線図 (1), 12 : KMAP 線図 (2) $$ $$ 11 : 運動アニメーションを実行 ( ただし, 飛行機と水中ビークルのみ ) $$ $$ ( アニメーション開始 :[shift]+[s], 終了 :[shift]+[e]) $$ $$ ( アニメーション表示モート 変更 :[shift]+[v]) $$ $$ ( アニメーション機体拡大 :[Q], 縮小 :[A]) $$ $$ ( アニメーション表示回転 :[ ],[ ],[ ],[ ]) $$ $$ 12 : 運動アニメーションの移動量を調節する $$ $$ 13 : シミュレーションデータの保存と加工 $$ $$ 14 : 取り扱い説明書 (pdf 資料 ),(15: インフ ットテ ータ表示 ),(16:Ap,B2 行列表示 )$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

3 ここで, 1, 2 とキーイン /Enter すると, 極 零点, 操舵応答が次 のように Excel で表示することができる. 3 5 jω σ jω σ 図 1 KMAP(f 特, 根軌跡 C)1H r / r の極 零点配置 (CDES.WAT8.2-3.DAT) Hp (ft) δr δf 1 δa 1 α θ q (deg/s) Ny (G) ψ Nz (G) δf α ψ β δe p Nz θ δr δa q 図 2 ラダー操舵応答 図 1 は, 横 方向系 r / r の極 零点配置である. 振動根が 1 組と実根 2 個であるが, 振動根が不安定であることがわかる. 図 2 にラダー操舵による応答シミュレーション結果を示すが, 周期約 6 秒で発散しているこ Ny r φ Hp VEAS Mach Time (sec) δe β r (deg/s) p (deg/s) -2 φ KMAP(4r)9C VEAS [kt] 5 (2.5) 4 (2.) 3 (1.5) 2 (1.) 1 (.5) Mach

4 4 とが確認できる. なお, この横 方向系の特性が不安定になるのは, 運動方程式の r の式において, に関する次の項 ( mx my) V I z N I J z 2 z (1) の中の付加質量に関係する部分の存在のためである. このケースのインプットデータは次のようである. ( 同様な問題では, 例題ファイルをコピー利用して, 数値を変更して解析を行っていくとミスを防ぐことができる ) ######################( インプットデータ )####################### CDES.WAT8.2-3.DAT ( 水中ビークル横 方向系 ) < 飛行機 (M.85) 新規設計時に利用するデータ > 1 乗員と乗客数 Npassen =.4E+1 ( 名 ) 2 ペイロード Wpay =.E+ (tf) 3 航続距離 ( 巡航 ) Range =.39424E+ (1km) 4 巡航時の高度 Hp =.1E+2 (1ft) 5 巡航マッハ数 M =.135E-1 (-) 6 巡航推力比 (999 は 36Mft で 1/4 の比例値 ) ETO =.5E+ (-) 7 巡航時推力 1kgf あたりの燃料消費率 bj =.3E+ (kgf/hr) 8 離陸滑走路長 sto =.155E+5 (m) 9 着陸滑走路長 Ld =.61371E+4 (m) 1 接地速度 VTD =.23346E+3 (kt) 11 CLmaxTO 計算用のフラップ角 δfmaxto =.2E+2 12 CLmaxLD 計算用のフラップ角 δfmaxld =.4E < DATCOM 空力推算用機体諸元データ > (A) 入力データ (Ver.A) (Ver.B) (A.1) 一般 1 CLmax 計算用高度 Hp =.15E+1 (1ft) 2 CLmax 計算用マッハ数 (VKEAS から計算 ) M =.E+ (-) 3 CLmax 計算用速度 VKEAS =.2E+2 (kt) 4 離陸重量 ( 新設計開始時 ) Wto =.1E+2 (tf) 5 自重 ( 新設計で自動修正 ) Wemp =.5E+1 (tf) 6 燃料量 (1[ リットル ]=.78[kgf] で計算 ) Fuel =.58974E+1 ( キロリットル ) 7 離陸推力 ( 新設計で自動修正 ) Tto =.25E+1 (tf) 8 フラップ型式 (=9--> CLmax 読込み ) NFTYPE = 1 (-) ( NFTYPE=--> なし, NFTYPE=1--> best 2-slot ) ( NFTYPE=2--> 1-slot, NFTYPE=3--> plane )... (A.2) 主翼, フラップおよびエルロン関係 主翼面積 S =.7E+1 (m2) スパン ( 主翼 ) b =.4E+1 (m) 先細比 ( 主翼 ) λ =.3E+ (-) 前縁後退角 ( 主翼 )(999. なら 3 個テ ータ ) ΛLE =.45E+2 主翼上反角 (999. なら 3 個テ ータ ) Γ =.3E+1 胴体中心 ~expo 主翼根距離 ( 翼が下が正 ) ZW =.2E+ (m) 主翼断面後縁角主翼の前縁半径比翼厚比 ( 主翼 ) φte =.18E+2 r/c =.2E-1 (-) t/c =.11E+ (-)

5 翼厚比 ( 主翼 )(t/c) の max 位置 xt =.3E+2 (%MAC) フラップの chord extention 比 c1/c =.13E+1 (-) フラップ弦長比 ( せり出し後 ) cf/c =.3E+ (-) フラップのスパン方向開始位置 ηi =.35E+ (-) フラップのスパン方向終了位置 ηo =.7E+ (-) フラップ舵角 δf =.2E+2 エルロン弦長比 ca/c =.25E+ (-) エルロンのスパン方向開始位置 ηia =.73E+ (-) エルロンのスパン方向終了位置 ηoa =.95E+ (-) エルロン舵角 (999 はエンシ ン取付テ ータ 23 個 )δa =.2E+2... (A.3) 水平尾翼およびエレベータ関係 水平尾翼面積 S" =.2E+1 (m2) スパン ( 水平尾翼 ) b" =.25E+1 (m) 先細比 ( 水平尾翼 ) λ" =.3E+ (-) 前縁後退角 ( 水平尾翼 ) ΛLE" =.4E+2 水平尾翼上反角 Γ" =.5E+1 胴体中心 ~ 水尾 CBAR/4 距離 ( 翼が下が正 ) ZH =-.3E+ (m) 水平尾翼後端の胴体後端前方距離 PERLWH =.1388E+1 ( 胴体 %) 後縁角 ( 水平尾翼 ) φte" =.15E+2 翼厚比 ( 水平尾翼 ) t/c" =.9E-1 (-) エレベータ弦長比 ( 全動は ce/c"=1.) ce/c" =.35E+ (-) エレベータスパン方向開始位置 ηi" =.3E+ (-) エレベータスパン方向終了位置 ηo" =.9E+ (-) エレベータ舵角 δe =.2E+2... (A.4) 垂直尾翼およびラダー関係 垂直尾翼面積 ( 胴体中心線まで ) Sv =.15E+1 (m2) スパン ( 垂直尾翼 ) bv =.15E+1 (m) 先細比 ( 垂直尾翼 ) λv =.3E+ (-) 前縁後退角 ( 垂直尾翼 ) ΛLEv =.4E+2 垂直尾翼後端の胴体後端前方距離 PERLWV =.1166E+ ( 胴体 %) 後縁角 ( 垂直尾翼 ) φtev =.15E+2 翼厚比 ( 垂直尾翼 ) (t/c)v =.9E-1 (-) ラダー弦長比 cdr/c =.3E+ (-) ラダーのスパン方向開始位置 ηiv =.4E+ (-) ラダーのスパン方向終了位置 ηov =.9E+ (-) ラダー舵角 δr =.3E+2... (A.5) 胴体関係 胴体長さ LB =.85E+1 (m) 機首部 ( 前胴と同じ太さまで ) の長さ Ln =.12E+1 (m) 機首を除く前胴部 (expo 主翼根先端 ) 長さ Lf =.2E+1 (m) 胴体直径 ( 主翼部 ) d =.1E+1 (m) 胴体直径 ( 水平尾翼部 ) d" =.515E+ (m) 胴体最大上下幅 ((999 は胴体細部テ ータ 12 個 )h =.1E+1 (m) 胴体後部 base 面の直径 dbfus =.515E+ (m) <komaki Runway>... Latitude =.3514D+2 Longitude =.137D+3 Yaw =.E+... Ix(kgf m s2) =.32E+3 Iy(kgf m s2) =.32512E+4 Iz(kgf m s2) =.33927E+4 Ixz(kgf m s2) =.32E+2... Weight(kgf) =.1E+5 S(m2) =.7E+1 b(m) =.4E+1.E+ ( 1.E+ とすると Da,Dr を直接力に ) 5

6 C.BAR(m) =.19191E+1.E+ ( 1.E+ とすると De を直接力に ) CG(%) =.25E E+2 ( 主脚位置 ( 近似 )[%MAC] RsenALP(m) =.2E+2 RsenBET(m) =.E+ RsenNZ(m) =.E+ RsenNY(m) =.E+ tmax(s) = 4....<Control Surface = MIN,MAX>... De =-.2E+2.2E+2 Da =-.2E+2.2E+2 Df =-.1E+3.1E+3 Dr =-.2E+2.2E+2 Thrust =-.1E+7.1E+7...<Engin Gyro Moment>,<iT>... IR(kgf m s2) =.E+.E+ ( エンシ ン推力線角度) t(ir=)(s) =.61E+2 WR(rad/s) =.E+...<ugust Input>... t1gust(s) = 5. t2gust(s) = 1. ugust12(kt) =. t3gust(s) = 13. t4gust(s) = 16. ugust34(kt) =....<vgust Input>... t1gust(s) = 5. t2gust(s) = 1. vgust12(kt) =. t3gust(s) = 11. t4gust(s) = 16. vgust34(kt) =....<wgust Input>... t1gust(s) = 1.5 t2gust(s) = 12.5 wgust12(kt) =. t3gust(s) = 11. t4gust(s) = 16. wgust34(kt) =....<Gairyoku>... t1yaw(s) =.2E+2 t2yaw(s) =.25E+2 Yaw(kgf*m) =.E+... (KONTC=2-->CHUTE=ON) KONTC = 2...(if KONTC=2 --> Input Spin Chute Data at h<hchute)... S =.177E+3 CD =.1E+1 HCHUTE(ft) =-.5E+2 ****************(Pilot Input & Aircraft Aero. Data)******************** Start Hp(ft=.15E+4, 脚 (UP=, DN=1) NGEAR= Start VkEAS=.2E+2 Start Nz(G)=.1E+1.E+ ( 2 つ目を 1 とするとトリム計算をスキッフ ) Start THETA=.E+.E+ ( 2 つ目が 以外は初期バンク角設定 ) 1.NDe------> 2 T, De NDa------> 2 T, Da NDf------> 2 T, Df.. 6

7 6.. 4.NDr------>1 T, Dr N(THRUS)-> 4 T, D(THR) [ NMACH ]--> 2...MACH....5E+.8E+ 1.ClDr.134E-3.134E E+.E+ 3.CnDr E E E+.E+ 5.CyDa.E+.E+ 6.CyDr.1743E E-2 7.Cyr.E+.E+ 8.CmDe -.917E E-2 9.CmDf E E-2 1.Cmq E E+1 11.CmADOT -.429E E+1 12.k.1592E+.1592E+ 13.CD De.E+.E+ 14.CD Df.6466E E-3 15.CLDe.4248E E-2 16.CLDf.8756E E-2 [ NALP ]---> 2...ALP E+2.2E+2 1.ClB (.5) E E-2 (.8) E E-2 2.ClDa(.5) E E-3 (.8) E E-3 3.Clp (.5) -.263E E+ (.8) -.263E E+ 4.Clr (.5).729E-1.729E-1 (.8).729E-1.729E-1 5.CnB (.5).164E-2.164E-2 (.8).164E-2.164E-2 6.CnDa(.5).2847E E-5 (.8).2847E E-5 7.Cnp (.5).1334E+.1334E+ (.8).1334E+.1334E+ 8.Cnr (.5) -.878E E+ (.8) -.878E E+ 9.CyB (.5) E E-1 (.8) E E-1 1.CL (.5) E+.159E+1 (.8) E+.159E+1 11.Cm (.5).8748E E-1 (.8).8748E E-1 [ NHP ]----> 2...HP....E+.2E+5 7

8 CD (.5).239E-1.239E-1 (.8).239E-1.239E-1 **************************************************************************** NXP( 積分数 ),IRIG(=1: リク ),TDEBUG 時間 25. <Flight Control System Data> Hi *---GAIN----NCAL*NO1*NO2*NO3*NGO*LNO 1 //( 注 1) 制御文は 6~37 カラムに記述 2 //( 注 2)X1~X11,X15~X16 は使用済 3 //( 注 3)Z1~Z28 は設定済 4 // (Z1 ~Z4 は数学モテ ル舵角 ) 5 // (Z5 はスラスト ) 6 // (Z6 ~Z11 は直接力, モーメント ) 7 // (Z12 は応答モテ ル ) 8 // (Z13~Z16 はアクチュエータコマント ) 9 // (Z21~Z28 はセンサーテ ータ ) 1 //( 注 4)U1~U13 は設定済 11 //( 注 5) 制御則は 9 行まで 12 //######<< 縦系制御則 >>######## 13 //( 次の Z21~Z24 は変更不要 ) 14 Z21={u(m/s)}; H Z22={ALP}; H Z23={q(deg/s)}; H Z24={THE}; H //**************************** 19 //...<<De 系, ここから記述 >>... 2 Z29=U1*G; (THEC) H.1E Z32={t=G}Z24;(TH) H.E Z12=Z32+Z29;(Command) H Z3=Z24-Z29; H Z31=Z3*G; H.2E //( 開ルーフ, 根軌跡用ケ イン )(De) 26 Z13={RGAIN(De)}Z31; H //(Z13 が De コマント に接続される ) 28 // 29 //( アクチュエータ,2 次遅れ ) 3 Z1={G2^2/[G1G2]G3}Z13X19X2; H.7E H.1884E H.1E Z1={G1<=,<=G2};(De) H -.2E H.2E //(Z1 が舵角 De に接続される ) 36 // 37 //**************************** 38 //...<<Df 系, ここから記述 >> Z3=U3*G;(Df) H.1E //(Z3 が舵角 Df に接続される ) 41 // 42 //**************************** 43 //<<Thrust 系, ここから記述 >> Z5=U5*G;(DThrust) H.1E //(Z5 が推力 Dthrust に接続される ) 46 // 47 //( 縦系の応答出力を設定 ) 48 //R1=RoutDe (y1) 49 //R3=RoutDf (y2) 5 //R5=RoutDT (y3) 51 R6=Z21; (y4:u) H R7=Z22; (y5:alp) H R8=Z23; (y6:q) H R9=Z24; (y7:the) H R1=Z12; (y8:qmodel) H //( この後に必要な応答を追加 ) 8

9 57 //( 以上, 全縦系制御則完了 ) 58 //( 縦系の最後に次の END 文が必要 ) 59 {Pitch Data END}; H ( 縦系ゲイン最適化 - 探索範囲 ) 探索ゲイン数 = 重み係数 =.E+ 影響範囲 (rad/s)=.e+ *****( ゲイン最適化 - 重み関数 W(s))***** 極の数 = 零点数 = ゲイン =.E // 61 // 62 //#####<< 横方向系制御則 >>##### 63 //( 次の Z25~Z28 は変更不要 ) 64 Z25={BETA}; H Z26={p(deg/s)}; H Z27={r(deg/s)}; H Z28={PHI}; H //**************************** 69 //...<<Da 系, ここから記述 >>... 7 Z7=U2*G; H -.1E // 72 Z72=Z7*G; H -.1E Z72={G1<=,<=G2}; H -.2E H.2E //( 開ルーフ, 根軌跡用ケ イン )(Da) 76 Z14={RGAIN(Da)}Z72; H // 78 //(Z14 が Da コマント に接続される ) 79 // 8 //( アクチュエータ,2 次遅れ ) 81 Z2={G2^2/[G1G2]G3}Z14X21X22; H.7E H.1884E H.1E Z2={G1<=,<=G2};(Da) H -.2E H.2E //(Z2 が舵角 Da に接続される ) 87 // 88 //**************************** 89 //...<<Dr 系, ここから記述 >>... 9 Z9=U4*G; H -.1E Z93=Z9*G; H -.1E Z93={G1<=,<=G2}; H -.2E H.2E //( 開ルーフ, 根軌跡用ケ イン )(Dr) 95 Z16={RGAIN(Dr)}Z93; H // 97 //(Z16 が Dr コマント に接続される ) 98 // 99 //( アクチュエータ,2 次遅れ ) 1 Z4={G2^2/[G1G2]G3}Z16X24X25; H.7E H.1884E H.1E Z4={G1<=,<=G2};(Dr) H -.2E H.2E //(Z4 が舵角 Dr に接続される ) 16 //( 横方向系の応答出力を設定 ) 17 //R2=RoutDa (y1) 18 //R4=RoutDr (y2) 19 R21=Z25; (y3:beta) H R22=Z26; (y4:p) H

10 111 R23=Z27; (y5:r) H R24=Z28; (y6:phi) H //( この後に必要な応答を追加 ) 114 //( 以上, 横方向系制御則完了 ) 115 //( 最後に次の END 文が必要 ) 116 {Control Data END}; H ( 横 方向系ゲイン最適化 - 探索範囲 ) 探索ゲイン数 = 重み係数 =.E+ 影響範囲 (rad/s)=.e+ *****( ゲイン最適化 - 重み関数 W(s))***** 極の数 = 零点数 = ゲイン =.E (DATA END) ( 参考図書 ) 1) 片柳亮二 : 機械システム制御の実際 - 航空機, ロボット, 工作機械, 自動車, 船および水中ビークル, 産業図書,213. 2) 片柳亮二 : 初学者のための KMAP 入門, 産業図書,212. 3) 片柳亮二 : 航空機の飛行力学と制御, 森北出版,27. 4) 片柳亮二 :(KMAP 解説資料 ) KMAP による水中ビークルの制御 (1)- エレヘ ータ操舵応答,217. 5) 片柳亮二 :(KMAP 解説資料 ) KMAP による水中ビークルの制御 (2)- ピッチ角制御系,217. 6) 以上

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<4D F736F F D208D5C91A297CD8A7793FC96E591E631308FCD2E646F63> 第 1 章モールの定理による静定梁のたわみ 1-1 第 1 章モールの定理による静定梁のたわみ ポイント : モールの定理を用いて 静定梁のたわみを求める 断面力の釣合と梁の微分方程式は良く似ている 前章では 梁の微分方程式を直接積分する方法で 静定梁の断面力と変形状態を求めた 本章では 梁の微分方程式と断面力による力の釣合式が類似していることを利用して 微分方程式を直接解析的に解くのではなく 力の釣合より梁のたわみを求める方法を学ぶ

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