差し迫った制御不安定性の検出
【課題】対象物に刺激を与えるシステムにおいて、差し迫った制御不安定性を検出してこれを回避する方法を提供する。
【解決手段】システム１１０は、刺激エフェクター１２０により対象物１００に刺激が与えられている間にセンサー１３０により対象物の発振を示すシステムパラメータを表すパラメータ信号ＯＳＣを測定する。制御装置１４０はパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、制御不安定性を回避する信号ＣＳを刺激エフェクター１２０に与える。
【解決手段】システム１１０は、刺激エフェクター１２０により対象物１００に刺激が与えられている間にセンサー１３０により対象物の発振を示すシステムパラメータを表すパラメータ信号ＯＳＣを測定する。制御装置１４０はパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、制御不安定性を回避する信号ＣＳを刺激エフェクター１２０に与える。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
制御システムにおいて、「不安定性」という語は一般に、連続して増加する振幅を有する発振の存在を指す。ただし、ここで用いられているように、「不安定性」という語は、システムの少なくとも１つの発振モードの望ましくない振幅の存在を指す。この望ましくない振幅は、断続的、一定または連続して増加していてもよい。
【０００２】
発振は、さまざまな原因から生じる可能性がある。発振は、閉ループまたは開ループシステムにおいてモードがその固有振動数で励起される共振の結果として生じてもよい。その結果が、線形不安定性である。
【０００３】
発振は、コントローラの刺激周波数が関連はしていないが、電力を供給する、負減衰を有する自由振動の結果として生じてもよい。その結果が、自励振動である。
【０００４】
対象物に刺激を与える制御システムにおいて、発振は、摩擦やバックラッシュのような非線形性により引き起こされることがある。その結果が、リミットサイクル発振である。線形不安定性により引き起こされる発振と異なり、リミットサイクル発振は、飽和しており、振幅が増加しない。リミットサイクル発振している制御ループ付近の全体位相遅れは、ちょうど３６０度であり、かつ、ループ利得は、１である。
【０００５】
単一チャネルを有する制御システムにおいて、リミットサイクルまたはその他の発振に起因する不安定性の始まりを見極めるのは困難である。当初の不安定性を引き起こしたチャネルを突き止めることが困難であるため、複数チャネルを有する制御システムでは、上記見極めは一層困難である。そのうえ、１つの不安定チャネルが原因となり、おびただしいチャネルが不安定となりうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
望ましくない振幅を有するリミットサイクル発振およびその他の発振により引き起こされる不安定性を迅速に検出および制御する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここでのある側面にしたがって、対象物に刺激を与えるシステムにおいて、差し迫った制御不安定性を検出する。該システムは、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すシステムパラメータを表すパラメータ信号を提供する。その方法は、パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることを含む。
【０００８】
ここでの別の側面にしたがって、方法は、エフェクターを用いて、対象物に刺激を与え、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を生成し、パラメータ信号の複数の種々の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を監視し、そのままではば特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することを含む。
【０００９】
ここでの別の側面にしたがって、システムは、対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じるための制御装置とを含む。
【００１０】
ここでの別の側面にしたがって、システムは、対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、特定の周波数における発振モードをトリガーする傾向にある調整可能なパラメータを有する第１制御装置とを含む。該システムは、センサーに応答して、測定されたパラメータの複数の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を求め、特定の周波数におけるこれらの発振モードをトリガーしないようにこれらのパラメータを自動的に調整するための第２制御装置をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、対象物に刺激を与えるシステムを示す。
【図２】図２は、制御システムにおける不安定性を示す。
【図３】図３は、制御システムにおける不安定性を示す。
【図４】図４は、対象物に刺激を与えるシステムにおいて差し迫った制御不安定性を検出する方法を示す。
【図５】図５は、リミットサイクル発振に起因する制御不安定性を検出および回避する方法を示す。
【図６】図６は、比例積分微分制御装置を示す。
【図７】図７は、モデル規範形適応制御装置を示す。
【図８】図８は、フライス盤を示す。
【図９】図９は、航空機の翼用動水力システムを示す。
【図１０】図１０は、差し迫った制御不安定性を検出するための制御装置のハードウェア実施構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
対象物１００に刺激を与えるためのエフェクター１２０を含むシステム１１０を示す図１を参照する。刺激は、圧力、力、位置、温度、速度またはその他、もしくは、複数の刺激の組み合わせとすることが可能である。例えば、刺激エフェクター１２０は、少なくとも１つのアクチュエーターを含んでいてもよい。
【００１３】
センサー１３０は、対象物１００の発振運動を示すフィードバックまたは別のパラメータを監視する。センサー１３０は、パラメータ信号ＯＳＣを生成する。ある実施形態において、信号ＯＳＣは、閉ループシステムに対するフィードバックであってもよい。他の実施形態において、信号ＯＳＣは、発振（例えば、圧力信号が実際のフィードバックであった場合の圧力制御システムにおける振動）について監視される別のパラメータを表してもよい。
【００１４】
システム１１０は、刺激エフェクター１２０を制御するための制御装置１４０をさらに含む。制御装置１４０は、開ループまたは閉ループとすることが可能であり、パラメータ信号ＯＳＣに応答して刺激を制御する制御信号ＣＳを生成する。
【００１５】
システム１１０の動作中、外部刺激もまた対象物１００に与えられてもよい。例えば、対象物１００の上方を流れている空気は、空気力学的な力を対象物１００に印加してもよい。これらの外部刺激は、刺激エフェクター１２０により与えられるものではない。
【００１６】
システム１１０は、単純または複雑にすることが可能である。単純なシステムは、開ループ制御による単一チャネルを含んでもよい。航空機翼アクチュエーターシステムなどの複雑なシステムは、閉ループ制御による複数のチャネルを有していてもよい。
【００１７】
図２および図３は、対象物１００に経時的に印加される正弦波力の単一サイクルの時間領域表現および周波数領域表現である。周波数領域表現は、２．５Ｈｚにおいて印加されるより高い振幅成分３１０を示している。このより高い振幅成分３１０は、動作条件に対応している。
【００１８】
周波数領域表現はまた、約８０Ｈｚにおけるより低い振幅成分３２０を示している。矢印３３０は、あるスペクトル域にわたって成分３２０が変動する（例えば、±１０Ｈｚ）ことを示している。この変動は、システムの共振周波数を変化させる油圧アクチュエーターの位置ストロークなどのパラメータの変化の結果として生じることがある。
【００１９】
このより低い振幅成分３２０は、共振である可能性がある。その振幅が十分に高ければ、共振は、不安定性の始まりを示すことがある。
【００２０】
ただし、この特定の例については、より低い振幅成分３２０は、リミットサイクル発振に起因する不安定性を表している。リミットサイクル発振は、典型的には正弦波である。しかしながら、リミットサイクル発振は、非正弦波とすることも可能である。例えば、静止およびクーロン摩擦に起因する不安定性は、周波数の低下とともに特徴的に三角形のリミットサイクル発振を生じる。臨界速度未満で移動するとき、発振波形は、鋸歯状となる。バックラッシュの非線形性により、幾分方形波のような形状のリミットサイクル発振が引き起こされる可能性がある。
【００２１】
場合によっては、リミットサイクル発振は、不規則な周波数成分を有することがあり、かつ、複数の高調波を有する方形波に見えることがある。これらの波形における高調波のエネルギー寄与は、基本波より大きいこともある。
【００２２】
ここで、望ましくない振幅を有するリミットサイクル発振およびその他の発振に起因する制御不安定性を検出および回避するための、制御装置１４０において実施される方法を示す図４をさらに参照する。ブロック４１０において、パラメータ信号ＯＳＣを生成する。パラメータ信号ＯＳＣは、対象物１００に刺激が与えられている際の対象物１００の発振を示すパラメータを表している。
【００２３】
ブロック４２０において、制御装置１４０は、パラメータ信号ＯＳＣの選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視する。最大振幅が指定された期間にわたって持続する（例えば、閾値を超過する）場合、差し迫った制御不安定性が想定される。
【００２４】
振幅は、あるスペクトル域にわたって持続する可能性がある。したがって、特定の周波数ではなくスペクトル帯を監視する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、支配的なトーンは、対象物１００およびシステム１１０の先験的知識により求めることができる。例えば、支配的なトーンは、システム１１０の駆動周波数の倍数であってもよい。駆動周波数は、誤差（すなわち、コマンドとフィードバックとの差異）の関数として監視してもよい。
【００２６】
他の実施形態において、支配的なトーンは、パラメータ信号ＯＳＣの周波数領域表現を解析することにより見出してもよい。一例として、パラメータ信号ＯＳＣがＦＦＴを実行することにより解析されるとき、第１列を周波数、第２列を対応する周波数に対する振幅とするある行列を構築できる。図３の表現について、例えば、１０ｌｂｓを超える振幅を求めて該行列を検索した場合、１つの振幅が２．５Ｈｚにおいて見出され（２７０ｌｂｓ）、かつ、別の振幅が８０Ｈｚにおいて見出される（５０ｌｂｓ）だろう。システム１１０は、２．５Ｈｚにおいて駆動されているので、その周波数／振幅は無視されるだろう。
【００２７】
ブロック４３０において、指定された期間にわたって最大振幅が閾値を超過する場合、差し迫った制御不安定性を回避する措置を講じる。措置の例として、限定はされないが、システム１１０をシャットダウンすること、操作者の介入に対する警告を発すること、および、不安定性を回避するために制御装置１４０の利得を変動させることが挙げられる。利得を変動させることの一例として、駆動周波数を監視し、誤差限界を超過した場合、制御装置１４０の比例利得を下げる。これは、例えば、システム１１０がその共振周波数またはその近傍で駆動されねばならないときに有益であろう。
【００２８】
図４の方法は、リミットサイクル発振などの制御不安定性の回避に対する迅速かつ単純な取り組み方を提供する。スペクトルピークの相関は必要ない。位相情報の解析は必要ない。特定の振幅値を下回る発振は無視される。最大振幅および対応する周波数成分のみを監視して、制御不安定性が差し迫っているか否かを判定する。トリガー発振が検出されることがあり、１サイクルのみの発振後に所望の措置が呼び出されることがある。
【００２９】
図４の方法は、対象周波数とほぼ等しいか、これよりわずかに小さいか、わずかに大きい有界スペクトル領域において発振を検出しうる。該方法はまた、発振が有界スペクトル領域に存在しないか否かを検出する。例えば、制御装置１４０は、発振が有界スペクトル領域に存在しているデフォルト条件を有する。望ましくない環境要因またはその他の要因により、この発振の周波数が境界領域の外へ移動し、制御装置１４０により特定されている適切な措置をトリガーすることがある。
【００３０】
正弦波の発振に対しては、支配的なトーンのみの検出が適している。しかしながら、ここでの方法は、そのように限定されてはいない。ここでの方法は、高調波を有する発振信号上の不安定性も検出できる。支配的なトーンのエネルギーに加えてこのトーンの高調波を監視することにより、非正弦波リミットサイクル発振に起因する差し迫った制御不安定性を検出および回避することができる。あるシステムにおいて、基本波周波数の発振は、小さい振幅であるかもしれないが、高調波に有害なエネルギーが存在するかもしれない。制御装置１４０は、スペクトル全体にわたってエネルギー含量を評価することができる。一例としては、寄与が基本波周波数の奇数調波である方形波型の波形を結果として生じるリミットサイクル発振であろう。制御装置１４０は、スペクトル域全体にわたってピークを見出し、高調波であると突き止め、振幅をまとめて合計を得てもよい。
【００３１】
ここでの方法は、リミットサイクル発振に限定されない。該方法はまた、共振励起および負減衰を有する発振（自励振動）に起因する差し迫った不安定性を検出することもできる。
【００３２】
ここでの方法は、バッチ処理および熱処理のような遅いシステムに適用してもよい。ここでの方法は、航行のようなより速いシステム、ならびに、油圧および電気力ならびに位置アクチュエーターのようなさらに速いシステムに適用してもよい。これらのより速いシステムの例として、産業用および医療用機械類およびロボット工学、自動車および航空機臨床試験、ならびに、操縦装置が挙げられる。
【００３３】
ここで、測定されたパラメータ上で検出された発振に起因する制御不安定性を検出および回避する方法の一実施形態を示す図５を参照する。ブロック５１０において、評価中のシステムは、対象物に刺激を与える。刺激は、制御信号に応答して与えられてもよく、または、刺激は、フライス盤上の回転数および送り動作といった間接的なエネルギー入力であってもよい。
【００３４】
ブロック５２０において、センサー信号および取得を行い、対象物の発振運動の時間領域データを生成する。該データは、デジタルまたはアナログモードで取得可能である。この時間領域データは、定期的に更新される。
【００３５】
ブロック５３０において、時間領域データを周波数領域表現に変換する。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、ゼロ交差／時間間隔／最大振幅、最適化Ｇｏｅｒｔｚｅｌフィルタリングまたは周波数‐電圧変換のような変換方法を用いてもよい。
【００３６】
支配的なトーンが先験的に分かっている場合、Ｇｏｅｒｔｚｅｌフィルタリングのような方法がＦＦＴよりも有利である。ＦＦＴとは異なり、Ｇｏｅｒｔｚｅｌフィルタリングは、サンプルサイズが２のべき乗であることを必要とせず、目的とする周波数のみについて検索可能である。
【００３７】
支配的なトーンが先験的に分かっていない場合、時間領域データは、ＦＦＴを介して周波数領域に変換することができる。各セルの値は、種々の周波数における振幅となる。ＦＦＴは、データが取得される度に実行してもよい。支配的な周波数は、時間と共に変化する。さらに、支配的な周波数は、独立した要因によっては断続的に見えるかもしれない。これらが理由で、たいていの物理的システムでは、時間領域データの後続のセットの各々において全周波数が検索されることがある。スペクトル帯は境界が明瞭であるかもしれない一方、支配的なトーンは該帯内で変動する。
【００３８】
いくつかのシステムについて、周波数領域変換は、まとめて省くことが可能である。例えば、発振は、通過帯域およびそのピーク値における発振のＡＣ結合ゼロ交差を求めることにより時間領域において直接計算することができる。
【００３９】
ブロック５４０において、最大振幅および対応する周波数（すなわち、最大振幅における周波数）を見出す。ブロック５５０において、極限について最大振幅および対応する周波数を評価する。
【００４０】
最大振幅が閾値を超過しない場合（ブロック５６０）、時間領域データの新たなセットを処理する（ブロック５２０からブロック５５０）。最大振幅が閾値を超過し、対応する周波数がスペクトル帯内にある場合、持続性についてデータを評価する（ブロック５７０）。持続性基準がまだ満たされていない場合（ブロック５８０）、時間領域データの新たなセットを処理する（ブロック５２０からブロック５５０）。
【００４１】
持続性基準が満たされた場合（ブロック５８０）、許容できない発振イベントを検出し、かつ／または、差し迫った不安定性を想定する。したがって、発振の振幅を低減する措置を講じる。図５の例において、制御利得を調整する（ブロック５９０）。望ましくない発振を非常に迅速に検出するので、システムをシャットダウンせねばならなくなる前に利得を調整する十分な時間がある。
【００４２】
利得調整は、動作の「単発の」または「再トリガー可能な」または「連続した」モードであってもよい。回避措置が利得低減を伴う場合、単発モードでは、利得は、不安定性が生じる際に低減されるが、システムが安定している際には増加しない。再トリガー可能モードでは、利得は、システムが安定動作を達成したとき増加させ、（ヒステリシスを暗示する）不安定性の始まりの際に低減させることができる。
【００４３】
連続モードでは、測定したパラメータの支配的なトーン（例えば、油圧を制御する際の試験片の振動）を監視し、かつ、このパラメータの振幅の関数として利得を調整する。利得は、最大限度および最小限度を有していてもよい。利得は、利得余裕が維持されるように常に変動させてもよい（図６参照）。この連続モードにより、システムは、たとえシステムパラメータ（プラント）が変化しても最大応答で動作可能である。
【００４４】
ここでの方法のいくつかの実施形態において、システムの動作中に単一のスペクトル帯しか監視できないことがある。他の実施形態において、複数のスペクトル帯を同時に監視してもよい。スペクトルの種々の部分を解析して、種々の制御パラメータを調整してもよい。特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にある、利得調整、挿入レベル、強制要因などのような調整可能なパラメータを有するいかなる制御装置も、選択性周波数領域検出の利益を享受する可能性がある。例えば、比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置またはモデル規範形適応制御装置において、複数帯域を同時に解析してもよい。
【００４５】
ここで、ここでの方法に従って利得を調整する単純化されたＰＩＤ制御装置を示す図６を参照する。過剰な比例積分微分利得は、種々のシステムにおいて異なった影響を有することがあるが、この単純化された制御装置では、積分器利得を増大させることにより、低い周波数発振が生じ、過剰な比例利得により、比較的中間の周波数発振が生じ、過剰な微分利得により、より高い周波数モードが励起されることとなる。
【００４６】
動作中、加算接合器６１０において測定されたパラメータＯＳＣからコマンドまたはその他の参照信号（ＣＭＤ）を減算して、誤差信号（ＥＲＲ）を作成する。ブロック６２０およびブロック６３０において、測定されたパラメータＯＳＣはまた、周波数領域表現に変換され、周波数成分および大きさについて解析される。
【００４７】
ブロック６４０は、スケジューリングのためのスペクトル基準を判定する。周波数ピークが微分利得調整のためのスペクトル基準（高周波成分）内にあれば、微分利得を自動的に調整する。この調整は、利得スケジュール６４１において速度を選択し、誤差信号に選択した速度を掛けることにより行ってもよい（ブロック６４２）。こうして低減されるのは、パラメータ信号の高周波成分の長引くピークである。
【００４８】
周波数ピークが積分利得調整のためのスペクトル基準（低周波成分）内にあれば、積分利得および寄与率を自動的に調整する。この調整は、スケジュール６４４から利得項を選択し、蓄積された誤差に利得項を掛けることにより行ってもよい（ブロック６４６）。図示はしていないが、誤差積分関数から寄与されうる全コマンド信号の割合もまた、この同じ方法により調整してもよい。こうして低減されるのは、パラメータ信号の低周波成分の長引くピークである。
【００４９】
周波数ピークが比例利得調整のためのスペクトル基準（中間成分）内にあれば、比例利得を自動的に調整する。例えば、利得に対する比例調整は、リアルタイムでの（スペクトル基準内の）フィードバック信号発振の絶対値に基づいている（ブロック６４８〜６４９）。
【００５０】
調整された成分は、接合器６５０において合計され、増幅器６６０において増幅される。増幅器６６０の出力は、制御信号（ＣＳ）を生成し、該制御信号が刺激エフェクターに供給される。
【００５１】
比例、積分および微分利得は、利得余裕および位相余裕がゼロに低減されると、スペクトルの種々の領域の励起を生じることが多い。一例として、動作周波数は、約５Ｈｚの過剰な積分利得に起因する不安定性を有してＤＣから１Ｈｚであってもよい一方、過剰な比例利得により、１２Ｈｚ領域における発振が生じてもよく、かつ、微分利得により、４０Ｈｚ領域における発振が生じてもよい。
【００５２】
ここで、モデル規範形適応制御装置７１０に関するここでの方法を示す図７を参照する（典型的な実施構成が示されている）。モデル規範形適応制御装置７１０の一実施構成は、「多重入力最小積分制御合成」（ＭＩＭＩＣＳ）として知られている。制御装置７１０へのインタフェースは、設定または調整可能なパラメータを含む。これらパラメータは、収束係数７２０、折れ点周波数７３０および利得ロック／出力ゼロ化７４０を含む。折れ点周波数７３０を用いて、プラント７１２の最も支配的な成分に相当するモデル７１１を導き出す。収束係数７２０は、一旦、適応ブロック７１３がオンになるとフィードバックがコマンド信号を実現すべき速度を示す。利得制御７４０は、オンまたはオフとなっている。
【００５３】
ここでの方法に従って動作している制御装置７５０は、収束、折れ点周波数および利得制御７２０、７３０および７４０を制御することによりモデル規範形適応制御装置７１０と接続して機能する。収束が高く設定されすぎている場合、発振が起こる。制御装置７５０は、これら発振を検出し、収束速度を低減することができる。
【００５４】
制御装置７５０はまた、いくつかの利得ＫおよびＫｕの調整を引き起こすことができる。これらの利得ＫおよびＫｕは、新たな収束値で学習段階が再開するようにゼロに設定してもよい。図７の制御装置７１０において、利得ＫおよびＫｕは、適応ブロック７１３により制御されるが、利得ロック／出力ゼロ化７４０を介して制御装置７５０により再度ゼロ化またはロックされることも可能である。
【００５５】
ここでの制御装置のいくつかの実施形態は、補正フィルターを用いて、特定の帯域における位相シフトまたは減衰を調整することができる。不安定性は、位相余裕が低い（例えば、フィードバック位相がコマンドから−１８０度に近づく）ときに起こりうる。位相調整は、単発でも、再トリガー可能でも、連続していてもよい。連続した位相調整において、位相は、位相余裕が維持されるように常に変動可能であることにより、システムパラメータ（プラント）が変化することがあっても最大応答で動作する。対照的に、従来のシステムは、補償を統計的に設定している。
【００５６】
ここでの方法は、「バングバング」コントローラとともに用いてもよい。バングバングコントローラのヒステリシスが小さすぎる場合、より高い周波数のオーバーシュートおよびアンダーシュートが常に起こるだろう。ここでの方法は、ヒステリシス設定の増大に用いてもよい。
【００５７】
ここでの方法は、単純な単一チャネルシステムに適用してもよい。そのようなシステムの１つは、フライス盤の単一軸である。
【００５８】
部品８０５を機械加工するためのフライス盤８００を示す図８を参照する。フライス盤８００は、部品８０５を支持するための台８１０と、電源８２０と、切削工具８３０と、切削工具モーター８４０と、切削工具８３０の回転速度を制御するための第１開ループ制御装置８５０とを含む。フライス盤８００は、（送りモーター８７０を介して）台８１０の並進速度を制御するための第２開ループ制御装置８６０をさらに含み、これにより、切削工具８３０内への部品８０５の送り動作を制御する。センサー８８０は、部品８０５の発振を測定する。センサー８８０は、部品８０５が機械加工されているときに部品８０５の振動を測定する、例えば、加速度計であってもよい。
【００５９】
温度、同伴空気、アクチュエーター位置などは、油圧および空気制御におけるパラメータに影響を与える可能性がある。部品８０５の大きさおよび切削工具８３０の位置は、部品８０５が機械加工されているときの機械加工作業のパラメータに影響を与える可能性がある。送り動作および回転数は、開ループで実行中であってもよく、部品８０５は、その共振点において発振し始めることにより、チャタリングを引き起こすことがある。
【００６０】
フライス盤８００は、ここでの方法に従ってセンサー８８０の出力を解析するためのここでの制御装置８９０をさらに含む。制御装置８９０は、差し迫った制御不安定性を検出し、あらゆる不安定性を回避する対策を講じる。例えば、制御装置８９０は、切削工具モーター８４０および送りモーター８７０への電力を適切に調整してもよい。たとえフライス盤８００は不安定にはならなくとも、部品８０５の発振を用いて、切削工具８３０および切削工具モーター８４０に対する開ループコマンドを制御することができる。
【００６１】
ここでの方法は、複数のチャネルを有するシステムにとってとりわけ有利である。一例は、臨床試験における航空機の航空機制御表面上の力を制御するためのシステムである。
【００６２】
ここで、航空機翼９１０の制御表面に対する動水力システム９００を示す図９を参照する。システム９００は、例えば、設計エンベロープに基づいた動作または最大値をシミュレートする航空機制御力の疲労試験を行うために用いてもよい。システム９００は、複数のチャネルを含んでおり、各チャネルは、力アクチュエーター９２０とここでの方法を実行する制御装置（図示せず）とを含んでいる。疲労試験中、力アクチュエーター９２０は、翼９１０の一部に負荷をかける。例えば、３０台の独立した力アクチュエーター９２０は、翼９１０に同時に力を印加することができる。
【００６３】
（矢印９３０により表される）アクチュエーターのストロークは、翼９１０に力が印加されるにつれて変動する。周波数モードは、ストロークの変化とともにスペクトル位置および振幅が変化する。動水力システム９００は、有限利得余裕を有するので、あるチャネルが不安定になり、その他のチャネルをも不安定にさせる可能性がある。結果として、望ましくない力発振が生じうる。
【００６４】
力センサー９５０は、各チャネルからの翼９１０に対する動的および静的な力を測定する。翼９１０は、ストロングバック９４０、または、航空機胴体のようなその他の構造部材に取り付けられていてもよい。力アクチュエーター９２０は、地上基準またはその他の反動的なリンク機構に反して動く。
【００６５】
テストサイクル周波数は約１Ｈｚとすることができる。本実施例において、油圧共振周波数は、翼９１０の質量および油圧油の剛性と関連付けられている。発振は、１０Ｈｚから２００Ｈｚまでの共通の油圧システムにおいて起こると考えられる。周波数掃引または解析により、数多くの周波数において予想発振モードが明らかになってもよい。これらの共振は、発振し、不安定性を引き起こす傾向についてはさまざまである。
【００６６】
全チャネルは、同時に機能する。各制御装置は、他のチャネルが駆動され発振する前に、自動的に応答し、かつ、不安定なチャネルに対する利得を即座に低減することができる。
【００６７】
力制御システム９００は、高価な試験機材の損傷を回避することにより費用の節約が可能である。試験の費用は、サイクル速度を高めることにより削減可能である。周波数帯内で利得を制御する能力により、より遅い試験周波数が、他のモードの発振を監視しつつ実行することが可能となる。
【００６８】
ここで、図１０を参照する。ここでの制御装置は、いかなる特定の実施構成にも限定されない。例えば、制御装置１０１０は、マイクロプロセッサによるものであってもよい。マイクロプロセッサによる制御装置１０１０は、プロセッサ１０２０と、記憶装置１０３０と、記憶装置１０３０に保存されているデータ１０４０とを含む。実行時、データ１０４０は、プロセッサ１０２０にここでの方法を行わせる。
【００６９】
本願は、以下の実施形態を開示している。
１． 対象物に刺激を与えるシステムにおいて差し迫った制御不安定性を検出する方法であって、前記システムは、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を提供し、前記方法は、
パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視することと、
最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることと
を含む方法。
２． 最大振幅および対応する周波数成分のみを監視し、制御不安定性が差し迫っているか否かの判定に用いる、実施形態１に記載の方法。
３． 支配的なトーンが、システムの駆動周波数の倍数である、実施形態１に記載の方法。
４． 駆動周波数における発振を無視する、実施形態３に記載の方法。
５． 支配的なトーンのピークのエネルギーと支配的なトーンの高調波とを総計し、総計を閾値と比較することにより、制御不安定性が差し迫っているか否かを判定する、実施形態１に記載の方法。
６． 対策を講じることが、システムをシャットダウンすることを含む、実施形態１に記載の方法。
７． 対策を講じることが、制御装置の利得を調整することを含む、実施形態１に記載の方法。
８． 種々のスペクトル帯を同時に解析し、そのままではば特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することをさらに含む、実施形態１に記載の方法。
９． 制御装置が比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置であり、制御信号の高周波成分の長引くピークに応答して制御装置の微分利得を自動的に調整し、制御信号の低周波成分の長引くピークに応答して積分利得および寄与率を自動的に調整し、中間の周波数成分に応答して比例利得を調整する、実施形態８に記載の方法。
１０． 比例利得に対する調整が、リアルタイムでの制御信号発振の絶対値に基づいている、実施形態９に記載の方法。
１１． 制御装置が、収束速度を含むパラメータを有するモデル規範形適応制御装置であり、差し迫った不安定性が検出される場合、収束速度を低減する、実施形態８に記載の方法。
１２． 制御装置が、特定のスペクトル帯域における位相シフトを調整する補正フィルターを用いる、実施形態８に記載の方法。
１３． 対策を講じることが、部品の機械加工中に不安定性を回避するために切削工具および供給モーターに対する電力を制御することを含む、実施形態１に記載の方法。
１４． 複数の力アクチュエーターにより対象物の種々の領域に力を印加し、パラメータ信号を種々の領域に対して生成し、かつ、対応するパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることにより、各アクチュエーターを独立して制御する、実施形態１に記載の方法。
１５． 対象物が、制御表面を有する航空機翼であり、力アクチュエーターが、試験中に翼に力を印加し、問題となっているアクチュエーターに対して対策を講じることが、他のアクチュエーターが駆動されて発振する前に制御利得を低減することを含む、実施形態１４に記載の方法。
１６． エフェクターを用いて、対象物に刺激を与えることと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を生成することと、
パラメータ信号の複数の種々の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を監視することと、
そのままではば特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することと
を含む方法。
１７． 対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じるための制御装置と
を含むシステム。
１８． エフェクターおよび制御装置が複数のチャネルを含み、各チャネルが力アクチュエーターおよびアクチュエーター制御装置を含み、チャネルにより対象物の種々の領域に力が印加され、パラメータ信号が種々の領域に対して生成され、対応するパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって閾値を超過する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることにより、各チャネルが独立して制御される、実施形態１７に記載のシステム。
１９． 対象物が、航空機翼または制御表面であり、力アクチュエーターが、試験中に翼または制御表面の種々の領域に対して動作し、他のチャネルが駆動されて発振する前に問題となっているチャネルのアクチュエーター制御において利得を低減する、実施形態１８に記載のシステム。
２０． 対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
特定の周波数における発振モードをトリガーする傾向にある調整可能なパラメータを有する第１制御装置と、
センサーに応答して、測定されたパラメータの複数の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を求め、特定の周波数におけるこれらの発振モードをトリガーしないようにこれらのパラメータを自動的に調整するための第２制御装置と
を含むシステム。
【符号の説明】
【００７０】
１００ 対象物
１１０ システム
１２０ エフェクター
１３０ センサー
１４０ 制御装置
７１０ モデル規範形適応制御装置
７２０ 収束係数
７３０ 折れ点周波数
７４０ 利得ロック／出力ゼロ化
７５０ 制御装置
８００ フライス盤
８０５ 部品
８１０ 台
８２０ 電源
８３０ 切削工具
８４０ 切削工具モーター
８５０ 第１開ループ制御装置
８６０ 第２開ループ制御装置
８７０ 送りモーター
８８０ センサー
８９０ 制御装置
９００ 動水力システム
９１０ 航空機翼
９２０ 力アクチュエーター
９４０ ストロングバック
９５０ 力センサー
１０１０ 制御装置
１０２０ プロセッサ
１０３０ 記憶装置
１０４０ データ
【背景技術】
【０００１】
制御システムにおいて、「不安定性」という語は一般に、連続して増加する振幅を有する発振の存在を指す。ただし、ここで用いられているように、「不安定性」という語は、システムの少なくとも１つの発振モードの望ましくない振幅の存在を指す。この望ましくない振幅は、断続的、一定または連続して増加していてもよい。
【０００２】
発振は、さまざまな原因から生じる可能性がある。発振は、閉ループまたは開ループシステムにおいてモードがその固有振動数で励起される共振の結果として生じてもよい。その結果が、線形不安定性である。
【０００３】
発振は、コントローラの刺激周波数が関連はしていないが、電力を供給する、負減衰を有する自由振動の結果として生じてもよい。その結果が、自励振動である。
【０００４】
対象物に刺激を与える制御システムにおいて、発振は、摩擦やバックラッシュのような非線形性により引き起こされることがある。その結果が、リミットサイクル発振である。線形不安定性により引き起こされる発振と異なり、リミットサイクル発振は、飽和しており、振幅が増加しない。リミットサイクル発振している制御ループ付近の全体位相遅れは、ちょうど３６０度であり、かつ、ループ利得は、１である。
【０００５】
単一チャネルを有する制御システムにおいて、リミットサイクルまたはその他の発振に起因する不安定性の始まりを見極めるのは困難である。当初の不安定性を引き起こしたチャネルを突き止めることが困難であるため、複数チャネルを有する制御システムでは、上記見極めは一層困難である。そのうえ、１つの不安定チャネルが原因となり、おびただしいチャネルが不安定となりうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
望ましくない振幅を有するリミットサイクル発振およびその他の発振により引き起こされる不安定性を迅速に検出および制御する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここでのある側面にしたがって、対象物に刺激を与えるシステムにおいて、差し迫った制御不安定性を検出する。該システムは、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すシステムパラメータを表すパラメータ信号を提供する。その方法は、パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることを含む。
【０００８】
ここでの別の側面にしたがって、方法は、エフェクターを用いて、対象物に刺激を与え、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を生成し、パラメータ信号の複数の種々の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を監視し、そのままではば特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することを含む。
【０００９】
ここでの別の側面にしたがって、システムは、対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じるための制御装置とを含む。
【００１０】
ここでの別の側面にしたがって、システムは、対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、特定の周波数における発振モードをトリガーする傾向にある調整可能なパラメータを有する第１制御装置とを含む。該システムは、センサーに応答して、測定されたパラメータの複数の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を求め、特定の周波数におけるこれらの発振モードをトリガーしないようにこれらのパラメータを自動的に調整するための第２制御装置をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、対象物に刺激を与えるシステムを示す。
【図２】図２は、制御システムにおける不安定性を示す。
【図３】図３は、制御システムにおける不安定性を示す。
【図４】図４は、対象物に刺激を与えるシステムにおいて差し迫った制御不安定性を検出する方法を示す。
【図５】図５は、リミットサイクル発振に起因する制御不安定性を検出および回避する方法を示す。
【図６】図６は、比例積分微分制御装置を示す。
【図７】図７は、モデル規範形適応制御装置を示す。
【図８】図８は、フライス盤を示す。
【図９】図９は、航空機の翼用動水力システムを示す。
【図１０】図１０は、差し迫った制御不安定性を検出するための制御装置のハードウェア実施構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
対象物１００に刺激を与えるためのエフェクター１２０を含むシステム１１０を示す図１を参照する。刺激は、圧力、力、位置、温度、速度またはその他、もしくは、複数の刺激の組み合わせとすることが可能である。例えば、刺激エフェクター１２０は、少なくとも１つのアクチュエーターを含んでいてもよい。
【００１３】
センサー１３０は、対象物１００の発振運動を示すフィードバックまたは別のパラメータを監視する。センサー１３０は、パラメータ信号ＯＳＣを生成する。ある実施形態において、信号ＯＳＣは、閉ループシステムに対するフィードバックであってもよい。他の実施形態において、信号ＯＳＣは、発振（例えば、圧力信号が実際のフィードバックであった場合の圧力制御システムにおける振動）について監視される別のパラメータを表してもよい。
【００１４】
システム１１０は、刺激エフェクター１２０を制御するための制御装置１４０をさらに含む。制御装置１４０は、開ループまたは閉ループとすることが可能であり、パラメータ信号ＯＳＣに応答して刺激を制御する制御信号ＣＳを生成する。
【００１５】
システム１１０の動作中、外部刺激もまた対象物１００に与えられてもよい。例えば、対象物１００の上方を流れている空気は、空気力学的な力を対象物１００に印加してもよい。これらの外部刺激は、刺激エフェクター１２０により与えられるものではない。
【００１６】
システム１１０は、単純または複雑にすることが可能である。単純なシステムは、開ループ制御による単一チャネルを含んでもよい。航空機翼アクチュエーターシステムなどの複雑なシステムは、閉ループ制御による複数のチャネルを有していてもよい。
【００１７】
図２および図３は、対象物１００に経時的に印加される正弦波力の単一サイクルの時間領域表現および周波数領域表現である。周波数領域表現は、２．５Ｈｚにおいて印加されるより高い振幅成分３１０を示している。このより高い振幅成分３１０は、動作条件に対応している。
【００１８】
周波数領域表現はまた、約８０Ｈｚにおけるより低い振幅成分３２０を示している。矢印３３０は、あるスペクトル域にわたって成分３２０が変動する（例えば、±１０Ｈｚ）ことを示している。この変動は、システムの共振周波数を変化させる油圧アクチュエーターの位置ストロークなどのパラメータの変化の結果として生じることがある。
【００１９】
このより低い振幅成分３２０は、共振である可能性がある。その振幅が十分に高ければ、共振は、不安定性の始まりを示すことがある。
【００２０】
ただし、この特定の例については、より低い振幅成分３２０は、リミットサイクル発振に起因する不安定性を表している。リミットサイクル発振は、典型的には正弦波である。しかしながら、リミットサイクル発振は、非正弦波とすることも可能である。例えば、静止およびクーロン摩擦に起因する不安定性は、周波数の低下とともに特徴的に三角形のリミットサイクル発振を生じる。臨界速度未満で移動するとき、発振波形は、鋸歯状となる。バックラッシュの非線形性により、幾分方形波のような形状のリミットサイクル発振が引き起こされる可能性がある。
【００２１】
場合によっては、リミットサイクル発振は、不規則な周波数成分を有することがあり、かつ、複数の高調波を有する方形波に見えることがある。これらの波形における高調波のエネルギー寄与は、基本波より大きいこともある。
【００２２】
ここで、望ましくない振幅を有するリミットサイクル発振およびその他の発振に起因する制御不安定性を検出および回避するための、制御装置１４０において実施される方法を示す図４をさらに参照する。ブロック４１０において、パラメータ信号ＯＳＣを生成する。パラメータ信号ＯＳＣは、対象物１００に刺激が与えられている際の対象物１００の発振を示すパラメータを表している。
【００２３】
ブロック４２０において、制御装置１４０は、パラメータ信号ＯＳＣの選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視する。最大振幅が指定された期間にわたって持続する（例えば、閾値を超過する）場合、差し迫った制御不安定性が想定される。
【００２４】
振幅は、あるスペクトル域にわたって持続する可能性がある。したがって、特定の周波数ではなくスペクトル帯を監視する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、支配的なトーンは、対象物１００およびシステム１１０の先験的知識により求めることができる。例えば、支配的なトーンは、システム１１０の駆動周波数の倍数であってもよい。駆動周波数は、誤差（すなわち、コマンドとフィードバックとの差異）の関数として監視してもよい。
【００２６】
他の実施形態において、支配的なトーンは、パラメータ信号ＯＳＣの周波数領域表現を解析することにより見出してもよい。一例として、パラメータ信号ＯＳＣがＦＦＴを実行することにより解析されるとき、第１列を周波数、第２列を対応する周波数に対する振幅とするある行列を構築できる。図３の表現について、例えば、１０ｌｂｓを超える振幅を求めて該行列を検索した場合、１つの振幅が２．５Ｈｚにおいて見出され（２７０ｌｂｓ）、かつ、別の振幅が８０Ｈｚにおいて見出される（５０ｌｂｓ）だろう。システム１１０は、２．５Ｈｚにおいて駆動されているので、その周波数／振幅は無視されるだろう。
【００２７】
ブロック４３０において、指定された期間にわたって最大振幅が閾値を超過する場合、差し迫った制御不安定性を回避する措置を講じる。措置の例として、限定はされないが、システム１１０をシャットダウンすること、操作者の介入に対する警告を発すること、および、不安定性を回避するために制御装置１４０の利得を変動させることが挙げられる。利得を変動させることの一例として、駆動周波数を監視し、誤差限界を超過した場合、制御装置１４０の比例利得を下げる。これは、例えば、システム１１０がその共振周波数またはその近傍で駆動されねばならないときに有益であろう。
【００２８】
図４の方法は、リミットサイクル発振などの制御不安定性の回避に対する迅速かつ単純な取り組み方を提供する。スペクトルピークの相関は必要ない。位相情報の解析は必要ない。特定の振幅値を下回る発振は無視される。最大振幅および対応する周波数成分のみを監視して、制御不安定性が差し迫っているか否かを判定する。トリガー発振が検出されることがあり、１サイクルのみの発振後に所望の措置が呼び出されることがある。
【００２９】
図４の方法は、対象周波数とほぼ等しいか、これよりわずかに小さいか、わずかに大きい有界スペクトル領域において発振を検出しうる。該方法はまた、発振が有界スペクトル領域に存在しないか否かを検出する。例えば、制御装置１４０は、発振が有界スペクトル領域に存在しているデフォルト条件を有する。望ましくない環境要因またはその他の要因により、この発振の周波数が境界領域の外へ移動し、制御装置１４０により特定されている適切な措置をトリガーすることがある。
【００３０】
正弦波の発振に対しては、支配的なトーンのみの検出が適している。しかしながら、ここでの方法は、そのように限定されてはいない。ここでの方法は、高調波を有する発振信号上の不安定性も検出できる。支配的なトーンのエネルギーに加えてこのトーンの高調波を監視することにより、非正弦波リミットサイクル発振に起因する差し迫った制御不安定性を検出および回避することができる。あるシステムにおいて、基本波周波数の発振は、小さい振幅であるかもしれないが、高調波に有害なエネルギーが存在するかもしれない。制御装置１４０は、スペクトル全体にわたってエネルギー含量を評価することができる。一例としては、寄与が基本波周波数の奇数調波である方形波型の波形を結果として生じるリミットサイクル発振であろう。制御装置１４０は、スペクトル域全体にわたってピークを見出し、高調波であると突き止め、振幅をまとめて合計を得てもよい。
【００３１】
ここでの方法は、リミットサイクル発振に限定されない。該方法はまた、共振励起および負減衰を有する発振（自励振動）に起因する差し迫った不安定性を検出することもできる。
【００３２】
ここでの方法は、バッチ処理および熱処理のような遅いシステムに適用してもよい。ここでの方法は、航行のようなより速いシステム、ならびに、油圧および電気力ならびに位置アクチュエーターのようなさらに速いシステムに適用してもよい。これらのより速いシステムの例として、産業用および医療用機械類およびロボット工学、自動車および航空機臨床試験、ならびに、操縦装置が挙げられる。
【００３３】
ここで、測定されたパラメータ上で検出された発振に起因する制御不安定性を検出および回避する方法の一実施形態を示す図５を参照する。ブロック５１０において、評価中のシステムは、対象物に刺激を与える。刺激は、制御信号に応答して与えられてもよく、または、刺激は、フライス盤上の回転数および送り動作といった間接的なエネルギー入力であってもよい。
【００３４】
ブロック５２０において、センサー信号および取得を行い、対象物の発振運動の時間領域データを生成する。該データは、デジタルまたはアナログモードで取得可能である。この時間領域データは、定期的に更新される。
【００３５】
ブロック５３０において、時間領域データを周波数領域表現に変換する。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、ゼロ交差／時間間隔／最大振幅、最適化Ｇｏｅｒｔｚｅｌフィルタリングまたは周波数‐電圧変換のような変換方法を用いてもよい。
【００３６】
支配的なトーンが先験的に分かっている場合、Ｇｏｅｒｔｚｅｌフィルタリングのような方法がＦＦＴよりも有利である。ＦＦＴとは異なり、Ｇｏｅｒｔｚｅｌフィルタリングは、サンプルサイズが２のべき乗であることを必要とせず、目的とする周波数のみについて検索可能である。
【００３７】
支配的なトーンが先験的に分かっていない場合、時間領域データは、ＦＦＴを介して周波数領域に変換することができる。各セルの値は、種々の周波数における振幅となる。ＦＦＴは、データが取得される度に実行してもよい。支配的な周波数は、時間と共に変化する。さらに、支配的な周波数は、独立した要因によっては断続的に見えるかもしれない。これらが理由で、たいていの物理的システムでは、時間領域データの後続のセットの各々において全周波数が検索されることがある。スペクトル帯は境界が明瞭であるかもしれない一方、支配的なトーンは該帯内で変動する。
【００３８】
いくつかのシステムについて、周波数領域変換は、まとめて省くことが可能である。例えば、発振は、通過帯域およびそのピーク値における発振のＡＣ結合ゼロ交差を求めることにより時間領域において直接計算することができる。
【００３９】
ブロック５４０において、最大振幅および対応する周波数（すなわち、最大振幅における周波数）を見出す。ブロック５５０において、極限について最大振幅および対応する周波数を評価する。
【００４０】
最大振幅が閾値を超過しない場合（ブロック５６０）、時間領域データの新たなセットを処理する（ブロック５２０からブロック５５０）。最大振幅が閾値を超過し、対応する周波数がスペクトル帯内にある場合、持続性についてデータを評価する（ブロック５７０）。持続性基準がまだ満たされていない場合（ブロック５８０）、時間領域データの新たなセットを処理する（ブロック５２０からブロック５５０）。
【００４１】
持続性基準が満たされた場合（ブロック５８０）、許容できない発振イベントを検出し、かつ／または、差し迫った不安定性を想定する。したがって、発振の振幅を低減する措置を講じる。図５の例において、制御利得を調整する（ブロック５９０）。望ましくない発振を非常に迅速に検出するので、システムをシャットダウンせねばならなくなる前に利得を調整する十分な時間がある。
【００４２】
利得調整は、動作の「単発の」または「再トリガー可能な」または「連続した」モードであってもよい。回避措置が利得低減を伴う場合、単発モードでは、利得は、不安定性が生じる際に低減されるが、システムが安定している際には増加しない。再トリガー可能モードでは、利得は、システムが安定動作を達成したとき増加させ、（ヒステリシスを暗示する）不安定性の始まりの際に低減させることができる。
【００４３】
連続モードでは、測定したパラメータの支配的なトーン（例えば、油圧を制御する際の試験片の振動）を監視し、かつ、このパラメータの振幅の関数として利得を調整する。利得は、最大限度および最小限度を有していてもよい。利得は、利得余裕が維持されるように常に変動させてもよい（図６参照）。この連続モードにより、システムは、たとえシステムパラメータ（プラント）が変化しても最大応答で動作可能である。
【００４４】
ここでの方法のいくつかの実施形態において、システムの動作中に単一のスペクトル帯しか監視できないことがある。他の実施形態において、複数のスペクトル帯を同時に監視してもよい。スペクトルの種々の部分を解析して、種々の制御パラメータを調整してもよい。特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にある、利得調整、挿入レベル、強制要因などのような調整可能なパラメータを有するいかなる制御装置も、選択性周波数領域検出の利益を享受する可能性がある。例えば、比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置またはモデル規範形適応制御装置において、複数帯域を同時に解析してもよい。
【００４５】
ここで、ここでの方法に従って利得を調整する単純化されたＰＩＤ制御装置を示す図６を参照する。過剰な比例積分微分利得は、種々のシステムにおいて異なった影響を有することがあるが、この単純化された制御装置では、積分器利得を増大させることにより、低い周波数発振が生じ、過剰な比例利得により、比較的中間の周波数発振が生じ、過剰な微分利得により、より高い周波数モードが励起されることとなる。
【００４６】
動作中、加算接合器６１０において測定されたパラメータＯＳＣからコマンドまたはその他の参照信号（ＣＭＤ）を減算して、誤差信号（ＥＲＲ）を作成する。ブロック６２０およびブロック６３０において、測定されたパラメータＯＳＣはまた、周波数領域表現に変換され、周波数成分および大きさについて解析される。
【００４７】
ブロック６４０は、スケジューリングのためのスペクトル基準を判定する。周波数ピークが微分利得調整のためのスペクトル基準（高周波成分）内にあれば、微分利得を自動的に調整する。この調整は、利得スケジュール６４１において速度を選択し、誤差信号に選択した速度を掛けることにより行ってもよい（ブロック６４２）。こうして低減されるのは、パラメータ信号の高周波成分の長引くピークである。
【００４８】
周波数ピークが積分利得調整のためのスペクトル基準（低周波成分）内にあれば、積分利得および寄与率を自動的に調整する。この調整は、スケジュール６４４から利得項を選択し、蓄積された誤差に利得項を掛けることにより行ってもよい（ブロック６４６）。図示はしていないが、誤差積分関数から寄与されうる全コマンド信号の割合もまた、この同じ方法により調整してもよい。こうして低減されるのは、パラメータ信号の低周波成分の長引くピークである。
【００４９】
周波数ピークが比例利得調整のためのスペクトル基準（中間成分）内にあれば、比例利得を自動的に調整する。例えば、利得に対する比例調整は、リアルタイムでの（スペクトル基準内の）フィードバック信号発振の絶対値に基づいている（ブロック６４８〜６４９）。
【００５０】
調整された成分は、接合器６５０において合計され、増幅器６６０において増幅される。増幅器６６０の出力は、制御信号（ＣＳ）を生成し、該制御信号が刺激エフェクターに供給される。
【００５１】
比例、積分および微分利得は、利得余裕および位相余裕がゼロに低減されると、スペクトルの種々の領域の励起を生じることが多い。一例として、動作周波数は、約５Ｈｚの過剰な積分利得に起因する不安定性を有してＤＣから１Ｈｚであってもよい一方、過剰な比例利得により、１２Ｈｚ領域における発振が生じてもよく、かつ、微分利得により、４０Ｈｚ領域における発振が生じてもよい。
【００５２】
ここで、モデル規範形適応制御装置７１０に関するここでの方法を示す図７を参照する（典型的な実施構成が示されている）。モデル規範形適応制御装置７１０の一実施構成は、「多重入力最小積分制御合成」（ＭＩＭＩＣＳ）として知られている。制御装置７１０へのインタフェースは、設定または調整可能なパラメータを含む。これらパラメータは、収束係数７２０、折れ点周波数７３０および利得ロック／出力ゼロ化７４０を含む。折れ点周波数７３０を用いて、プラント７１２の最も支配的な成分に相当するモデル７１１を導き出す。収束係数７２０は、一旦、適応ブロック７１３がオンになるとフィードバックがコマンド信号を実現すべき速度を示す。利得制御７４０は、オンまたはオフとなっている。
【００５３】
ここでの方法に従って動作している制御装置７５０は、収束、折れ点周波数および利得制御７２０、７３０および７４０を制御することによりモデル規範形適応制御装置７１０と接続して機能する。収束が高く設定されすぎている場合、発振が起こる。制御装置７５０は、これら発振を検出し、収束速度を低減することができる。
【００５４】
制御装置７５０はまた、いくつかの利得ＫおよびＫｕの調整を引き起こすことができる。これらの利得ＫおよびＫｕは、新たな収束値で学習段階が再開するようにゼロに設定してもよい。図７の制御装置７１０において、利得ＫおよびＫｕは、適応ブロック７１３により制御されるが、利得ロック／出力ゼロ化７４０を介して制御装置７５０により再度ゼロ化またはロックされることも可能である。
【００５５】
ここでの制御装置のいくつかの実施形態は、補正フィルターを用いて、特定の帯域における位相シフトまたは減衰を調整することができる。不安定性は、位相余裕が低い（例えば、フィードバック位相がコマンドから−１８０度に近づく）ときに起こりうる。位相調整は、単発でも、再トリガー可能でも、連続していてもよい。連続した位相調整において、位相は、位相余裕が維持されるように常に変動可能であることにより、システムパラメータ（プラント）が変化することがあっても最大応答で動作する。対照的に、従来のシステムは、補償を統計的に設定している。
【００５６】
ここでの方法は、「バングバング」コントローラとともに用いてもよい。バングバングコントローラのヒステリシスが小さすぎる場合、より高い周波数のオーバーシュートおよびアンダーシュートが常に起こるだろう。ここでの方法は、ヒステリシス設定の増大に用いてもよい。
【００５７】
ここでの方法は、単純な単一チャネルシステムに適用してもよい。そのようなシステムの１つは、フライス盤の単一軸である。
【００５８】
部品８０５を機械加工するためのフライス盤８００を示す図８を参照する。フライス盤８００は、部品８０５を支持するための台８１０と、電源８２０と、切削工具８３０と、切削工具モーター８４０と、切削工具８３０の回転速度を制御するための第１開ループ制御装置８５０とを含む。フライス盤８００は、（送りモーター８７０を介して）台８１０の並進速度を制御するための第２開ループ制御装置８６０をさらに含み、これにより、切削工具８３０内への部品８０５の送り動作を制御する。センサー８８０は、部品８０５の発振を測定する。センサー８８０は、部品８０５が機械加工されているときに部品８０５の振動を測定する、例えば、加速度計であってもよい。
【００５９】
温度、同伴空気、アクチュエーター位置などは、油圧および空気制御におけるパラメータに影響を与える可能性がある。部品８０５の大きさおよび切削工具８３０の位置は、部品８０５が機械加工されているときの機械加工作業のパラメータに影響を与える可能性がある。送り動作および回転数は、開ループで実行中であってもよく、部品８０５は、その共振点において発振し始めることにより、チャタリングを引き起こすことがある。
【００６０】
フライス盤８００は、ここでの方法に従ってセンサー８８０の出力を解析するためのここでの制御装置８９０をさらに含む。制御装置８９０は、差し迫った制御不安定性を検出し、あらゆる不安定性を回避する対策を講じる。例えば、制御装置８９０は、切削工具モーター８４０および送りモーター８７０への電力を適切に調整してもよい。たとえフライス盤８００は不安定にはならなくとも、部品８０５の発振を用いて、切削工具８３０および切削工具モーター８４０に対する開ループコマンドを制御することができる。
【００６１】
ここでの方法は、複数のチャネルを有するシステムにとってとりわけ有利である。一例は、臨床試験における航空機の航空機制御表面上の力を制御するためのシステムである。
【００６２】
ここで、航空機翼９１０の制御表面に対する動水力システム９００を示す図９を参照する。システム９００は、例えば、設計エンベロープに基づいた動作または最大値をシミュレートする航空機制御力の疲労試験を行うために用いてもよい。システム９００は、複数のチャネルを含んでおり、各チャネルは、力アクチュエーター９２０とここでの方法を実行する制御装置（図示せず）とを含んでいる。疲労試験中、力アクチュエーター９２０は、翼９１０の一部に負荷をかける。例えば、３０台の独立した力アクチュエーター９２０は、翼９１０に同時に力を印加することができる。
【００６３】
（矢印９３０により表される）アクチュエーターのストロークは、翼９１０に力が印加されるにつれて変動する。周波数モードは、ストロークの変化とともにスペクトル位置および振幅が変化する。動水力システム９００は、有限利得余裕を有するので、あるチャネルが不安定になり、その他のチャネルをも不安定にさせる可能性がある。結果として、望ましくない力発振が生じうる。
【００６４】
力センサー９５０は、各チャネルからの翼９１０に対する動的および静的な力を測定する。翼９１０は、ストロングバック９４０、または、航空機胴体のようなその他の構造部材に取り付けられていてもよい。力アクチュエーター９２０は、地上基準またはその他の反動的なリンク機構に反して動く。
【００６５】
テストサイクル周波数は約１Ｈｚとすることができる。本実施例において、油圧共振周波数は、翼９１０の質量および油圧油の剛性と関連付けられている。発振は、１０Ｈｚから２００Ｈｚまでの共通の油圧システムにおいて起こると考えられる。周波数掃引または解析により、数多くの周波数において予想発振モードが明らかになってもよい。これらの共振は、発振し、不安定性を引き起こす傾向についてはさまざまである。
【００６６】
全チャネルは、同時に機能する。各制御装置は、他のチャネルが駆動され発振する前に、自動的に応答し、かつ、不安定なチャネルに対する利得を即座に低減することができる。
【００６７】
力制御システム９００は、高価な試験機材の損傷を回避することにより費用の節約が可能である。試験の費用は、サイクル速度を高めることにより削減可能である。周波数帯内で利得を制御する能力により、より遅い試験周波数が、他のモードの発振を監視しつつ実行することが可能となる。
【００６８】
ここで、図１０を参照する。ここでの制御装置は、いかなる特定の実施構成にも限定されない。例えば、制御装置１０１０は、マイクロプロセッサによるものであってもよい。マイクロプロセッサによる制御装置１０１０は、プロセッサ１０２０と、記憶装置１０３０と、記憶装置１０３０に保存されているデータ１０４０とを含む。実行時、データ１０４０は、プロセッサ１０２０にここでの方法を行わせる。
【００６９】
本願は、以下の実施形態を開示している。
１． 対象物に刺激を与えるシステムにおいて差し迫った制御不安定性を検出する方法であって、前記システムは、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を提供し、前記方法は、
パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視することと、
最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることと
を含む方法。
２． 最大振幅および対応する周波数成分のみを監視し、制御不安定性が差し迫っているか否かの判定に用いる、実施形態１に記載の方法。
３． 支配的なトーンが、システムの駆動周波数の倍数である、実施形態１に記載の方法。
４． 駆動周波数における発振を無視する、実施形態３に記載の方法。
５． 支配的なトーンのピークのエネルギーと支配的なトーンの高調波とを総計し、総計を閾値と比較することにより、制御不安定性が差し迫っているか否かを判定する、実施形態１に記載の方法。
６． 対策を講じることが、システムをシャットダウンすることを含む、実施形態１に記載の方法。
７． 対策を講じることが、制御装置の利得を調整することを含む、実施形態１に記載の方法。
８． 種々のスペクトル帯を同時に解析し、そのままではば特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することをさらに含む、実施形態１に記載の方法。
９． 制御装置が比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置であり、制御信号の高周波成分の長引くピークに応答して制御装置の微分利得を自動的に調整し、制御信号の低周波成分の長引くピークに応答して積分利得および寄与率を自動的に調整し、中間の周波数成分に応答して比例利得を調整する、実施形態８に記載の方法。
１０． 比例利得に対する調整が、リアルタイムでの制御信号発振の絶対値に基づいている、実施形態９に記載の方法。
１１． 制御装置が、収束速度を含むパラメータを有するモデル規範形適応制御装置であり、差し迫った不安定性が検出される場合、収束速度を低減する、実施形態８に記載の方法。
１２． 制御装置が、特定のスペクトル帯域における位相シフトを調整する補正フィルターを用いる、実施形態８に記載の方法。
１３． 対策を講じることが、部品の機械加工中に不安定性を回避するために切削工具および供給モーターに対する電力を制御することを含む、実施形態１に記載の方法。
１４． 複数の力アクチュエーターにより対象物の種々の領域に力を印加し、パラメータ信号を種々の領域に対して生成し、かつ、対応するパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることにより、各アクチュエーターを独立して制御する、実施形態１に記載の方法。
１５． 対象物が、制御表面を有する航空機翼であり、力アクチュエーターが、試験中に翼に力を印加し、問題となっているアクチュエーターに対して対策を講じることが、他のアクチュエーターが駆動されて発振する前に制御利得を低減することを含む、実施形態１４に記載の方法。
１６． エフェクターを用いて、対象物に刺激を与えることと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を生成することと、
パラメータ信号の複数の種々の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を監視することと、
そのままではば特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することと
を含む方法。
１７． 対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じるための制御装置と
を含むシステム。
１８． エフェクターおよび制御装置が複数のチャネルを含み、各チャネルが力アクチュエーターおよびアクチュエーター制御装置を含み、チャネルにより対象物の種々の領域に力が印加され、パラメータ信号が種々の領域に対して生成され、対応するパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって閾値を超過する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることにより、各チャネルが独立して制御される、実施形態１７に記載のシステム。
１９． 対象物が、航空機翼または制御表面であり、力アクチュエーターが、試験中に翼または制御表面の種々の領域に対して動作し、他のチャネルが駆動されて発振する前に問題となっているチャネルのアクチュエーター制御において利得を低減する、実施形態１８に記載のシステム。
２０． 対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
特定の周波数における発振モードをトリガーする傾向にある調整可能なパラメータを有する第１制御装置と、
センサーに応答して、測定されたパラメータの複数の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を求め、特定の周波数におけるこれらの発振モードをトリガーしないようにこれらのパラメータを自動的に調整するための第２制御装置と
を含むシステム。
【符号の説明】
【００７０】
１００ 対象物
１１０ システム
１２０ エフェクター
１３０ センサー
１４０ 制御装置
７１０ モデル規範形適応制御装置
７２０ 収束係数
７３０ 折れ点周波数
７４０ 利得ロック／出力ゼロ化
７５０ 制御装置
８００ フライス盤
８０５ 部品
８１０ 台
８２０ 電源
８３０ 切削工具
８４０ 切削工具モーター
８５０ 第１開ループ制御装置
８６０ 第２開ループ制御装置
８７０ 送りモーター
８８０ センサー
８９０ 制御装置
９００ 動水力システム
９１０ 航空機翼
９２０ 力アクチュエーター
９４０ ストロングバック
９５０ 力センサー
１０１０ 制御装置
１０２０ プロセッサ
１０３０ 記憶装置
１０４０ データ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に刺激を与えるシステムにおいて差し迫った制御不安定性を検出する方法であって、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を提供し、
パラメータ信号の選択された周波数帯において支配的なトーンの最大振幅を監視することと、
最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることと
を含む方法。
【請求項２】
最大振幅および対応する周波数成分のみを監視し、制御不安定性が差し迫っているか否かの判定に用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
支配的なトーンのピークのエネルギーと支配的なトーンの高調波とを総計し、この総計を閾値と比較することにより、制御不安定性が差し迫っているか否かを判定する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
種々のスペクトル帯を同時に解析し、そのままでは特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
制御が比例積分微分（ＰＩＤ）制御であり、制御信号の高周波成分の長引くピークに応答して制御の微分利得を自動的に調整し、制御信号の低周波成分の長引くピークに応答して積分利得および寄与率を自動的に調整し、中間の周波数成分に応答して比例利得を調整する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
比例利得に対する調整が、リアルタイムでの制御信号発振の絶対値に基づいている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
制御が、収束速度を含むパラメータを有するモデル規範形適応制御であり、差し迫った不安定性が検出される場合、収束速度を低減する、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
複数の力アクチュエーターにより対象物の種々の領域に力を印加し、パラメータ信号を種々の領域に対して生成し、かつ、対応するパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることにより、各アクチュエーターを独立して制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
対象物が、制御表面を有する航空機翼であり、力アクチュエーターが、試験中に翼に力を印加し、かつ、問題となっているアクチュエーターに対して対策を講じることが、他のアクチュエーターが駆動されて発振する前に制御利得を低減することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じるための制御装置と
を含むシステム。
【請求項１１】
対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
特定の周波数における発振モードをトリガーする傾向にある調整可能なパラメータを有する第１制御装置と、
センサーに応答して、測定されたパラメータの複数の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を求め、特定の周波数におけるこれらの発振モードをトリガーしないように、これらのパラメータを自動的に調整するための第２制御装置と
を含むシステム。
【請求項１】
対象物に刺激を与えるシステムにおいて差し迫った制御不安定性を検出する方法であって、対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを表す信号を提供し、
パラメータ信号の選択された周波数帯において支配的なトーンの最大振幅を監視することと、
最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることと
を含む方法。
【請求項２】
最大振幅および対応する周波数成分のみを監視し、制御不安定性が差し迫っているか否かの判定に用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
支配的なトーンのピークのエネルギーと支配的なトーンの高調波とを総計し、この総計を閾値と比較することにより、制御不安定性が差し迫っているか否かを判定する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
種々のスペクトル帯を同時に解析し、そのままでは特定の周波数において発振モードをトリガーする傾向にあるであろう制御パラメータを選択的に調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
制御が比例積分微分（ＰＩＤ）制御であり、制御信号の高周波成分の長引くピークに応答して制御の微分利得を自動的に調整し、制御信号の低周波成分の長引くピークに応答して積分利得および寄与率を自動的に調整し、中間の周波数成分に応答して比例利得を調整する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
比例利得に対する調整が、リアルタイムでの制御信号発振の絶対値に基づいている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
制御が、収束速度を含むパラメータを有するモデル規範形適応制御であり、差し迫った不安定性が検出される場合、収束速度を低減する、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
複数の力アクチュエーターにより対象物の種々の領域に力を印加し、パラメータ信号を種々の領域に対して生成し、かつ、対応するパラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じることにより、各アクチュエーターを独立して制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
対象物が、制御表面を有する航空機翼であり、力アクチュエーターが、試験中に翼に力を印加し、かつ、問題となっているアクチュエーターに対して対策を講じることが、他のアクチュエーターが駆動されて発振する前に制御利得を低減することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
パラメータ信号の選択された周波数帯における支配的なトーンの最大振幅を監視し、最大振幅が指定された期間にわたって持続する場合、差し迫った制御不安定性を回避する対策を講じるための制御装置と
を含むシステム。
【請求項１１】
対象物に刺激を与えるためのエフェクターと、
対象物に刺激が与えられている間に対象物の発振を示すパラメータを測定するためのセンサーと、
特定の周波数における発振モードをトリガーする傾向にある調整可能なパラメータを有する第１制御装置と、
センサーに応答して、測定されたパラメータの複数の周波数帯の各々における支配的なトーンの最大振幅を求め、特定の周波数におけるこれらの発振モードをトリガーしないように、これらのパラメータを自動的に調整するための第２制御装置と
を含むシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３３８８５（Ｐ２０１２−２３３８８５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−９４４９１（Ｐ２０１２−９４４９１）
【出願日】平成２４年４月１８日（２０１２．４．１８）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９４４９１（Ｐ２０１２−９４４９１）
【出願日】平成２４年４月１８日（２０１２．４．１８）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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