JP4427652B2

JP4427652B2 - 磁力支持天秤装置における低周波域ゲイン倍加制御

Info

Publication number: JP4427652B2
Application number: JP2005188243A
Authority: JP
Inventors: 信一須田; 秀夫澤田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: JP2007010342A

Description

本発明は、風洞用磁力支持天秤装置や磁気浮上・磁気軸受等、磁気力によって物体を浮揚させるシステムに適用して好適な制御技術に関する。

風洞用磁力支持天秤装置は支柱などの支持機構を必要とせず磁気力により風洞模型を所定位置に支持するための装置であり、気流と支持機構との干渉がないため、物体の抵抗係数を求めたり後流の状態を測定するのに理想的な環境を提供するものとして注目され、また風洞内で模型に所望の動きをさせることが可能なものとして新たな期待がなされている。この風洞用磁力支持天秤装置には風洞内状態に変化があっても、その変化に対応して模型を所望位置に支持させるための制御機構が備えられており、その磁気力系を駆動するフィードバック制御機構は模型支持の安定性を決定する重要な要素である。

図６は磁力支持装置を備えた風洞、及び磁力支持装置に用いられる計測系と制御系の概要を示す斜視図である。図６を参照して、特許文献１に示された磁力支持型風洞及び磁力支持装置の概要を説明する。図に示す磁力支持装置１０は、アルミなどの非磁性材料で所望の形状に成形されている風洞模型（以下、単に「模型」という）４を磁気の力で気流中に浮揚支持する装置である。模型４にはその内部に、磁化された物質、超伝導コイルのような電流を流し続けているコイル、或いは永久磁石等から成る強力な円柱状の磁石体が搭載される。模型４の磁石体には、風洞の測定部の周りに配置したコイル(群) １１〜２０に通電することにより生じた磁場との磁気作用によって磁気力が生じる。この磁気力によって、模型４を重力や空気力に抗して浮上支持させて、支持体による干渉がない風洞試験を実現することができる。

磁力支持天秤装置の制御システムは比例・積分(ＰＩ)制御と二重位相進みを併用した制御、または比例・積分・微分(ＰＩＤ)制御を用いた制御が利用されることが多い。磁力支持天秤装置は、常にフィードバック制御を行わなければ、模型の運動を安定化できないため、図２のＡにブロック線図として示したように模型の位置・姿勢角についてフィードバック制御が行われている。即ち、模型位置センサー７が検出した現在値（状態変数）としての位置・姿勢角信号と、目標値設定器１に設定された位置・姿勢角の各目標値ｒとの偏差Ｅが伝達関数Ｋを持つＰＩ制御器２（比例積分コントローラ）に入力されて制御量が計算される。計算された制御量は、バイアスＢが付加された後、図示していないＤ／Ａ変換器を経て連続量に変換されて指令信号Ｕが作られる。バイアスＢは、模型が重力と釣り合うために必要な電流値である。指令信号Ｕは図示していない電源アンプで増幅された後に磁力支持装置のコイル駆動系３に供給され、コイル駆動系３が生成する磁場（伝達関数Ｇｃ）はコイル磁気力として模型４に作用する。この磁場と模型４の磁石体との相互作用による磁気力と、空気力や重力等の外力源５からの外乱ｄとが模型に作用し、その結果、模型の位置・姿勢角が模型位置センサーの出力として得られる。

制御システムには、模型４の現在値としての位置・姿勢角を検出するため、位置センサー７が備わっている。検出された位置・姿勢角にはノイズ源６からセンサーノイズｎが混入するため、ノイズ除去用に６０Ｈｚ程度の適当なカットオフ周波数を持ち、伝達関数Ｈｎで表される２次バターワース型のノイズカットフィルタ８にかけられる。位置センサー７は、ＣＣＤセンサーのような電荷の蓄積に要する時間として検出から出力までに６ミリ秒程度の遅延時間（むだ時間）Ｌがあるため、検出された模型４の位置・姿勢角の情報は実際にその瞬間の位置・姿勢角とは異なる。またＰＩ制御器２内の計算機はコイル電流やコイル電圧といったコイル系３の各コイルに供すべき指令電流Ｕの計算に時間を要するため、力を作用させようとする瞬間には模型の位置・姿勢角は更に変動している。そのため伝達関数がＨｐ(ｓ)で表される二重位相進み器９が、これらの時間遅れを補償するのに用いられている。

光学センサーによる模型の位置・姿勢角の検出信号は、ノイズカットフィルタを経て、更に二重位相進み要素を経るときに位相を進められるが、この位相の二重進みがシステムの安定性に重要な役割を果たしている。この補償された位置・姿勢角信号と目標値ｒとの偏差ＥがＰＩ制御器に入力される。このように、磁力支持装置は、検出された模型の位置・姿勢角に基づいて、模型の位置・姿勢角についてのフィードバック制御を行っている。（例えば、非特許文献１参照）

従来制御では、図２のＡに示されるように時間的に一定の目標設定値と、二重位相進みにより模型位置センサーとノイズフィルターの位相の遅れを解消した模型位置との偏差をＰＩ制御器で打ち消すように制御していた。磁力支持天秤装置のようなこれらの制御システムでは、制御により空気力など流体力が作用し加振された模型の揺動をできるだけ小さくする必要がある。このとき加振された模型の揺動について、模型の応答は磁気ばねで支えられている２次系と見なすことができるため、高周波振動の振幅は小さくなり、低い周波数帯の模型揺動が大きく現れる。そして模型揺動の大きさは空気力の大きさに比例するため、できるだけ模型揺動を抑える必要がある。しかし制御システムの構成がＰＩ制御と二重位相進みを併用したものである場合、制御システムに含まれる制御定数の最適化手法により、最大限に近い制御性能を引き出せるようになっている。従来システムではノイズカットフィルタで位置信号から高周波成分をカットした後、二重位相進み器を介してフィードバックを掛ける構成を採用しているが、この二重位相進み器において高周波分が生じてしまうという問題がある。さらに低周波域での制御性能を向上させる手法として、積分制御のゲインを大きくすることが考えられるが、これはシステムの安定性を損なうことにつながるため、大幅にゲインを大きくすることは不可能である。そうした理由から従来の制御系では低周波域の模型揺動を抑制するための制御性能の大幅な改善は期待できない。
こうした問題はＰＩＤ制御の場合においても同様である。
特開２００５−１５７８１６号公報「磁場のフィードバック制御を行う磁力支持装置」平成１７年６月１６日公開澤田秀夫、国益徹也、「低速風洞用６０ｃｍ磁力支持装置の開発」、日本航空宇宙学会論文集、社団法人日本航空宇宙学会、平成１４年５月、第５０巻、第５８０号、ｐ．１８８−１９５

本発明の課題は、磁力支持天秤装置においてシステムの安定性を損なうことなく、空気力または流体力により加振された模型揺動を小さくする制御手法を開発して提示することにある。

本発明の低周波ゲイン倍加制御方法は、磁気力によって物体を空間に支持する装置のフィードバック制御系において、センサーで検出した物体の位置情報から高周波成分を除去すると共に、該高周波成分を除去した物体の位置信号と、二重位相進み器を介した出力信号とを目標設定値に対して減算するようにし、本来の基準位置に関して対称な位置の値を物体位置の新しい目標設定値として設定し制御することにより、一種類だけのフィードバック信号によるフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させるようにした。
本発明による低周波ゲイン倍加制御では、センサーで検出した物体の位置信号を反転させた逆位相の信号を目標設定値として設定することにより、既存のフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させる制御とするようにした。
更に、本発明による低周波ゲイン倍加制御では、センサーで検出した物体の位置信号を反転させた逆位相で大きさに周波数依存性のある信号を目標設定値として設定することにより、既存のフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させる制御とするようにした。

本発明の制御システムは、磁気力によって物体を空間に支持する装置のフィードバック制御系において、センサーで検出した物体の位置情報から高周波成分を除去するローパスフィルターと、該ローパスフィルターの出力を入力する二重位相進み手段と、前記二重位相進み手段の出力信号を目標設定値に対して減算する手段とを備え、該加減算手段の出力信号によってＰＩ制御を実行するものであって、既存のフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させるようにした。そして、既存のフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させる機能は、前記ローパスフィルターの出力信号と前記二重位相進み手段の出力信号とを目標設定値に対して減算する手段によって実現させた。

本発明の低周波ゲイン倍加制御方法は、上記のような構成を採用することにより模型制御の安定性を損なうことなく、低周波域のゲインを倍加するようにしたので、低周波域での模型揺動を効果的に抑えることができる。
本発明の制御システムは、既存の制御系に１つの演算機能を加えるという簡単なシステム上の改善によってだけで、磁力支持天秤装置におけるシステムの安定性を損なうことなく、空気力または流体力により加振された模型揺動を小さくすることができる。

本発明の低周波ゲイン倍加制御方法は、基本的に図２のＢに示すような構成が採用される。すなわち、磁気力によって物体を空間に支持する装置のフィードバック制御系において、位置センサー７で検出した物体の位置情報からノイズカットフィルタ８で高周波成分を除去し、その出力を二重位相進み器９を介してフィードバックするだけでなく、直接目標設定値との差演算器に入力させて制御用偏差信号Ｅを得るようにしたので、既存のフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上できるようにしたものである。このとき初期設定した目標値から二重位相進み器９の出力信号を差し引いた値が新しい目標設定値と均等となり、二重位相進みにより模型位置センサー７とノイズカットフィルタ８の位相の遅れを解消した模型位置との偏差Ｅは従来制御の場合の偏差よりも大きくなる。ここでもし二重位相進み器９の出力が模型位置と同じ大きさの値になれば図１に示すように新制御による偏差Ｅは従来制御の２倍になる。本発明によるフィードバック制御は、従来制御において目標設定値ｒを一定値ではなく時間的に変化させることと同様の動作となるもので、システムとして低周波域のゲインを倍加させながら模型４を安定に制御することができる。ただし、新しい目標設定値はノイズカットフィルタ８の出力など、高周波成分を取り除いた信号である必要がある。これは、新しい目標設定値が高周波成分を含むと、センサーノイズの影響も倍加してしまい、システムを不安定化させてしまうためである。

宇宙航空研究開発機構が所有する１０ｃｍ角の測定部を持つ高亜音速風洞用磁力支持天秤装置(以下ＪＡＸＡ１０ｃｍＭＳＢＳと呼ぶ。)を用い、本発明の実証試験を実施した結果をここに示す。試験で使用した模型は、円柱状のアルニコ磁石(直径８ｍｍ，長さ１００ｍｍ)の端部に円錐状の鉄(直径８ｍｍ,長さ２５ｍｍ)を取り付けたもので、この模型をＪＡＸＡ１０ｃｍＭＳＢＳに設置し、以下のような従来制御と本発明に係る低周波ゲイン倍加制御とを比較する風洞実験を行った。ＰＩ制御と二重位相進みの併用による従来制御を用いた場合のシステムのブロック線図は図２のＡに示したもの。そして、本発明に係る低周波ゲイン倍加制御システムは、図２のＢに示すように、従来制御システムで目標設定値と二重位相進み出力との加減部にノイズカットフィルタ出力を減算するように追加したものである。従来制御と新制御で使用した制御定数は同じ値を使用したが、低周波ゲイン倍加制御のノイズカットフィルタは一つに統一する必要はなく、異なるカットオフ周波数を持った二つのノイズカットフィルタを使用することもできる。また、図２のＢの制御系は等価なものに置き換えて使用することもできる。

ＪＡＸＡ１０ｃｍＭＳＢＳを用いて、従来制御を用いた場合と低周波ゲイン倍加制御を用いた場合のシステムの一巡伝達関数を求め比較すると図３のようになった。１０Ｈｚ以下の周波数ではゲインは本発明に係る制御が高めとなっており、因みに、周波数１Ｈｚにおいては、従来制御で３０.３ｄＢであったが本発明の低周波ゲイン倍加制御では３６.３ｄＢとなっており、低周波ゲイン倍加制御のゲインは従来制御のゲインの１０^36.3/20÷１０^30.3/20＝２.０倍になっていることが確認できた。位相については周波数１Ｈｚ〜２０Ｈｚにかけて若干の差が認められるものの大差はない。
実際に通風試験を行った結果を図４に示す。これは風速１２０ｍ／ｓの気流を流した中での従来制御と本発明に係る低周波ゲイン倍加制御を行ったもので、その際の鉛直方向の模型揺動をそれぞれ測定したデータをグラフ比較した図である。このグラフからも揺れが抑えられていることは見て取れるが、数値処理によるこのとき模型位置変動の自乗平均平方根(ＲＭＳ)は従来制御の場合０.０４５８ｍｍであったのに対し、本発明に係る低周波ゲイン倍加制御では０.０３９０ｍｍとなり、揺れが抑えられていることが確認できた。
そして風速を変化させた場合の鉛直方向の模型位置変動のＲＭＳを示したものが図５である。従来制御、低周波ゲイン倍加制御とも風速の増加とともにこのＲＭＳが増加するものの、本発明に係る低周波ゲイン倍加制御方式を採用した方が増加率が抑えられていることが確認できる。

本明細書では本発明に係る低周波ゲイン倍加制御を、風洞に設置された磁力支持天秤に適用した例で説明してきたが、本発明はこれに限らず磁気軸受など、磁気力によって物体を浮揚させるシステムに広く適用が可能である。また、制御システムはＰＩ制御と二重位相進みを併用した制御やＰＩＤ制御に限らず、目標設定値によって物体の位置を制御する制御システムであれば適用が可能である。

本発明の低周波ゲイン倍加制御を説明するための従来制御との比較概念図である。従来の磁力支持天秤装置のフィードバック制御と本発明の低周波ゲイン倍加制御を説明するブロック線図である。従来制御と低周波ゲイン倍加制御のシステムの一巡伝達関数を比較したグラフである。通風試験で従来制御と本発明に係る低周波ゲイン倍加制御を行った際の鉛直方向の模型揺動を測定したデータをグラフ比較した図である。通風試験で風速を変化させた場合の鉛直方向の模型位置変動のＲＭＳを示したグラフである。本発明が適用される風洞用磁力支持天秤装置の基本構成を示す図である。

符号の説明

１目標値設定器（目標値設定値ｒ）２ＰＩ制御器（伝達関数Ｋ）
３コイル駆動系４風洞模型系（伝達関数Ｇｍ）
５模型系外力源（外乱ｄ）６ノイズ源（ノイズｎ）
７位置センサー（伝達係数Ｈｓ，遅延時間Ｌ）
８ノイズカットフィルタ（伝達関数Ｈｎ）９二重位相進み器（伝達関数Ｈｐ）
１０磁力支持装置１１〜２０コイル

Claims

磁気力によって物体を空間に支持する装置のフィードバック制御系において、センサーで検出した物体の位置情報から高周波成分を除去すると共に、該高周波成分を除去した物体の位置信号と、二重位相進み器を介した出力信号とを目標設定値に対して減算するようにし、本来の基準位置に関して対称な位置の値を物体位置の新しい目標設定値として設定し制御することにより、一種類だけのフィードバック信号によるフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させるようにした低周波ゲイン倍加制御方法。
高周波成分を除去した物体の位置信号を反転させた逆位相の信号を物体位置の新しい目標設定値として設定し制御するようにした請求項１に記載の低周波ゲイン倍加制御方法。
高周波成分を除去した物体の位置信号を反転させた逆位相で大きさに周波数依存性のある信号を物体位置の新しい目標設定値として設定し制御するようにした請求項１に記載の低周波ゲイン倍加制御方法。
磁気力によって物体を空間に支持する装置のフィードバック制御系において、センサーで検出した物体の位置情報から高周波成分を除去するローパスフィルターと、該ローパスフィルターの出力を入力する二重位相進み手段と、前記ローパスフィルターの出力信号と前記二重位相進み手段の出力信号とを目標設定値に対して減算する手段とを備えたものであって、該加減算手段の出力信号によってＰＩ制御を実行することにより、一種類だけのフィードバック信号によるフィードバック制御系よりも低周波域の制御性能を向上させたことを特徴とする制御システム。