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博士論文 / 多階層ダイナミックインバージョン法に基づく有翼ロケットの非線形運動の制御系設計法 Controller Design of Winged Rocket and Its Stability Analysis Based on Hierarchical Dynamic Inversion

著者

書誌事項

タイトル

多階層ダイナミックインバージョン法に基づく有翼ロケットの非線形運動の制御系設計法

タイトル別名

Controller Design of Winged Rocket and Its Stability Analysis Based on Hierarchical Dynamic Inversion

著者名

山崎裕司

学位授与大学

九州工業大学 (大学ID:0071) (CAT機関ID:KI000844)

取得学位

博士(工学)

学位授与番号

甲工第450号

学位授与年月日

2018-03-23

注記・抄録

本論文は非線形性の強いダイナミクスを持つ有翼式の宇宙輸送システムに対して有効な制御系の一設計手法について提案するものである.近年,世界中で精力的に開発が進められている再使用型の宇宙往還機であるが,揚力を利用する有翼式宇宙往還機は,エンジンの逆噴射による円筒式の宇宙往還機に比べて,打ち上げ後フライバックして任意の着陸地点までの帰還能力に優れている.また,宇宙への物資輸送や観光だけでなく大陸間弾道飛行などへの転用も可能であることからも,航空宇宙市場の拡大に貢献することが期待される.ところで,有翼式の宇宙往還機が利用する空力特性は,飛行速度や高度によって非線形に大きく変化する.加えて,宇宙往還機に求められる姿勢制御性能の要求は極めて高く,設計者の負担が大きい.そのため,自律飛行制御システムにおける姿勢制御系設計法の確立は重要研究課題の一つである.スペースシャトルに代表される従来の有翼式宇宙往還機の姿勢制御は,予め決められた軌道に沿った制御則の構築と安定性解析を行って決めたゲインスケジュールに基づいて行われてきた.しかし,これからの有翼式宇宙往還機には,多様な飛行環境に加えて,想定軌道からの逸脱や飛行安全の要求から咄嗟の飛行軌道の変更も想定しなければならず,飛行環境が既知の条件で用いられるゲインスケジューリングによる制御では,予め膨大な量の制御系設計が必要となり,実用的な制御システムの構築は困難となる.こうした多様な飛行環境や非線形システムに対応する制御系設計手法の一つとして,機体が持つ非線形な動特性をフィードバックによって打ち消し,任意の応答性能を実現するためのダイナミックインバージョン法がある.その一方で,宇宙往還機の制御システムは高次の非線形システムとなることもしばしばである.この場合,制御入力の導出には複雑な微分方程式を解かなければならず計算負荷が大きいという課題もある.近年では状態変数の動特性の違いに着目してシステムを階層構造化する手法が提案され,階層毎に線形化処理を行うような研究が進められ,実用化に近づいてきた.しかしながら,依然として階層構造を取り入れた制御システムの安定性解析には,複雑な微分方程式を解く必要があるため困難を極め,階層ごとに安定性は確保しているものの,経験的に階層ごとの動特性を調整する等して全体システムとしての安定性を担保しているという状況にある.本研究は,多階層ダイナミックインバージョン法における非線形システムが持つ動特性について,階層ごとに線形近似した支配的な伝達関数(以降,線形近似伝達関数と呼ぶ)を見出し,経験に頼らずに制御系のゲイン設定を容易に行うことができる方法を提案するところに独自性および新規性がある.その結果,階層ごとの線形近似伝達関数の導出により,階層間の動特性の連成も考慮することができるようになったことで全体システムの動特性を評価可能となり,従来法では評価が難しかった制御用アクチュエータの応答要求も陽に示せるようになった.この新しい理論構築は,多階層ダイナミックインバージョン法の制御系設計の簡便化が期待され,非線形制御系の実用化を容易にする.本論文では,先行研究と本研究の制御系設計例について説明した後,有翼式の宇宙往還機の縦の飛行運動を対象として,飛行制御系設計法について述べ,線形近似伝達関数と非線形飛行運動について比較評価する.最後に,実用化に向けた6自由度飛行運動を対象として,飛行制御系設計法について述べ,安定性について評価する.

九州工業大学博士学位論文 学位記番号:工博甲第450号 学位授与年月日:平成30年3月23日

第1章 序論|第2章 既存のダイナミックインバージョン法|第3章 多階層ダイナミックインバージョン法における線形近似応答を用いた制御系設計法|第4章 縦飛行運動の非線形制御系への応用|第5章 縦および横・方向連成運動の非線形制御系への応用|第6章 結論

平成29年度

九州工業大学博士学位論文(要旨)学位記番号:工博甲第450号 学位授与年月日:平成30年3月23日

キーワード

有翼ロケット, 非線形システム, 多階層ダイナミックインバージョン, 安定性解析

各種コード

NII論文ID(NAID)

500001067846

NII著者ID(NRID)
  • 8000001197349
本文言語コード

jpn

データ提供元

機関リポジトリ / NDLデジタルコレクション

博士論文 / 九州工業大学 / 工学

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