JP2006321455A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、船体パラメータを同定する同定演算部を備える。同定演算部は、入力データとしての命令舵角と出力データとしての船首方位が供給されてそれぞれのデータを蓄積し、蓄積された入力データから同定モデルを用いてモデル出力データを出力し、該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節する。同定モデルは、3次の船体モデルと、外乱モデルと、船体運動の初期値を含み、外乱モデルは、δoffset=δ0+cδψが組み込まれ、船体パラメータTm、T3m、Km、δ0m、cδm、及び船体運動の初期値r0mが同定するべきパラメータとなる。
【選択図】 図3
Description
・船体モデルを1次モデルで近似しているために、船舶によっては変針時にオーバシュートを生じることがある。
・外乱モデルである舵角オフセットが参照針路に比例する項のみであるために、変針前または保針時の舵角オフセットによる同定誤差が発生しており、これを無視できない。
・自動変針時に船体運動の初期値がほぼ0でないときに実施された場合、この初期値による同定誤差が無視できない。
・閉ループを用いているため、同定するべきパラメータが多くなると、その次数は同定モデルと制御系との和となるために、計算量が飛躍的に増大し、実用化が困難となる。
・船舶は離桟後、手動操船を経て自動操船に移るため、手動時の同定実施は安全上必須であるが、従来の同定演算部では、手動操船時の同定はできない。
・従来のパラメータ毎に平均や分散の最小値または0値を求めてパラメータを探索する手順は、同定するべきパラメータが多くなると計算量が飛躍的に増大し、実用化が困難となる。
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルと外乱モデルとを含み、外乱モデルは、舵角オフセットとして、変針前または保針時の舵角オフセットδ0を組み入れており、同定演算部は、前記船体パラメータと共に変針前または保針時の舵角オフセットδ0を同定するべきパラメータとすることを特徴とする。
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルと外乱モデルとを含み、外乱モデルは、舵角オフセットとして、cδψ(ψ:船首方位)を組み入れており、同定演算部は、前記船体パラメータと共に舵角オフセット係数cδを同定するべきパラメータとすることを特徴とする。
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルと変針時における船体運動の初期値とを組み入れており、同定演算部は、前記船体パラメータと共に船体運動の初期値を同定するべきパラメータとすることを特徴とする。
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記入力データは命令舵角、前記出力データは船首方位とすることを特徴とする。
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から複数の船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、
前記同定モデルは船体モデルを含み、
前記パラメータ調節部は、
モデル出力データと出力データの差の関数となるスカラ値である評価関数を最小化する同定パラメータ値を同定パラメータに決定する第1判別部と、
前記第1判別部で決定した同定パラメータ値のうちの船体パラメータに対応する同定パラメータ値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同様に、現在の船体パラメータ値であるノミナル値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同定パラメータ値を用いたモデル出力データから求めた評価関数と、ノミナル値を用いたモデル出力データから求めた評価関数とをそれぞれ求めて、どちらの評価関数が小さいかまたは大きくないかを判定し、評価関数が小さいまたは大きくない方に用いた同定パラメータ値またはノミナル値に船体パラメータを調節する第2判別部と、
を備えることを特徴とする。
図1は、本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。図において、12は自動操舵装置、14は操舵機、16は船体である。操舵機14及び船体16を合わせたものが制御対象となる船体プラント18である。自動操舵装置12は、さらに、軌道演算部22、減算器24、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28、加算器30、同定演算部32を備えている。フィードバック制御器28は参照針路ψR、船体16の船首方位ψ及びフィードバック制御器28出力から推定方位、推定角速度を求める推定器を含むことができる。背景技術にて既に説明した部分については、説明を省略する。
同定モデル44は、船体モデル、外乱モデル及び船体運動の初期値とから構成され、入力データである命令舵角δcを入力しモデル出力データであるモデル船首方位ψmを出力する。以下、船体モデル、外乱モデル及び船体運動についてそれぞれ説明する。
この実施形態において、船体モデルは、操舵機と船体とを一体化したものとし、操舵機の時定数(船体の時定数に比較して十分に小さい)やオンオフ制御の非線形性などの不確定特性を時定数の大きい船体特性に吸収させて、舵速度や許容舵角などの確定要素を残存させる。そして、船体モデルとしては、以下の式を採用することとする(図3参照)。
外乱は、直流成分のものと交流成分のものとに分ける。直流成分の外乱は外乱モデルとして扱い、交流成分の外乱はそのまま未知のものとする。外乱モデルは、船体と風との相対速度
は変針前または保針時の舵角オフセットを、cδは変針後の舵角オフセット係数を示す。(3)式の関係を図4に示す。ψは方位変化なので変針前は零であるので、(3)式の第1項のδ0は、変針前の舵角オフセットとして設定する。(3)式の第2項のcδψは変針後の方位変化に関係する舵角オフセット変化に対応する項となる。この第2項をψに比例する項とすることによって、手動操船及び自動操船のいずれの場合においても、同様のモデルを用いることができる、という利点を持つ。
船体運動の初期値は(2)式より直接取得できる方位と取得できない旋回角速度とがある。角速度の初期値応答は、
以上の船体モデル、舵角オフセット及び角速度初期値から図5に示す同定モデルを構成する。舵角オフセットに関しては、命令舵角に追加される。尚、δ0/sとするのは、一定値の入力とするためである。
同定モデルの伝達関数は、
本発明では、同定演算を手動操船と自動操船の両方において、それぞれの変針応答から行う。
手動操船においては、図6に示すように、操船者による命令舵角δcを同定演算部32の入力データとし、船首方位ψを同定演算部32の出力データとする。
簡単のため船体モデルのみを考慮すると、同定誤差γhは、(1)式及び(2)式を用いて制御対象の船首方位とモデル船首方位との差となり、
自動操船では、同定演算部32に供給する入力データ及び出力データの収集方式として、特許文献1における同定演算部のように(図13参照)、参照針路ψRを入力データとし、偏差eを出力データとする閉ループで同定する間接方式と、命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとする開ループで同定する直接方式とが考えられる。間接方式では、ψRからeまでの伝達関数の次数+同定モデルの次数になり、加えて、フィードバック制御器に含まれる推定器の初期値も考慮すると、次数が高次になり計算量も増加し、処理も煩雑になるのに対して、直接方式では同定系の次数が同定モデルの次数であり、且つ手動操船の場合と構成が同じになるために、構成が共通化・簡素化できる、という利点がある。よって、本実施形態では、直接方式で行い、命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとする。
3.1 評価関数
パラメータ調節部48には、上述のごとく図2に示すように、命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとして蓄積されたデータに対して、同定モデル44のモデル出力データと、実プロセスの出力データとの差異となる、減算器46による同定誤差γが順次入力される。パラメータ調節部48では、同定誤差γをスカラー量に変換した評価関数Jを求め、該評価関数Jを最小にするパラメータを調整する。評価関数Jとして、同定誤差γの二乗和とし、
1回の同定演算に用いるデータ抽出の時間範囲は、図7に示すように、変針前静定時間と変針中と変針後静定時間とからなる。
(1) 船速が設定上限値と設定下限値の範囲内にあること
(2) 方位変化が設定最大値と設定最小値の範囲内にあること
(3) 舵角が、変針前にその振幅が設定振幅最大値(例えば3度)を超えず、変針時の舵角が設定振幅最小値(例えば4度)を超えていること。
(4) 変針前後の静定時間がそれぞれの設定値を満足していること(例えば、変針前60秒、変針後180秒)
変針前静定時間は、δ0mとr0mとの捕捉のために設定するものであり、これらを適正に同定するのに必要な適当な時間とすることができる。
自動操船時についても、同定を開始するための条件を手動操船時と同様に設定する。また、同定の時間範囲は変針前静定時間、変針中及び変針後静定時間とからなる。変針前は手動操船と同様に設定することができる。変針中は変針のための命令舵角入力時であり、入力の大きさと時間とにより変針量が決まる。
さらに、第2判別部56では、第1判別部54で決定された同定パラメータのうちの船体パラメータに対応する同定パラメータ値と、現在のノミナルの船体パラメータであり船体ノミナル値記憶部58に記憶されているノミナル値との比較を行なう。この比較は船体モデルを用いて行なう。第1判別部54で決定された船体パラメータの同定パラメータ値をx1m、x2m、x3mとし、ノミナル値をx1n、x2n、x3nとすると、それぞれの値を採用した船体モデルを用いて、それぞれ入力データである命令舵角に対するモデル船首方位を求め、評価関数Jm、Jnを求める。即ち、
以上の同定モデルによる同定の効果をシミュレーションによって検証する。制御対象は実船の特性に近いと考えられる流体力学モデルを用いる(但し、船体パラメータに相当する値は不明である)。同定パラメータの探索範囲は、船体パラメータ(x1、x2、x3)において安定船と不安定船に分け、外乱と運動量初期値(δ0、cδ、r0)を含み、以下の表の範囲とする。
静定時間は3Ts≒180[s]とした。同定計算にはSQPを利用した。
32 同定演算部
40 入力データ記憶部
42 出力データ記憶部
44 同定モデル
46 減算器
48 パラメータ調節部
50 安定船領域同定探索部
52 不安定船領域同定探索部
54 第1判別部
56 第2判別部
Claims (14)
- 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルと外乱モデルとを含み、外乱モデルは、舵角オフセットとして、変針前または保針時の舵角オフセットδ0を組み入れており、同定演算部は、前記船体パラメータと共に変針前または保針時の舵角オフセットδ0を同定するべきパラメータとすることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルと外乱モデルとを含み、外乱モデルは、舵角オフセットとして、cδψ(ψ:船首方位)を組み入れており、同定演算部は、前記船体パラメータと共に舵角オフセット係数cδを同定するべきパラメータとすることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記同定モデルは船体モデルと変針時における船体運動の初期値とを組み入れており、同定演算部は、前記船体パラメータと共に船体運動の初期値を同定するべきパラメータとすることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 前記船体運動の初期値は、船体の旋回角速度の初期値であることを特徴とする請求項4記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記入力データとして命令舵角、前記出力データとして船首方位とすることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
- 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、前記入力データは命令舵角、前記出力データは船首方位とすることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 前記パラメータ調節部は、モデル出力データと出力データの差の関数となるスカラ値である評価関数を最小化する同定パラメータ値を同定パラメータに決定し、その中で対応する同定パラメータに船体パラメータを調節することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記パラメータ調節部は、同定パラメータを多変数とする評価関数の極小解を求め、該極小解となる同定パラメータ値を同定パラメータとすることを特徴とする請求項8記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記パラメータ調節部は、船体モデルにおける船体パラメータの範囲に応じた安定船領域と不安定船領域とで評価関数をそれぞれ最小化する同定パラメータを探索する安定船領域同定探索部と不安定船領域同定探索部とをそれぞれ備えることを特徴とする請求項8または9記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記パラメータ調節部は、SQPのアルゴリズムにより評価関数を最小化する同定パラメータを求めることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
- 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
船体パラメータを同定する同定演算部を備え、該同定演算部は、
入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から複数の船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
を備え、
前記同定モデルは船体モデルを含み、
前記パラメータ調節部は、
モデル出力データと出力データの差の関数となるスカラ値である評価関数を最小化する同定パラメータ値を同定パラメータに決定する第1判別部と、
前記第1判別部で決定した同定パラメータ値のうちの船体パラメータに対応する同定パラメータ値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同様に、現在の船体パラメータ値であるノミナル値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同定パラメータ値を用いたモデル出力データから求めた評価関数と、ノミナル値を用いたモデル出力データから求めた評価関数とをそれぞれ求めて、どちらの評価関数が小さいかまたは大きくないかを判定し、評価関数が小さいまたは大きくない方に用いた同定パラメータ値またはノミナル値に船体パラメータを調節する第2判別部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 入力データと出力データは、少なくとも変針前静定時間と変針中と変針後静定時間におけるデータが含まれることを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記変針後静定時間は、モデル出力データと出力データの差の関数となるスカラ値である評価関数を各同定パラメータで偏微分したときの偏微分係数の少なくとも1つの偏微分係数が変針後にピーク値を示す時刻を含むか、またはピーク値を含む時刻に基づく時間範囲に設定されることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
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