JP2009196456A - 線状構造体位置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】掘削船から延びるライザー管のリエントリ作業を短時間に効率よく行う。
【解決手段】掘削船から延びるライザー管のリエントリ作業を行う際、ライザー管の掘削船に対する傾斜角度と、ライザー管の下端の位置と、掘削船の現在の位置の情報とを計測し、計測した傾斜角度の情報と、下端の位置の情報と、掘削船の現在の位置の情報とに基づいて、指定された掘削船の指定位置に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、掘削船に搭載された位置制御装置に供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、船舶等の水面に浮かぶ移動体と、この移動体に固定され水中に延びる弾性変形可能な線状構造体、例えばライザー管と、を備える移動構造体に用いられ、線状構造体の下端の位置が目標位置に速やかに到達するように制御する線状構造体位置制御システム及びこの位置制御方法、さらには、移動構造体制御システムに関する。

近年、海洋における資源開発のために海底掘削が盛んに行われている。掘削船は、海底を掘削するドリルパイプや、泥水を上昇させるライザー管が掘削船から海底に延びている。ライザー管は、掘削用ドリルパイプを管内に設け、掘削のために必要な高比重の泥水を、海底と船上間で循環させるために用いられる。
海底掘削の作業は、海象条件によっては一時中止する。このとき、ドリルパイプを管内に設けたライザー管を、海底の掘削部分に設けられた装置であるＢＯＰ（ブローアウトプリベンダー:Blow Out Preventer）から離脱させて、掘削船を安全な場所に待機させる。一方、掘削作業の再開に際しては、掘削船から海中に延びるライザー管を上記ＢＯＰに再接続させるリエントリ作業を行う。

現在、上記ライザー管のリエントリ作業は、オペレータがマニュアル操作で長時間かけて行う。しかし、ライザー管は、海底に延びる極めて長い管であるため、長時間かけて作業を行っても、掘削船の移動に伴って弾性変形による振動を引き起こす。このため、ライザー管の下端がＢＯＰと衝突することなく、ライザー管下端の位置がＢＯＰの位置に到達するように、振動が収まるのを待ちながら掘削船の移動と停止を繰り返しながらリエントリ作業を行う。このときの掘削船の移動は、オペレータが掘削船の移動のための目標位置を指定することによって行われる。

このリエントリ作業は、上述したライザー管の振動の減衰を待ちながら作業を行うため、専門的な訓練を受けたオペレータでさえ、長時間を要し、リエントリ作業は極めて効率の悪い作業となっている。これに対して、下記非特許文献１では、ライザー管上端の角度とライザー管の下端位置のみを観測し、掘削船に加えるべきスラスト力を制御対象として操作することが提案されている。

しかし、このスラスト力の操作は、実際のオペレータが行う掘削船の移動位置の指定とは異なるため、現実の作業において適用することは難しい。しかも、掘削船に搭載されている移動位置の指定に基づいて掘削船にスラスト力を発生させる位置制御装置であるＤＰＳ（ダイナミックポジショニングシステム）を有効に用いることもできない。

「ライザー管の動特性を考慮したＤＰＳ及びリエントリ制御の実証実験」,小寺山亘，中村昌彦，梶原宏之，五百木陵行，門元之郎，五十嵐和之，日本船舶海洋工学会講演論文集ダイ４号，ｐｐ２９７−３００，２００７

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、掘削船等の移動体に備えられる位置制御装置を活用して、ライザー管等の線状構造体の下端位置が短時間に目標位置に到達するように、制御することのできる線状構造体位置制御システム及び線状構造体の位置制御方法、ならびに移動構造体制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、水面に浮かぶ移動体と、この移動体に設けられ、指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動体位置制御装置と、前記移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に用いられ、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する線状構造体位置制御システムであって、前記線状構造体の前記上端の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、前記線状構造体の前記下端の位置を計測する第１の位置センサと、前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた前記移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動体位置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする線状構造体位置制御システムを提供する。

ここで、前記線状構造体制御装置は、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインを変更することが好ましい。その際、前記フィードバックゲインは、前記移動構造体の数学モデルと前記移動体位置制御装置の応答特性の情報とを用い作成され、前記数学モデル中の観測変数を状態変数の一部として表した制御対象モデルに対して、前記制御対象モデルの前記状態変数の各成分と前記指定位置の値の二乗和で表した評価関数を最小とする最適制御を適用することにより設定されたゲインであることが好ましい。
さらに、前記移動構造体の数学モデルは、前記移動体の数学モデルと前記線状構造体の数学モデルとを用いて構成されたモデルであり、前記線状構造体の数学モデルとして、前記線状構造体の空間上の弾性変形の変位を所定の関数系でモード展開したときの係数を変数とするモデルを用いることが好ましい。
また、前記線状構造体制御装置は、前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とから、前記移動構造体の数学モデルの自由度に対応する前記移動構造体の情報を推定する観測器を備え、この観測器で推定された情報と、前記フィードバックゲインとを用いて前記フィードバック制御信号を生成することが好ましい。

さらに、本発明は、水面に浮かぶ移動体と、この移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に用いられ、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する移動構造体制御システムであって、指定される指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動体位置制御装置と、前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、前記線状構造体の下端の位置を計測する第１の位置センサと、前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を前記移動体位置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする移動構造体制御システムを提供する。

その際、前記フィードバック制御信号を生成するとき、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインが変更されることが好ましい。

さらに、本発明は、水面に浮かぶ移動体と、この移動体に設けられ、指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動体位置制御装置と、前記移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に対して、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する線状構造体の位置制御方法であって、前記移動体の現在の位置と、前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度と、前記線状構造体の下端の位置を計測するステップと、得られた前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とに基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動体位置制御装置に供給するステップと、を有することを特徴とする線状構造体の位置制御方法を提供する。

その際、前記フィードバック制御信号を生成するとき、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインが変更されることが好ましい。

本発明では、各センサから得られた線状構造体の上端の傾斜角度の情報と、線状構造体の下端の位置の情報と、移動体の現在の位置の情報とに基づいて、指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、位置制御装置に供給する。このため、従来より移動体に備える移動体位置制御装置を用いて、短時間に線状構造体の下端の位置を目標位置に到達させることができる。
特に、移動体の移動速度に応じて、例えば、移動速度の平均値を非０として値を設定することにより、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインを変更するので、より短時間に線状構造体の下端の位置を目標位置に到達させることができる。
また、フィードバックゲインは、移動構造体の数学モデルと移動体位置制御装置の応答特性の情報とを用いて作成される制御対象モデルから求められる。この制御対象モデルは、ライザー管を備える掘削船等の現実の移動構造体の挙動を再現したモデルとなるので、フィードバックゲインを用いて、現実の移動構造体の挙動に適応した形で短時間に正確に制御することができる。
さらに、観測器は、移動構造体の数学モデルの変数に対応する移動構造体全体の状態変数を推定することができるので、計測された情報に基づいて正確な制御が可能となる。

以下、本発明の線状構造体位置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。

図１は、本発明の線状構造体位置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムが好適に用いられるライザー管のリエントリ作業を説明する図である。
ライザー管（線状構造体）１０は、海面に浮かぶ掘削船１２に支持されて海底に向かって延びている弾性変形可能な線状構造を成している。掘削船（移動体）１２は、後述するように、指定される指定位置に移動可能なように移動を制御する位置制御装置であるＤＰＳ（ダイナミックポジショニングシステム）を搭載している。ライザー管１０の上端は掘削船１２に支持され、下端は海中に延びて自由端を成している。ライザー管１０を備える掘削船１２が、掘削地点に到達するように指定位置が指定されて移動するとき、ライザー管１０の下端の位置が掘削地点のＢＯＰ１３の位置（目標位置）に速やかに到達するように、指定位置の指令信号に対するフィードバック御信号をＤＰＳに与える。これにより、掘削船１２の位置が制御される。
以下、本実施形態では、指定位置に掘削船が移動するために指定位置の指令信号を受けたＤＰＳに対して、ライザー管１０の下端の位置が掘削地点のＢＯＰ１３の位置（目標位置）に速やかに到達するように、指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を供給するライザー管位置制御装置を中心に説明する。

図２は、ライザー管１０を有する掘削船１２の制御システムを示す図である。この制御システムは、本発明における移動構造体制御システムに相当する。
掘削船１２は、ライザー管１０と、掘削船１２を移動させるためにスラスト力（推力）を出す複数のスラスタ１４と、各スラスタ１４に、スラスタ１４の向きとスラスト力の大きさを表す信号を与えるＤＰＳ１６と、掘削船１２の現在の位置ｘ₀、ｙ₀を取得する船体位置センサ１８と、掘削船１２の本体と接続するライザー管１０の上端の傾斜角度θ_x，θ_yを計測するライザー管角度センサ２０と、掘削船１２の本体に対して自在に海中を移動し、ライザー管１０の下端を撮影してこの下端の位置ｘ_le、ｙ_leを計測するＲＯＶ（Remotely Operated Vehicle）２２と、掘削船１２の現在の位置ｘ₀、ｙ₀、傾斜角度θ_x，θ_y、及びライザー管１０の下端の位置ｘ_le、ｙ_leに基づいて、指定位置ｘ_c、ｙ_cの信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号をＤＰＳ１６に供給するライザー管制御装置２４と、を主に有する。
上記船体位置センサ１８と、ライザー管角度センサ２０と、ＲＯＶ２２と、ライザー管制御装置２４と、で構成されるシステムが、本発明における線状構造体位置制御システムに相当する。

スラスタ１４は、例えば、アジマススラスタやサイドスラスタが用いられる。スラスタ１４は、例えば、掘削船１２の後方の、左右両側の船底と、掘削船１２の前方の、船体の左右中心線上の船底に、合計３箇所設けられる。アジマススラスタは、推力を発するプロペラの回転軸が所望の方向に回動する推力発進装置であり、サイドスラスタは、船体の横方向（スウェイ方向）にのみ推力を発する推力発進装置である。

ＤＰＳ１６は、オペレータが入力した指定位置ｘ_c、ｙ_c、ψ_cに対してスラスタ１４に供給するスラスト力の方向とスラスト力の大きさを表す信号を生成する。このとき、船体位置センサ１８から出力される現在の位置ｘ₀、ｙ₀、ψ₀が供給されて、生成された信号を制御するように構成されている。

船体位置センサ１８は、ＧＰＳ(Global Positioning System)及び方位測定器を用いて掘削船１２の現在の位置ｘ₀、ｙ₀，ψ₀を取得するセンサである。
ライザー管角度センサ２０は、弾性変形したライザー管１０の上端における傾斜角度を計測するセンサであり、傾斜角度計が好適に用いられる。傾斜角度は、具体的には、予め船体に設定されたｘ−ｙ直交座標系のｘ軸に対する傾斜角度θ_x、およびｙ軸に対する傾斜角度θ_yである。
ＲＯＶ２２は、カメラロボと呼ばれるテレビカメラの装備された海中移動可能な移動体であり、テレビカメラで撮影された画像から画像処理によってライザー管１０の下端の位置ｘ_le、ｙ_leを求める。
船体位置センサ１８、ライザー管角度センサ２０及びＲＯＶ２２にて得られたデータであるｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leは、ライザー管制御装置２４に供給される。

ライザー管制御装置２４は、各センサで観測されたｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_le
を観測データとして、後述するオブザーバ（観測器）２６に供給し、このオブザーバ２６から算出された、掘削船１２の推定位置を少なくとも含む推定状態変数x^*と、ライザー管１０の下端の、現在の位置とその目標位置との誤差を制御開始時点から積分した値x_Iと、予め定められたフィードバック係数行列ＦとＦ_Iとを用いてｕ＝−Ｆ・x^*−Ｆ_I・ｘ_Iを求め、この信号のうち、掘削船１２の位置成分を取り出してＤＰＳ１６にフィードバック制御信号として供給する装置である。すなわち、指定位置ｘ_c、ｙ_cの指令信号に対するフィードバック信号ｕを生成し、この信号の位置成分をＤＰＳ１６に供給する。フィードバック係数行列ＦとＦ_Iは、リエントリ作業において移動する掘削船１２の移動速度の平均値に応じて、図示されない記憶手段から呼び出されて変更される。

観測データであるｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leから推定状態変数x^*を算出するオブザーバと、このオブザーバを用いた推定状態変数x^*、及びフィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iは、ライザー管１０の弾性変形、掘削船１２の運動、およびＤＰＳ１６の応答特性を含んだ数学モデルを用いて表した制御対象モデルから得られるものである。この点は後述する。

ライザー管１０のリエントリ作業では、まず、掘削地点近傍に到着した掘削船１２で、ライザー管が組み立てられる。この後、オペレータの指示入力により、ＤＰＳ１６に指定位置ｘ_c、ｙ_c，ψ_c（船体のヨー角）の信号が供給される。ＤＰＳ１６では、供給された信号に基づいて、各スラスタ１４にスラスタの大きさと向きを表す信号を各スラスタ１４に供給し、スラスタ１４を動作させる。さらに、ＢＯＰ１３の位置である目標位置が設定される。
掘削船１２は、指定位置ｘ_c、ｙ_cの指定により指定位置ｘ_c、ｙ_cに近づく移動を開始するが、掘削船１２に支持されるライザー管１０は、この移動によって、あるいは潮流等によって弾性変形を起こして振動し、ライザー管１０の下端は必ずしもＢＯＰ１３の位置（目標位置）に到達しない。
本発明の制御方法では、ライザー管角度センサ２０によって上端の傾斜角度θ_x，θ_yと、ＲＯＶ２２によってライザー管１０の下端位置ｘ_le、ｙ_leとが計測される。さらに、船体位置センサ１８によって掘削船１２の現在の位置ｘ₀、ｙ₀が計測される。これらの計測されたθ_x，θ_y、ｘ_le、ｙ_le、ｘ₀、ｙ₀のデータがライザー管制御装置２４に供給される。
ライザー管制御装置２４では、供給されたｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leのデータに基づいて、指定された指定位置ｘ_c、ｙ_cに対するフィードバック制御信号、すなわち、制御信号ｕ＝−Ｆ・x^*−Ｆ_I・ｘ_Iの位置成分の信号が生成され、このフィードバック制御信号がＤＰＳ１６に供給される。
これにより、ＤＰＳ１６は、ライザー管１０の下端位置がＢＯＰ１３の位置（目標位置）に到達するように、指令信号に対して調整される。

次に、このようなライザー管制御装置２４の構成と、この構成を実現するために利用するモデルについて説明する。
本発明で用いる制御対象モデルは、ライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデルと、掘削船１２の運動方程式モデルと、ＤＰＳ１６の動特性を表した特性モデルとを用いて１つのモデルに結合したものである。
これらのモデルを用いて作られる制御対象モデルに対して、ＬＱＩ（Linear Quadratic Optimum Control With Integral Action）制御を適用することで、フィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iが算出される。
一方、ライザー管制御装置２４には、目標位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を含む制御信号ｕ＝−Ｆ・x^*−Ｆ_I・ｘ_Iを生成するために、観測データであるｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leから推定状態変数x^*を算出するオブザーバ（観測器ともいう）が設けられるが、このオブザーバは、上記制御対象モデルを用いて構築されたものである。

（ａ）ライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデル
ライザー管１０は、図３に示すように、上端が（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）の位置に固定された梁モデルで表され、この梁モデルは、変位（ｗ_x、ｗ_y、ｗ_z）と回転軸周りの捩じれψの４自由度で表される。この梁モデルには、ライザー管が海中にあることを考慮して、加速度に比例する付加質量効果の力と、流体との相対速度の二乗に比例する流体抗力を流体力として含んでいる。また、梁モデルの上端には、掘削船１２から作用する力を再現した外力と軸周りのモーメントを含んでいる。
このような梁モデルは、時間と位置によって変位が定まるため、下記式（２）に示すように、時間と位置を分離し、しかも、位置による変位を表すために、この変位を，関数系を用いたモード展開で表している。具体的には、第１種０次ベッセル関数を用いてモード展開している。本発明においては、モード展開は、第１種０次ベッセル関数に限定されない。直交関数系を含む種々の関数系を用いることができる。
下記式（１）は、ηを自由度として表した梁モデルの変形挙動を表す方程式である。
下記式（２）は、第１種０次ベッセル関数によるモード展開の式である。

上記式（１）中のηは、上記ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀，ψの他、第１種０次ベッセル関数でモード展開したときの、各係数ｑ_x，ｑ_y，ｑ_zが自由度（変数）として含まれる。

ここで、梁モデルは振動の挙動を表すので、梁モデルの変位（ｗ_x、ｗ_y、ｗ_z）の分布は時間によって変化する。このため、上記式（２）に示すように、変位の分布を時間に依存する関数と空間に依存する関数に分離し、このとき、空間に依存する関数（変位）を第１種０次ベッセル関数Ｊ₀を用いてモード展開している。したがって、第１種０次ベッセル関数Ｊ₀を用いてモード展開したときの係数が上記係数ｑ_x，ｑ_y，ｑ_zである。これらの係数は時間に依存する関数となる。すなわち、空間上の変位の分布は第１種０次ベッセル関数Ｊ₀で表し、モード展開したときの第１種０次ベッセル関数Ｊ₀に係る係数が時間によって変化する関数となる。このときの上記係数はｑ_xi, ｑ_yi, ｑ_zi（ｉ＝１〜Ｎ：Ｎはモード展開する次数）で表されている。係数ｑ_x，ｑ_y，ｑ_zは、各ｑ_xi, ｑ_yi, ｑ_ziを成分とするベクトルである。このｑ_xi, ｑ_yi, ｑ_ziが、上記式（１）で用いられる。図４（ａ）〜（ｄ）は、第１種０次ベッセル関数の1次〜４次の変位ａ_i(z)を表している。図４（ａ）〜（ｄ）では、横軸を、ライザー管１０の長さｌで規格化している。本発明においては、モード展開の次数はＮ＝８程度であることが好ましい。Ｎ＝８より小さいと、高次のモードの振動が再現されず、Ｎ＝８より大きいと、計算処理時間が長くなるためである。
以上が、ライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデルである。

（ｂ）掘削船１２の運動方程式モデル
掘削船１２の運動方程式は、図５に示すように、ｘi−ｙiの直交座標系において、掘削船１２の船首方向の速度成分ｕ_sとこの方向と直交する方向の速度成分ｖ_sと重心回りの回転角速度ｒ_sとを用いて下記式（３）に示すように表される。Ｆ_x, Ｆ_y, Ｎ_zは、ライザー管１０から受ける外力及びモーメントであり、上記式（１）中の外力Ｆ_x，Ｆ_y，Ｎ_zを成分とするベクトルｆと作用反作用の関係にある。

こうして作成されたライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデルと掘削船１２の運動方程式モデルとは、Ｆ_x, Ｆ_y, Ｎ_zを消去することによって、下記式（４）に示すような、ライザー管１０を備えた掘削船１０の数学モデルが得られる。このとき、ライザー管１０の式（１）中のηの成分ｚ₀は無視して省いている。さらに、下記式（４）は、解析が可能なように非線形方程式を、移動速度Ｖに関して線形化したものである。式（４）では、移動速度Ｖが制御によって変動するときの移動速度の平均値が移動速度Ｖの代用として用いられる。したがって、この平均値が変化すると、式（４）も変化するため、ライザー管１０を備えた掘削船１０の数学モデル自体が変更される。これによって、後述するフィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iも変化する。なお、移動速度を０とした場合、ライザー管１０の下端の位置と、上端の位置とが略同相の振動を起こす。このため位相ずれが生じず、実際のライザー管１０の挙動と一致しない。このため、移動速度として用いる平均値は非０に設定することが好ましい。

（ｃ）ＤＰＳ１６の応答特性を表した特性モデル
ＤＰＳ１６は、図２に示されるように船体位置センサ１８から現在の位置ｘ₀,ｙ₀，ψ₀を用いて、指定位置ｘ_c、ｙ_c、ψ_cの指令信号に対してフィードバック制御を行うが、このときのフィードバック制御の応答特性を同定する必要がある。具体的には、下記式（５）に示すＰＩＤ制御におけるゲインＫ_P,Ｋ_I，Ｋ_Dが求められる。実際のＤＰＳ１６を搭載した掘削船１０を平水中で前後方向に正弦波の指令信号を与えて船体を移動させることにより、そのとき計測されたライザー管１０の下端の位置の応答が計算結果と一致するように、ゲインＫ_P,Ｋ_I，Ｋ_Dの算出が行われる。さらに、スラスタ１４にスラスト力とスラストの向きの指令が与えられてから、この指令を実現するまでの遅れを考慮して、下記式（６）に示す式を導入している。式（６）中の時定数Ｔ_Tは、実測により同定される。
こうしてＤＰＳ１６の応答特性を導入した掘削船１０の数学モデルは、下記式（７）に示すように、ｘを状態変数とし、ｙを観測出力とする制御対象モデルとして表される。状態変数ｘは、ライザー管１０を備えた掘削船１０の数学モデルの状態変数ηを少なくとも含んだ変数である。ここでは、ヨー角ψは十分に制御されているものとして制御対象外としている。掘削船１０の数学モデルの状態変数ηには、後述する観測データｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leに対応する観測変数も含まれている。

こうして得られた制御対象モデルに対して、ＬＱＩ（Linear Quadratic Optimum Control With Integral Action）制御を適用することで、フィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iが算出される。フィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iは、上述したように移動速度Ｖに応じて変化する数学モデルを用いて算出されるので、フィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iは、上述したように移動速度Ｖに応じて変化する。
ＬＱＩ制御の設計は、具体的に以下のように行われる。
下記式（８）に示すように、ライザー管１０の下端の現在の位置とライザー管１０の下端の、設定された目標位置η_dとの誤差の制御開始時点からの累積積分値ｘ_Iを定め、この累積積分値ｘ_Iを、下記式（９）に示すように制御対象モデルの状態変数に加えた拡大システムモデルを作る。

上記式（９）で表される拡大システムモデルにおいて、下記式（１０）で示す評価関数Ｊを最小にするために、下記式（１１）に示すフィードバック制御信号を含む制御信号ｕを定める、システムを安定させるフィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iを算出する。フィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iは、システムが安定するような固有値を設定することにより、算出される。ここで、上記評価関数Ｊは、上記式（９）中の拡大システムモデルの状態変数ｘの各成分と指定位置ｘ_c，ｙ_cの値の二乗和、より細かく言うと重み付け二乗和を用いて表した評価関数である。下記式（１０）中のｘ₁,x₂，・・・,x_nxは、式（９）中の状態変数ｘの各成分であり、nxは、状態変数ｘの個数を表す。なお、本発明において、評価関数は、制御システムで用いる二次形式評価関数であれば特に制限されない。

このようにして算出されるフィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iは、予め移動速度Ｖの代用とされる上述の平均値に応じて算出し、ライザー管制御装置２４の図示されない記憶手段に、平均値と関連付けて記憶しておくとよい。なお、本実施形態では、ＬＱＩ制御を用いたが、本発明ではこれに限定されず、２次形式の評価関数を最小にする状態フィードバックの制御信号を求める最適レギュレータを適用して、フィードバックゲイン行列を求めることもできる。
リエントリ作業時には、平均値に応じて設定されたフィードバックゲイン行列Ｆ、Ｆ_Iを呼び出して、フィードバック制御信号を含む制御信号ｕが以下のように生成される。

ここで、制御信号ｕは、上記式（１１）に示すように、状態変数ｘを用いる。しかし、この状態変数ｘの成分は、実際の掘削船１０及びライザー管１２では全て計測できるものではない。このため、計測可能な観測データ、すなわち、式（７）のｙの成分ｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leを用いて、以下に示すようなオブザーバを構築して推定状態量ｘ^*を算出し、状態変数ｘに替えて算出した推定状態量ｘ^*を用いる。すなわち、ライザー管制御装置２４は、以下に示すオブサーバ２６を備える。

図６は、船体位置センサ１８、ライザー管角度センサ２０およびＲＯＶ２２で計測された観測データｘ₀、ｙ₀，θ_x，θ_y，ｘ_le、ｙ_leを用いて、式（９）で表される状態変数ｘを推定する装置の構成を示す図である。
ここで、行列Ａ、Ｂ、Ｃ_Mは、上記式（７）で表される制御対象モデルの行列である。すなわち、行列Ａ，Ｂ、Ｃ_Mは、式（８）で表される数学モデルにより定められた行列である。行列Ｈはオブザーバゲインであり、（Ｃ_M,Ａ）が可観測である場合、オブザーバ２６における固有値を設定することにより、取得できる。
オブザーバ２６は、下記式（１２）で表される。

このようにして、行列Ａ、Ｂ、Ｃ_M、Ｈを用いて構成されたオブザーバ２６を用いて、推定状態量ｘ^*を算出し、この推定状態量ｘ^*と式（８）で算出されるｘ_Iとを用いて、下記式（１３）に従って、制御信号ｕを生成する。この制御信号ｕのうち指定位置の指令信号に対する信号成分がフィードバック制御信号として、ライザー管制御装置２４から出力され、ＤＰＳ１６に供給される。

このようなライザー管制御装置２４を用いて、本発明の制御方法の有効性を確かめた。
まず、掘削船及びライザー管は５５分の１のモデルとし、このモデルを再現した上述の制御対象モデルを用いて、リエントリ作業を再現する数値実験を行った。

リエントリ作業の数値実験に用いた制御方法は、制御１〜制御３である。制御１は、ライザー管の下端位置とＢＯＰの目標位置とのずれをフィードバック制御するもので、これは、従来オペレータがＲＯＶ２２から送信される画像を見ながら、アニュアル操作で位置を調整する作業に相当する。
制御２は、掘削船の移動速度を代用して表す平均値を０としたときの制御方式である。制御３は、この平均値を非０としたときの制御方式である。制御２、３は、本発明の制御方法に相当する。

図７（ａ），（ｂ）は、ライザー管の下端の位置を目標位置に到達するように、平水中に前方に向かって船体が移動することを再現した結果である。図中、制御１は符号１で、制御２は符号２で、制御３は符号３でそれぞれ示されている。制御１は、船体の位置及びライザー管の下端の位置が振動して大きく振れており、この振動が収束しないことがわかる。一方、制御２及び制御３は、振動することなく目標位置に速やかに到達していることがわかる。

図８（ａ），（ｂ）は、ライザー管の上半分に潮流が作用する条件のときの結果である。この条件下、ライザー管の下端の位置が目標位置に到達するように、前方に向かって船体が移動することを再現した。図７（ａ），（ｂ）と同様に、制御２，３では、ライザー管の下端の位置が速やかに目標位置に到達することがわかる。図９（ａ），（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）を拡大してその差異を判り易く表したものである。図９（ａ），（ｂ）からわかるように、制御３は、制御２に比べてオーバーシュートすることなく、速やかに目標位置に到達していることがわかる。
以上より、本発明の制御方法である制御２，３の方式は、従来の制御方式に対して有効であることがわかる。特に、制御３のように移動速度を代用して表す平均値を非０とすることにより、短時間にライザー管１０の下端の位置をＢＯＰ１３の目標位置に到達させることができることがわかった。

以上、本発明の線状構造体位置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明の線状構造体位置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムが好適に用いられるライザー管のリエントリ作業を説明する図である。 本発明の線状構造体位置制御システムの一例であるライザー管の制御システムを説明する図である。 図２に示すシステムにおいて用いるライザー管の数学モデルを説明する図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図３で説明する数学モデルにおいて用いるライザー管の変形モードを説明する図である。 図２に示すシステムにおいて用いる掘削船の運動方程式を説明する図である。 図２に示すシステムにおいて用いるオブザーバを説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の方法を用いた制御方式と従来の方法を用いた制御方式の制御結果の一例を比較して示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の方法を用いた制御方式と従来の方法を用いた制御方式の制御結果の他の例を比較して示す図である。 図８（ａ），（ｂ）に示す制御結果を拡大して示した図である。

符号の説明

１０ ライザー管
１２ 掘削船
１４ スラスタ
１５ ＢＯＰ
１６ ＤＰＳ
１８ 船体位置センサ
２０ ライザー管角度センサ
２２ ＲＯＶ
２４ ライザー管制御装置
２６ オブザーバ

Claims (9)

1. 水面に浮かぶ移動体と、この移動体に設けられ、指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動体位置制御装置と、前記移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に用いられ、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する線状構造体位置制御システムであって、
   前記線状構造体の前記上端の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、
   前記線状構造体の前記下端の位置を計測する第１の位置センサと、
   前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、
   前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた前記移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動体位置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする線状構造体位置制御システム。
2. 前記線状構造体制御装置は、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインを変更する請求項１に記載の線状構造体位置制御システム。
3. 前記フィードバックゲインは、前記移動構造体の数学モデルと前記移動体位置制御装置の応答特性の情報とを用い作成され、前記数学モデル中の観測変数を状態変数の一部として表した制御対象モデルに対して、前記制御対象モデルの前記状態変数の各成分と前記指定位置の値の二乗和で表した評価関数を最小とする最適制御を適用することにより設定されたゲインである請求項２に記載の線状構造体位置制御システム。
4. 前記移動構造体の数学モデルは、前記移動体の数学モデルと前記線状構造体の数学モデルとを用いて構成されたモデルであり、
   前記線状構造体の数学モデルとして、前記線状構造体の空間上の弾性変形の変位を所定の関数系でモード展開したときの係数を変数とするモデルを用いる請求項３に記載の線状構造体位置制御システム。
5. 前記線状構造体制御装置は、前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とから、前記移動構造体の数学モデルの自由度に対応する前記移動構造体の情報を推定する観測器を備え、この観測器で推定された情報と、前記フィードバックゲインとを用いて前記フィードバック制御信号を生成する請求項２〜４のいずれか１項に記載の線状構造体位置制御システム。
6. 水面に浮かぶ移動体と、この移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に用いられ、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する移動構造体制御システムであって、
   指定される指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動体位置制御装置と、
   前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、
   前記線状構造体の下端の位置を計測する第１の位置センサと、
   前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、
   前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を前記移動体位置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする移動構造体制御システム。
7. 前記フィードバック制御信号を生成するとき、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインが変更される請求項６に記載の移動構造体制御システム。
8. 水面に浮かぶ移動体と、この移動体に設けられ、指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動体位置制御装置と、前記移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に対して、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する線状構造体の位置制御方法であって、
   前記移動体の現在の位置と、前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度と、前記線状構造体の下端の位置を計測するステップと、
   得られた前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とに基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動体位置制御装置に供給するステップと、を有することを特徴とする線状構造体の位置制御方法。
9. 前記フィードバック制御信号を生成するとき、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインが変更される請求項８に記載の線状構造体の位置制御方法。

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