JP2012071621A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】各変針モードの度に船体パラメータを同定する同定演算部32と、同定演算部32で同定された船体パラメータに対して制限をかけた更新値を使用するべき船体パラメータとして出力する更新判断部34を備える。更新判断部34は、各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求め、同定演算部32から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする。
【選択図】図1
Description
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の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、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする。
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲外にあって、且つ前記第1範囲内よりも広い第2範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第2範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする。
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも1つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする。
1.同定モデル
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。
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(図3参照)。
外乱モデルは、船体と風との相対速度によって発生する船体の方位軸まわりのモーメントを舵角オフセットに換算したδoffsetで表す。相対速度ベクトルの絶対値の時間変化が微小とすれば、相対速度ベクトルは方位ψの関数として扱えるので、このことから舵角オフセットを、
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4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、
同定演算部32は、操船者または自動操船による命令舵角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、
図5は、同定演算部32及び更新判断部34のシーケンスを表す。自動操舵装置12は、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードと、を有しており、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により変針モードが開始され所定時間経過すると、保針モードとなる。
図6は、更新判断部34の構成を表すブロック図である。更新判断部34は、データ記憶部62、評価量算出部64、パラメータ配列蓄積部65、平均値算出部66、同定値制限部68、更新処理部70及び更新記憶部72を備える。
・Ksn/Tsnの比率の変動範囲は喫水変化も含めて1.3倍以内に収まる
・Ksn/Tsnは喫水変化に対して、Ksn、Tsnと共に比例的に変動する
ことを仮定することができる。
保針モード中に船体パラメータのノミナル値の適合具合を見積もるための指数を、評価量として導入する。図8は評価量の特性を表し、ノミナル値(船速修正による変化は無視する)が実際の船体パラメータにほぼ一致すると評価量は最小値に近づく。
データ記憶部62は、保針モードの制御対象に関する時系列データxψ,xδ(添え字ψ:方位,δ:舵角(命令舵角δcとしてもよい))を所定時間毎(例えば1秒)に収録している。データ記憶部62は、リングバッファ型メモリとすることができる。
評価量算出部64は、それぞれの各保針モードの時系列データxψ,xδの標準偏差σψ,σδを
パラメータ配列蓄積部65は、保針モードに対応する評価量J1〜Jnとそれに対応する船体パラメータのノミナル値、即ち、更新値を対応付けて、それらのパラメータ配列
同定値制限部68は、同定演算部32より得られた船体パラメータの同定値を受け取り、これに制限をかける。即ち、同定演算部32から求められた船体パラメータの同定値は同定誤差を含むために、まず、その制限をかけて、制限を通過したものと、制限を通過しないものとで、異なる処理を施すようにする。
時定数Tsmは、
許容できる微分ゲインKdに基づきTsmの上限値と下限値を定めて、Tsmをその範囲内に制限する。
ここで、微分ゲインKdと船体パラメータとの関係について説明する。フィードバック制御器28は、図9のように構成され、フィードバック制御器28は、偏差ψe=ψR-ψ及びフィードバック制御器28の出力の命令舵角δcから推定偏差ψe^、推定角速度r^を求める推定器52と、比例ゲイン54、微分ゲイン56と、を含む。KP,Kd はフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインとを示す。フィードバック制御器28は、推定器52からの推定偏差ψe^に対して比例ゲインKPを乗算し、推定器52からの推定角速度r^に対して微分ゲインKdを乗算し、これらを加算して、命令舵角δcを出力する。
船体モデルを表す(1)、(2)式から(図3参照)、
Tsnの上限値と下限値とを微分ゲインKd に基づいて定め、上限値と下限値との間でTsnの制限をかける。簡単化のためTs3n =0とおくと、(24)、(25)式は、
更新処理部70では、制限を通過した同定値に対して次の更新判断を行い、この判断において、平均値算出部66で求めた平均値と制限を通過した同定値とを用いて、広い範囲と狭い範囲との更新条件で判断して更新値を求める。更新回数が少ないと広い更新判断になり、同定値のバラツキが小さくなると狭い更新判断に遷移する。狭い更新判断はその航海が終了するまで保持し、次の航海で広い更新判断にリセットする。
広い更新判断から狭い更新判断への切り替えは、同定値による更新
広い更新判断では、無次元指数CRに対して、その更新値CRupdateを図13に示すように、
狭い更新判断では、無次元指数CRに対して、その更新値Cupdateを図14に示すように定める。但し、無次元指数は、Ksm/Tsmによっているため、CR=1でも、
更新判断部34による処理を図15A〜15Cに示す。
本発明をシミュレーションによって検証する。
以上のように、ノミナル値の適正具合を実際の保針モードから評価し,その評価量に基づいて同定値の更新判断を実施することにより、船体パラメータの更新が円滑に実施され、突発性変動を除去することができる。
18 制御対象
32 同定演算部
34 更新判断部
48 パラメータ調節部
62 データ記憶部
64 評価量算出部
65 パラメータ配列蓄積部
66 平均値算出部
68 同定値制限部
70 更新処理部
Claims (7)
- 設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の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、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 前記更新処理部は、前記少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と1との差異を前記尺度とすることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記更新処理部は、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲外にあって、且つ前記第1範囲内よりも広い第2範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第2範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする請求項2記載の船舶用自動操舵装置。 - 前記更新判断部は、
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも1つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。 - 前記同定演算部から出力された少なくとも1つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする請求項5記載の船舶用自動操舵装置。
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