JP2014075101A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度飽和が生じていた動作範囲にまで制御領域を拡大するとともに、制御の安定及び追従性の向上を図ることのできる制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】制御装置１は、船体２を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成するメインループ２０と、舵角指令に舵角を追従させるためのマイナーループ３０と、速度飽和を補償するための速度飽和補償部４０とを備えている。速度飽和補償部４０は、速度飽和要素を含まない舵１０の理想モデル４１と、理想モデル４１に舵角指令または舵角指令に基づく入力指令を入力した場合の仮想舵角と、舵１０に舵角指令を入力した場合の実舵角との差分を速度飽和補償値として算出する差分演算部４２と、速度飽和補償値を舵角指令にフィードバックし、舵角指令から速度飽和補償値を差し引いた値をマイナーループ３０への舵角指令として入力させるフィードバック部４３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御装置に係り、特に、速度飽和を含むシステムに適用されて好適な制御装置に関するものである。

従来、水中航走体等の姿勢制御には、目標姿勢と現在の姿勢との差分に対して比例積分微分制御を行うことで得られた舵角指令を舵へ与え、船体の姿勢を目標姿勢に追従させることが行われている。
図１１に、一般的な従来の制御装置５０のブロック線図を示す。図１１に示すように、船体５１の姿勢θｐと目標指令θｐ^＊との差分がＰＩＤ制御部５２に入力され、舵角指令φ^＊が生成される。舵角指令φ^＊は、舵５４を制御する舵制御系に与えられ、舵５４の舵角が舵角指令φ^＊に追従するように制御される。このようにして、舵角指令φ^＊に基づいて舵角が変化することで、船体５１の姿勢も変化し、船体５１の姿勢θｐが目標指令θｐ^＊に近づくこととなる。

特開平８−２８２５８９号公報

ところで、近年、目標姿勢に対する船体の応答性をより一層向上させることが要求されている。しかしながら、水中航走体等に設けられている舵は、舵角指令の急激な変化に追従することができないという速度飽和の要素を有している。このため、所定の振幅を超える領域或いは周波数が所定の周波数を超える領域の舵角指令が舵制御系に入力された場合には、実舵角がそのような指令に追従できず、速度飽和が生じてしまう。
速度飽和が生ずると、比較的大きな位相遅れが発生し、舵の応答性が極めて悪化する。これにより、例えば、船体が振動してしまい、制御系が不安定になるなどの問題があった。
更に、このような速度飽和が懸念される水中航走体等では、船体の制御系に設けられているＰＩＤ制御部５２の制御ゲインを上げることができず、動作領域が制限されてしまうため、一層の応答性の悪化を招いていた。

従来は、このような速度飽和を解消する対策として、舵に与える舵角指令の範囲を速度飽和の発生しない周波数領域及び振幅領域に制限するという消極的な解決策しか取られていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、速度飽和が生じていた動作範囲にまで制御領域を拡大するとともに、制御の安定及び追従性の向上を図ることのできる制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに適用され、前記制御対象を目標状態に一致させるための制御指令を生成するメインループと、前記制御指令に前記アクチュエータの操作量を追従させるためのマイナーループとを備える制御装置であって、速度飽和要素を含まない前記アクチュエータに関する理想モデルと、該理想モデルに前記制御指令または前記制御指令に基づく入力指令を入力した場合の仮想操作量と、前記アクチュエータに前記制御指令を入力した場合の実操作量との差分を速度飽和補償値として算出する差分演算手段と、前記速度飽和補償値を前記制御指令にフィードバックし、前記制御指令から前記速度飽和補償値を差し引いた値を前記マイナーループへの制御指令として入力させるフィードバック手段とを具備する制御装置である。

上記制御装置によれば、速度飽和要素を除いたアクチュエータに関する理想モデルを設け、理想モデルに制御指令または制御指令に基づく入力指令を入力した場合の仮想操作量と実操作量との差分を速度飽和補償値として算出し、この速度飽和補償値を制御指令にフィードバックする。そして、制御指令から速度飽和補償値を差し引いた値を制御指令としてマイナーループに与える。
これにより、アクチュエータの追従可能な範囲で最大の指令値をアクチュエータの制御系であるマイナーループに与えることが可能となる。この結果、アクチュエータの位相遅れを低減することができ、例えば、メインループにおけるＰＩＤ制御器の制御ゲインを上げることが可能となる。よって、制御対象の制御、すなわち、メインループにおける動作領域を拡大することができ、制御対象の応答性を向上させることができる。

上記制御装置は、前記速度飽和補償値が入力されるローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタから出力された速度飽和補償値を前記制御指令にフィードバックすることとしてもよい。

上記制御装置によれば、ローパスフィルタを設けるので、制御に不要となる周波数帯の信号を速度飽和補償値から除去することが可能となる。

上記制御装置において、前記理想モデルは、前記実操作量、前記メインループから出力される制御指令、及び前記制御対象の状態の少なくともいずれか１つに応じて変更可能とされていてもよい。

上記制御装置によれば、アクチュエータの特性変動に応じて理想モデルを調整することができ、制御指令に対する追従性をより一層高めることが可能となる。

本発明の第２態様は、舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成するメインループと、前記舵角指令に舵角を追従させるためのマイナーループとを備える制御装置であって、速度飽和要素を含まない前記舵に関する理想モデルと、該理想モデルに前記舵角指令または前記舵角指令に基づく入力指令を入力した場合の仮想舵角と、前記舵に前記舵角指令を入力した場合の実舵角との差分を速度飽和補償値として算出する差分演算手段と、前記速度飽和補償値を前記舵角指令にフィードバックし、前記舵角指令から前記速度飽和補償値を差し引いた値を前記マイナーループへの舵角指令として入力させるフィードバック手段とを具備する制御装置である。

本発明によれば、速度飽和が生じていた動作範囲にまで制御領域を拡大するとともに、制御の安定及び追従性の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック線図の一例を示した図である。 図１１に示した従来の制御装置に、舵角指令を与えた場合の舵角指令と実舵角との関係を示した図である。 図１１に示した従来の制御装置に、図２と同一の舵角指令を与えた場合の舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。 図１に示した制御装置に、図２と同一の舵角指令を与えた場合の舵角指令と実舵角との関係を示した図である。 図１に示した制御装置に、図２と同一の舵角指令を与えた場合の舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。 図１１に示した従来の制御装置に、ピッチ角指令を与えたときの応答性を示した図である。 図１に示した制御装置に、図６と同一のピッチ角指令を与えたときの応答性を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の他の構成例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック線図の一例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る制御装置のブロック線図の一例を示した図である。 従来の制御装置のブロック線図の一例を示した図である。

以下に、本発明の各実施形態に係る制御装置について、図面を参照して説明する。なお、本発明は、制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに広く適用されるものである。アクチュエータの一例としては、舵、翼などが挙げられ、制御対象の一例としては、船舶、水中航走体、ロケット、航空機等が挙げられる。
以下、制御対象として水中航走体を、アクチュエータとして舵を想定した場合の実施形態について説明するが、本発明の制御装置は、この範囲に限定されるものではなく、上記のごとく、速度飽和が生ずるシステムに広く利用されるものである。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る制御装置１について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る制御装置１のブロック線図の一例を示している。図１に示すように、制御装置１が適用される水中航走体は、舵１０の舵角を変化させることにより船体２の姿勢を制御するものである。

制御装置１は、船体２の姿勢θｐを目標姿勢θｐ^＊に一致させるための舵１０への舵角指令φ^＊を生成するメインループ２０と、舵角指令φ^＊に舵１０の実舵角φを追従させるためのマイナーループ３０と、速度飽和補償部４０とを主な構成として備えている。
メインループ２０は、船体２の姿勢θｐをフィードバックするフィードバック部２１と、この姿勢θｐと目標姿勢θｐ^＊との差分を算出する差分演算部２２と、差分演算部２２の出力に対して比例積分微分制御を行い、舵１０に対する舵角指令φ^＊を生成するＰＩＤ制御部２３とを主な構成として備えている。

ＰＩＤ制御部２３から出力される舵角指令φ^＊は、後述する速度飽和補償部４０から出力される速度飽和補償値φｃが差し引かれることにより補正され、補正後の舵角指令φｃ^＊が舵１０の制御系であるマイナーループ３０に入力される。

マイナーループ３０は、実舵角φが舵角指令φｃ^＊に一致するように舵を制御する。具体的には、マイナーループ３０は、補正後の舵角指令φｃ^＊と舵１０の実舵角φとの差分を算出する差分演算部３１を備え、差分演算部３１の出力が舵指令として舵１０に与えられる。これにより、舵５４の舵角が舵角指令φ^＊に追従するように制御される。このようにして、舵角指令φｃ^＊に基づいて舵角が変化することで、船体２の姿勢も変化し、船体２の姿勢θｐが目標指令θｐ^＊に近づくこととなる。
ここで、舵１０は、速度飽和を含み、線形要素Ｇｓｖと速度飽和の要素である非線形要素Ｎ（ａ，ω）とを備えるモデルで表わされる。
舵１０のモデルのうち、非線形要素を含まない線形要素Ｇｓｖの伝達関数には、舵の運動系の特性と舵の制御装置の特性が含まれる。

速度飽和補償部４０は、理想モデル４１、差分演算部４２、及びフィードバック部４３を主な構成として備えている。
理想モデル４１は、舵１０のモデルから速度飽和要素を排除したモデルであり、例えば、上述した舵１０の線形モデルＧｓｖと同じ伝達関数Ｇｓｖｍを有する。

理想モデル４１には、舵１０に与えられる舵指令（φｃ^＊−φ）が入力され、これに応じた仮想操作量φｉを出力する。
差分演算部４２は、理想モデル４１から出力された仮想操作量φｉと実舵角φとの差分を算出し、これを速度飽和補償値φｃとして出力する。
フィードバック部４３は、速度飽和補償値φｃを制御指令φ^＊にフィードバックさせる。

このような制御装置１においては、船体２の姿勢θｐがフィードバックされ、船体２の姿勢θｐと目標姿勢θｐ^＊との差分がＰＩＤ制御部２３に出力される。ＰＩＤ制御部２３では、この入力に対して船体２の姿勢θｐを目標姿勢θｐ^＊に追従させるための舵角指令φ^＊が生成される。

舵角指令φ^＊は、差分演算部２４において速度飽和補償部４０からの速度飽和補償値φｃが差し引かれ、補償後の制御指令φｃ^＊がマイナーループ３０に入力される。
ここで、速度飽和補償値φｃは、理想モデル、すなわち、速度飽和の要素Ｎ（ａ，ω）を有しない舵１０の線形モデルＧｓｖに対して舵指令を入力したときの仮想操作量φｉから、速度飽和の要素Ｎ（ａ，ω）を有する実際の舵１０のモデルに対して舵指令を入力したときの操作量である実舵角φを減算した値であり、これは、速度飽和の要素Ｎ（ａ，ω）が存在することによって追従が不可能となる舵の操作量に相当する。

従って、速度飽和の要素Ｎ（ａ，ω）によって追従不可能な指令の領域を事前に舵角指令φ^＊から差し引いた指令を、舵１０の制御系であるマイナーループ３０に舵角指令φｃ^＊として与えることで、舵１０が追従可能な範囲の舵角指令の最大値をマイナーループ３０に与えることが可能となる。
これにより、速度飽和の発生を回避し、舵１０の実舵角φを舵角指令φｃ^＊に追従させることが可能となる。そして、実舵角φが舵角指令φｃ^＊に基づいて速やかに応答することで、水中航走体の船体２の姿勢θｐを目標姿勢θｐ^＊に速やかに追従することとなる。

以上、本実施形態に係る制御装置１によれば、速度飽和の要素を除いた舵１０の線形モデルを理想モデル４１として設け、理想モデル４１に舵指令を入力した場合の仮想操作量φｉと実舵角φとの差分を速度飽和補償値φｃとして舵角指令φ^＊にフィードバックする。そして、舵角指令φ^＊から速度飽和補償値φｃを差し引いた値φｃ^＊を補償後の舵角指令としてマイナーループ３０、換言すると、舵１０の制御系に与える。

これにより、舵１０の追従可能な範囲で最大の指令値を舵１０の制御系に与えることが可能となり、速度飽和の発生を回避することが可能となる。この結果、舵１０の位相遅れを低減することができ、メインループ２０におけるＰＩＤ制御部２３の制御ゲインを上げることが可能となる。よって、船体制御における動作領域を拡大することができ、船体２の姿勢制御の応答性を向上させることができる。

図２は、図１１に示した従来の制御装置５０に、舵角指令を与えた場合の舵角指令と実舵角との関係を示した図である。図３は、図１１に示した従来の制御装置５０に、図２と同一の舵角指令を与えた場合の舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。また、図４は、図１に示した本実施形態に係る制御装置１に、図２と同一の舵角指令を与えた場合の舵角指令と実舵角との関係を示した図である。図５は、図１に示した本実施形態に係る制御装置１に、図２と同一の舵角指令を与えた場合の舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。

図２、図３に示すように、従来の制御装置５０では、舵角指令、舵角速度指令に対する応答に約半周期の遅延が生じており、追従性が極めて悪いことがわかる。これに対し、図４及び図５に示すように、本実施形態に係る制御装置１によれば、舵角指令、舵角速度指令に対する応答にほとんど遅延が見られず、また、舵角の応答性に関しては、舵角指令に沿って略同じ動きをしていることがわかる。図２−図５に示した結果では、図１１に示した従来の制御装置５０と比較した場合に、本実施形態に係る制御装置１の位相遅れが約８１％も低減されていることがわかる。このように、本実施形態に係る制御装置１によれば、従来に比べて高い応答性を実現できる。

更に、図６は、従来の制御装置５０（図１１参照）に、ピッチ角指令を与えたときの船体のピッチ角（図６（ａ）参照）、舵角（図６（ｂ）参照）、舵角速度（図６（ｃ）参照）の応答性を示した図であり、図７は本実施形態に係る制御装置１に、図６と同一のピッチ角指令を与えたときの船体のピッチ角（図７（ａ）参照）、舵角（図７（ｂ）参照）、舵角速度（図７（ｃ）参照）の応答性を示した図である。
図６に示すように、従来の制御装置５０では、舵角速度指令に舵の速度が追従できず、舵角に位相遅れが発生し、これによりピッチ角に振動が生じている。
これに対し、図１に示した本実施形態に係る制御装置１によれば、舵角及び舵角速度が、舵角指令及び舵角速度指令に速やかに追従しているため、船体のピッチ角も指令に対して優れた追従性を示している。
このように、本実施形態に係る制御装置１によれば、従来よりも舵角及び舵角速度の追従性を向上させることができ、これにより、船体の姿勢制御の追従性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、速度飽和補償部４０を開ループとして設けていたが、図８に示すように、閉ループとしてもよい。ただし、この場合、Ｇｓｖｍは、Ｇｓｖのみで閉ループとしたときの特性とした理想モデルである。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図９に示すように、図１に示した制御装置１の構成に加えて、速度飽和補償部４０´のフィードバック部４３にローパスフィルタ４４を設けている。この構成によれば、差分演算部４２から出力された速度飽和補償値φｃは、ローパスフィルタ４４を経由して制御指令φ^＊にフィードバックされる。このように、フィードバック部４３にローパスフィルタ４４を設けることにより、速度飽和補償値φｃに含まれている、制御に不要な周波数帯域の信号を除去することが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図１０に示すように、図１に示した制御装置１の構成において、理想モデル４１が可変とされている点で異なる。
具体的には、理想モデル４１を実舵角φ、船体の姿勢θｐ、メインループ２０から出力される制御指令φ^＊の少なくともいずれか１つに応じて可変とする。すなわち、舵１０の動特性は、動作領域によって変わるおそれがあるため、これに伴い、理想モデル４１も変更可能とすることが好ましい。そこで、本実施形態では、舵の動特性に影響を与えるような上記パラメータに基づいて理想モデル４１を調整することとしている。例えば、理想モデル４１を定義している一部のパラメータを実舵角φ、船体の姿勢θ、制御指令φ^＊等に基づいて調整することで、理想モデル４１を変更する。
このように、理想モデル４１を可変にすることで、舵の特性変動に応じて理想モデルを調整することができ、制御指令に対する追従性をより一層高めることが可能となる。

１ 制御装置
２ 船体
１０ 舵
２０ メインループ
２１、４３ フィードバック部
２２、２４、３１、４２ 差分演算部
２３ ＰＩＤ制御部
３０ マイナーループ
４０、４０´ 速度飽和補償部
４１ 理想モデル
４４ ローパスフィルタ

Claims (4)

1. 制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに適用され、前記制御対象を目標状態に一致させるための制御指令を生成するメインループと、前記制御指令に前記アクチュエータの操作量を追従させるためのマイナーループとを備える制御装置であって、
   速度飽和要素を含まない前記アクチュエータに関する理想モデルと、
   該理想モデルに前記制御指令または前記制御指令に基づく入力指令を入力した場合の仮想操作量と、前記アクチュエータに前記制御指令を入力した場合の実操作量との差分を速度飽和補償値として算出する差分演算手段と、
   前記速度飽和補償値を前記制御指令にフィードバックし、前記制御指令から前記速度飽和補償値を差し引いた値を前記マイナーループへの制御指令として入力させるフィードバック手段と
   を具備する制御装置。
2. 前記速度飽和補償値が入力されるローパスフィルタを有し、
   前記ローパスフィルタから出力された速度飽和補償値を前記制御指令にフィードバックする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記理想モデルは、前記実操作量、前記メインループから出力される制御指令、及び前記制御対象の状態の少なくともいずれか１つに応じて変更可能とされている請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成するメインループと、前記舵角指令に舵角を追従させるためのマイナーループとを備える制御装置であって、
   速度飽和要素を含まない前記舵に関する理想モデルと、
   該理想モデルに前記舵角指令または前記舵角指令に基づく入力指令を入力した場合の仮想舵角と、前記舵に前記舵角指令を入力した場合の実舵角との差分を速度飽和補償値として算出する差分演算手段と、
   前記速度飽和補償値を前記舵角指令にフィードバックし、前記舵角指令から前記速度飽和補償値を差し引いた値を前記マイナーループへの舵角指令として入力させるフィードバック手段と
   を具備する制御装置。

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