JP2015153232A - control device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce quantization noise.SOLUTION: A control device 1 mainly comprises: a depth sensor 11 quantizing a depth of an underwater sailing body 10 as a control target; a quantization noise reduction unit 12; and a feedback control unit 13. The quantization noise reduction unit 12 includes a control target model 21; and a quantization model 22 quantizing an estimated controlled variable of the control target model 21, and functions to feed back a deviation between an output from the depth sensor 11 and an output from the quantization model 22 so as to reduce the deviation. An estimated depth estimated by the control target model 21 in the quantization noise reduction unit 12 is applied to the feedback control unit 13 as an input signal, and a manipulated variable for reducing the deviation between the estimated depth and a predetermined target value r is computed.

Description

本発明は、制御装置に係り、特に、制御対象の制御量の量子化に伴うノイズを低減する制御装置に関する。   The present invention relates to a control device, and more particularly, to a control device that reduces noise accompanying quantization of a control amount to be controlled.

例えば、制御対象の制御量を検出するセンサの分解能が不足している場合、分解能の粗さにより、量子化ノイズが発生する。
例えば、水中航走体の深度制御に用いられる深度計を例に挙げると、浅い海域で航走する場合にはビット数の問題は発生しないが、深度が深くなると１ビットで表現される距離が大きくなり、量子化ノイズが大きくなる。
量子化ノイズが増加すると、操作量の無駄なハンチングが発生し、電力を無駄に消費する等の問題が生ずる。 For example, when the resolution of the sensor that detects the control amount to be controlled is insufficient, quantization noise is generated due to the roughness of the resolution.
For example, in the case of a depth meter used for depth control of an underwater vehicle, there is no problem with the number of bits when sailing in shallow water, but the distance expressed by one bit increases as the depth increases. The quantization noise increases.
If the quantization noise increases, a problem arises in that wasteful hunting of the operation amount occurs and power is wasted.

特開平８−１７１５１号公報JP-A-8-17151

従来、上記のような量子化ノイズを低減する方法として、ローパスフィルタが用いられていた。しかしながら、ローパスフィルタは遅れ要素を有しているため、位相遅れが問題となり、系が不安定になるおそれがある。   Conventionally, a low-pass filter has been used as a method of reducing the quantization noise as described above. However, since the low-pass filter has a delay element, phase delay becomes a problem and the system may become unstable.

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、量子化ノイズを低減することのできる制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a control device capable of reducing quantization noise.

本発明の第１態様は、制御対象の制御量を量子化する量子化手段と、制御対象モデルと、前記制御対象モデルの推定制御量を量子化する量子化モデルとを有し、前記量子化手段の出力と前記量子化モデルの出力との偏差をフィードバックして、該偏差を低下させる量子化ノイズ低減手段と、前記量子化ノイズ低減手段における前記制御対象モデルの推定制御量をフィードバックし、該推定制御量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段とを具備する制御装置である。   A first aspect of the present invention includes a quantization unit that quantizes a control amount of a control target, a control target model, and a quantization model that quantizes an estimated control amount of the control target model. Feedback of the deviation between the output of the means and the output of the quantization model, the quantization noise reduction means for reducing the deviation, and the estimated control amount of the controlled object model in the quantization noise reduction means is fed back, A control device comprising feedback control means for calculating an operation amount for reducing a deviation between an estimated control amount and a predetermined target value.

本態様の制御装置によれば、量子化ノイズ低減手段において、制御対象モデルの出力である推定制御量が量子化モデルに入力され、量子化モデルにおいて推定制御量が量子化される。そして、量子化された推定制御量と量子化手段からの出力との偏差を算出し、この偏差を低減させるように量子化ノイズ低減手段が作動する。このように、量子化ノイズを含む信号同士を比較して偏差を求めるので、制御対象モデルの応答を実応答に近づけることが可能となる。そして、このような制御対象モデルにて推定された状態量、換言すると、量子化モデルに入力される前の状態量をフィードバック制御手段にフィードバックするので、フィードバック制御手段においては、量子化ノイズの影響をほとんど受けていない、本来の制御量に近い信号を用いて、操作量を演算することが可能となる。   According to the control device of this aspect, in the quantization noise reduction unit, the estimated control amount that is the output of the control target model is input to the quantization model, and the estimated control amount is quantized in the quantization model. Then, the deviation between the quantized estimated control amount and the output from the quantization means is calculated, and the quantization noise reduction means operates so as to reduce this deviation. As described above, since the deviation is obtained by comparing the signals including quantization noise, the response of the control target model can be brought close to the actual response. Then, since the state quantity estimated by such a control target model, in other words, the state quantity before being input to the quantization model is fed back to the feedback control means, the feedback control means has an influence of quantization noise. It is possible to calculate the manipulated variable by using a signal that is hardly subjected to the control signal and is close to the original control amount.

上記制御装置において、前記量子化ノイズ低減手段は、フィードバックゲインと、前記フィードバックゲインを前記制御対象の運動状態に応じて調整するゲイン調整手段とを具備することとしてもよい。   In the control apparatus, the quantization noise reduction unit may include a feedback gain and a gain adjustment unit that adjusts the feedback gain according to a motion state of the control target.

制御対象は、運動状態によって応答特性が変化する。したがって、制御対象モデルについても、制御対象の運転状態に応じてゲイン調整することで、制御対象モデルを制御対象の実応答に更に近づけることが可能となる。   The response characteristics of the controlled object vary depending on the motion state. Therefore, the gain of the control target model can be adjusted according to the operation state of the control target, whereby the control target model can be made closer to the actual response of the control target.

本発明の第２態様は、制御対象の制御量を量子化する量子化手段と、リミッタを含むオブザーバーと、オブザーバーによって推定された状態量をフィードバックして、該状態量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段と、前記目標値又は該目標値を微分した値を基準値とし、該基準値に所定の変動余裕度を持たせることにより、前記リミッタによる制限範囲を設定する制限範囲設定手段とを具備する制御装置である。   According to a second aspect of the present invention, a quantization means for quantizing a control amount to be controlled, an observer including a limiter, a state amount estimated by the observer is fed back, and the state amount and a predetermined target value are By means of a feedback control means for calculating an operation amount for reducing the deviation, the target value or a value obtained by differentiating the target value is set as a reference value, and the reference value is provided with a predetermined fluctuation margin. It is a control device comprising a limit range setting means for setting a limit range.

本態様の制御装置によれば、オブザーバーにリミッタを設け、リミッタによって状態量の変動を抑制するので、変動の小さい状態量をフィードバック制御手段に入力信号として与えることが可能となる。これにより、操作量のハンチングを抑制することができる。
更に、リミッタの制限範囲を目標値に基づいて設定するので、適切な制限範囲を設定することができる。つまり、制御が安定していれば、制御対象の制御量は目標値の近傍にあるとみなすことができるので、この目標値に所定の変動余裕度を考慮した制限範囲とすることで、制御対象の運動状態に応じた適切な制限範囲を設定することができる。 According to the control device of this aspect, since the observer is provided with a limiter and fluctuation of the state quantity is suppressed by the limiter, it is possible to provide a state quantity with small fluctuation as an input signal to the feedback control means. Thereby, hunting of the operation amount can be suppressed.
Furthermore, since the limit range of the limiter is set based on the target value, an appropriate limit range can be set. In other words, if the control is stable, the control amount of the control target can be considered to be in the vicinity of the target value, so by setting the target value to a limit range that takes into account a predetermined fluctuation margin, An appropriate limit range can be set according to the exercise state.

上記制御装置において、前記制限範囲設定手段は、前記オブザーバーの遅れ要素と同じ遅れ要素を備えており、前記遅れ要素を考慮して前記基準値を決定することとしてもよい。このようにすることで、リミッタの制限範囲をより適切な範囲に設定することが可能となる。   In the above control device, the limit range setting means may include a delay element that is the same as the delay element of the observer, and may determine the reference value in consideration of the delay element. In this way, the limiter limit range can be set to a more appropriate range.

本発明の第３態様は、上記いずれかの制御装置を備える水中航走体である。   A third aspect of the present invention is an underwater vehicle including any one of the control devices described above.

本発明によれば、量子化ノイズを低減することができる。これにより、操作量の無駄なハンチングを抑制でき、電力消費を抑制することができるという効果を奏する。   According to the present invention, quantization noise can be reduced. Thereby, there is an effect that wasteful hunting of the operation amount can be suppressed and power consumption can be suppressed.

本発明の第１実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。It is the figure which showed schematic structure of the control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の参照例としての制御装置の概略構成を示した図である。It is the figure which showed schematic structure of the control apparatus as a reference example of this invention. 深度センサによって量子化された信号を直接フィードバック制御部の入力信号として用いた場合の操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the simulation result of the operation amount at the time of using the signal quantized by the depth sensor as an input signal of a direct feedback control part, an actual depth, an actual speed, and an actual acceleration. 本発明の第１実施形態に係る制御装置を用いて制御した場合の操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the simulation result of the operation amount at the time of controlling using the control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention, an actual depth, an actual speed, and an actual acceleration. 図４と同一条件で第１実施形態に係る制御装置を作動させたときの推定位置、推定速度、推定加速度、深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the simulation result of the estimated position, estimated speed, estimated acceleration, and depth detection value when operating the control apparatus which concerns on 1st Embodiment on the same conditions as FIG. 本発明の第１実施形態に係る制御装置において、制御対象モデルにおけるモデルの無駄時間、アクチュエータゲイン、イナーシャに＋３０％の誤差を与えた場合における操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図である。In the control device according to the first embodiment of the present invention, simulation results of operation amount, actual depth, actual speed, and actual acceleration when an error of + 30% is given to the model dead time, actuator gain, and inertia in the control target model. It is the figure which showed an example. 図６と同一条件における推定位置、推定速度、推定加速度、深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the simulation result of the estimated position on the same conditions as FIG. 6, an estimated speed, an estimated acceleration, and a depth detection value. 本発明の第１実施形態に係る制御装置の変形例を示した図である。It is the figure which showed the modification of the control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態に係る制御装置の変形例を示した図である。It is the figure which showed the modification of the control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。It is the figure which showed schematic structure of the control apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下に、本発明に係る制御装置を水中航走体の位置制御（深度制御）に適応した場合の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る制御装置の適用先は、以下に説明する水中航走体に限定されるものではなく、制御対象の制御量を所定の目標値に一致させるような制御を必要とする装置に対して、広く適用することができる。   Below, each embodiment at the time of applying the control device concerning the present invention to position control (depth control) of an underwater vehicle is explained with reference to drawings. Note that the application destination of the control device according to the present invention is not limited to the underwater vehicle described below, and a device that requires control to make the control amount of the control target coincide with a predetermined target value. However, it can be widely applied.

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。図１に示すように、制御装置１は、制御対象である水中航走体１０の深度（制御量）を目標深度に一致させる動作を行うものである。具体的には、制御装置１は、水中航走体１０の深度を量子化する深度センサ（量子化手段）１１と、量子化ノイズ低減部１２と、フィードバック制御部１３とを主な構成として備えている。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a control device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the control apparatus 1 performs the operation | movement which makes the depth (control amount) of the underwater vehicle 10 which is a control object correspond to target depth. Specifically, the control device 1 includes a depth sensor (quantization unit) 11 that quantizes the depth of the underwater vehicle 10, a quantization noise reduction unit 12, and a feedback control unit 13 as main components. ing.

量子化ノイズ低減部１２は、水中航走体１０の数理モデルである制御対象モデル２１と、深度センサの数理モデルである量子化モデル２２と、ループゲイン２３とを主な構成として備えている。このように、量子化ノイズ低減部１２は、一般的なオブザーバーに量子化モデル２２を含めた構成とし、量子化モデル２２の出力である推定深度検出値と深度センサ１１の出力である深度検出値との偏差を低減するように作動するものである。   The quantization noise reduction unit 12 includes a control target model 21 that is a mathematical model of the underwater vehicle 10, a quantization model 22 that is a mathematical model of a depth sensor, and a loop gain 23 as main components. As described above, the quantization noise reduction unit 12 includes the quantization model 22 in a general observer, and the estimated depth detection value that is the output of the quantization model 22 and the depth detection value that is the output of the depth sensor 11. It operates so as to reduce the deviation.

フィードバック制御部１３には、量子化ノイズ低減部１２の制御対象モデル２１で演算された水中航走体１０の推定深度及び推定速度がフィードバックされる。フィードバック制御部１３は、入力された推定深度と所定の目標深度ｒとの偏差及び入力された推定速度と所定の目標速度との偏差を低減させるための操作量を演算し、水中航走体１０の深度駆動部（図示略）に与える。   The feedback controller 13 feeds back the estimated depth and the estimated speed of the underwater vehicle 10 calculated by the control target model 21 of the quantization noise reduction unit 12. The feedback control unit 13 calculates the operation amount for reducing the deviation between the input estimated depth and the predetermined target depth r and the deviation between the input estimated speed and the predetermined target speed, and the underwater vehicle 10 To a depth driving unit (not shown).

このように、本実施形態に係る制御装置１では、制御対象モデル２１により推定された推定深度を量子化モデル２２に入力し、量子化モデル２２の推定深度検出値と深度センサ１１の深度検出値との偏差を低減させるように量子化ノイズ低減部１２が機能する。一般的に、オブザーバーを用いたフィードバック制御を行う場合、図２に示すように、制御対象モデル２１の出力である推定深度と、深度センサ１１の出力である深度検出値との偏差をフィードバックするような構成が採られる。   Thus, in the control device 1 according to the present embodiment, the estimated depth estimated by the control target model 21 is input to the quantization model 22, and the estimated depth detection value of the quantization model 22 and the depth detection value of the depth sensor 11 are input. The quantization noise reduction unit 12 functions so as to reduce the deviation from the above. In general, when feedback control using an observer is performed, as shown in FIG. 2, a deviation between an estimated depth output from the control target model 21 and a depth detection value output from the depth sensor 11 is fed back. Is adopted.

この場合、制御対象モデル２１の出力である推定深度と深度検出値とを比較する段階で量子化の影響に起因する大きなノイズが発生し、このノイズが制御対象モデル２１にフィードバックされて入力されることから、オブザーバー３０における状態の推定が難しくなる。例えば、図２に示すようなオブザーバー３０を用いた一般的な制御では、実深度が目標値ｒに近づいて定常状態になると、実深度と目標値ｒとの偏差は深度センサ１１の分解能ｑの大きさで振動を繰り返すため、応答性を上げると±ｑで激しく振動する。この振動は、分解能が粗いほど顕著に表れる。   In this case, a large noise due to the influence of quantization is generated at the stage of comparing the estimated depth that is the output of the control target model 21 and the depth detection value, and this noise is fed back to the control target model 21 and input. For this reason, it is difficult to estimate the state of the observer 30. For example, in general control using the observer 30 as shown in FIG. 2, when the actual depth approaches the target value r and becomes a steady state, the deviation between the actual depth and the target value r is equal to the resolution q of the depth sensor 11. Since the vibration repeats with the magnitude, it vibrates violently with ± q when the response is increased. This vibration appears more prominently as the resolution is coarser.

これに対し、本実施形態に係る制御装置１では、図１に示すように、量子化モデル２２まで含めたオブザーバーとし、ノイズが含まれた量子化モデル２２の出力である推定深度検出値と深度センサ１１の出力である深度検出値との偏差を演算し、この偏差を制御対象モデル２１にフィードバックさせるような構成としている。
このように、制御装置１では、ノイズを含む信号同士を比較することから、制御対象モデルの応答を実応答に近づけることが可能となる。
更に、制御装置１では、制御対象モデル２１にて推定された状態量である推定位置及び推定速度、換言すると、量子化モデル２２に入力される前の状態量をフィードバック制御部１３にフィードバックするので、フィードバック制御部１３においては、量子化ノイズの影響をほとんど受けていない、本来の制御量に近い信号を用いて、操作量を演算することが可能となる。これにより、操作量のハンチングを低減することが可能となる。 On the other hand, in the control device 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, an observer including up to the quantization model 22 is used, and an estimated depth detection value and depth that are outputs of the quantization model 22 including noise are included. The deviation from the depth detection value that is the output of the sensor 11 is calculated, and this deviation is fed back to the control target model 21.
Thus, since the control apparatus 1 compares the signals including noise, the response of the control target model can be brought close to the actual response.
Further, the control device 1 feeds back the estimated position and estimated speed, which are state quantities estimated by the control target model 21, in other words, the state quantity before being input to the quantization model 22, to the feedback control unit 13. The feedback control unit 13 can calculate the manipulated variable using a signal that is hardly affected by the quantization noise and is close to the original control amount. This makes it possible to reduce hunting of the operation amount.

図３は、深度センサによって量子化された信号を直接フィードバック制御部１３の入力信号として用いた場合の（ａ）操作量、（ｂ）実深度、（ｃ）実速度、（ｄ）実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図、図４は本実施形態に係る制御装置１を用いて制御した場合の（ａ）操作量、（ｂ）実深度、（ｃ）実速度、（ｄ）実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図、図５は、図４と同一条件で制御装置１を作動させたときの（ａ）推定位置、（ｂ）推定速度、（ｃ）推定加速度、（ｄ）深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。   FIG. 3 shows (a) manipulated variable, (b) actual depth, (c) actual speed, and (d) actual acceleration when the signal quantized by the depth sensor is directly used as an input signal of the feedback control unit 13. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a simulation result, and FIG. 4 is (a) an operation amount, (b) an actual depth, (c) an actual speed, and (d) an actual acceleration when controlled using the control device 1 according to the present embodiment. FIG. 5 shows an example of the simulation results of FIG. 5, and FIG. 5 shows (a) an estimated position, (b) an estimated speed, (c) an estimated acceleration, and (d) when the control device 1 is operated under the same conditions as FIG. It is the figure which showed an example of the simulation result of the depth detection value.

図３に示した深度センサ１１の出力（深度検出値）を直接フィードバックさせる方式によれば、操作量のハンチングが発生し、実位置がふらついており、位置を微分した実速度、実加速度については、変動が顕著に表れている。これに対し、本実施形態に係る制御装置１によれば、図４及び図５に示すように、操作量のハンチングが防止され、実深度、実速度、実加速度、制御対象モデル２１における各種状態量、並びに深度センサ１１の出力である深度検出値も安定していることがわかる。   According to the method of directly feeding back the output (depth detection value) of the depth sensor 11 shown in FIG. 3, the hunting of the operation amount occurs, the actual position fluctuates, and the actual speed and the actual acceleration obtained by differentiating the position are as follows. Fluctuations are evident. On the other hand, according to the control device 1 according to the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, hunting of the operation amount is prevented, the actual depth, the actual speed, the actual acceleration, and various states in the controlled object model 21. It can be seen that the amount and the depth detection value which is the output of the depth sensor 11 are also stable.

また、図６は、本実施形態に係る制御装置１において、制御対象モデル２１におけるモデルの無駄時間、アクチュエータゲイン、イナーシャに＋３０％の誤差を与えた場合における操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図、図７は図６と同一条件における推定位置、推定速度、推定加速度、深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。図６及び図７に示すように、本実施形態に係る制御装置１によれば、制御対象モデル２１に誤差が生じていた場合でも、操作量のハンチングを防止でき、系の安定性を維持できることがわかる。   Further, FIG. 6 shows the operation amount, the actual depth, the actual speed, the actual speed when an error of + 30% is given to the model dead time, actuator gain, and inertia in the control target model 21 in the control device 1 according to the present embodiment. FIG. 7 is a diagram showing an example of the simulation result of acceleration, and FIG. 7 is a diagram showing an example of the simulation result of the estimated position, estimated speed, estimated acceleration, and depth detection value under the same conditions as FIG. As shown in FIGS. 6 and 7, according to the control device 1 according to the present embodiment, it is possible to prevent hunting of the operation amount and maintain the stability of the system even when an error occurs in the control target model 21. I understand.

また、本実施形態に係る制御装置においては、図８に示すように、量子化ノイズ低減部１２のループゲイン２３を推定速度に応じて変化させるゲインスケジューリング部１５を更に備えることとしてもよい。水中航走体１０は、速度に応じて応答特性が変化するため、この応答特性の変化に応じて、制御対象モデルの特性も変化させることが好ましい。ゲインスケジューリング部１５は、例えば、速度とゲインとが関連付けられたゲインテーブルを有しており、このゲインテーブルに基づいて、量子化ノイズ低減部１２のループゲイン２３を調整する。   Further, the control apparatus according to the present embodiment may further include a gain scheduling unit 15 that changes the loop gain 23 of the quantization noise reduction unit 12 according to the estimated speed, as shown in FIG. Since the response characteristics of the underwater vehicle 10 change according to the speed, it is preferable to change the characteristics of the controlled object model according to the change of the response characteristics. For example, the gain scheduling unit 15 has a gain table in which speed and gain are associated with each other, and adjusts the loop gain 23 of the quantization noise reduction unit 12 based on the gain table.

また、本実施形態に係る制御装置においては、図９に示すように、深度センサ１１の後段及び量子化モデル２２の後段に、それぞれローパスフィルタ１７を設け、ローパスフィルタ１７によって平滑化された値同士の偏差を算出することとしてもよい。このように、ローパスフィルタ１７を設けることにより、量子化ノイズを更に低減させることが可能となる。これにより、制御対象モデル２１において、量子化ノイズが更に抑制された状態推定を行うことが可能となる。ここで、ローパスフィルタ１７は、制御系の安定性を考慮して、遅れが大きくならず、量子化の階段状の高周波成分のみを除去する弱い効果のフィルタとするとよい。また、この構成に更に、図８に示したゲインスケジューリング部１５を付加した構成としてもよい。   Further, in the control device according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the low-pass filter 17 is provided in the subsequent stage of the depth sensor 11 and the subsequent stage of the quantization model 22, and the values smoothed by the low-pass filter 17 The deviation may be calculated. As described above, by providing the low-pass filter 17, it is possible to further reduce the quantization noise. Thereby, in the control target model 21, it is possible to perform state estimation in which the quantization noise is further suppressed. Here, in consideration of the stability of the control system, the low-pass filter 17 may be a filter having a weak effect that removes only the high-frequency components in the quantization step without increasing the delay. Further, a configuration in which the gain scheduling unit 15 shown in FIG.

〔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。なお、上述した第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。
図１０は、本実施形態に係る制御装置３の概略構成を示した図である。図１０に示すように、制御装置３は、上述した制御装置１と同様、制御対象である水中航走体１０の深度（制御量）を目標深度ｒに一致させる動作を行うものであり、深度センサ（量子化手段）１１と、リミッタを有するオブザーバー３１と、フィードバック制御部１３と、制限範囲設定部１４とを主な構成として備えている。 [Second Embodiment]
Next, a control device according to a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the structure same as 1st Embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration of the control device 3 according to the present embodiment. As shown in FIG. 10, the control apparatus 3 performs the operation | movement which makes the depth (control amount) of the underwater vehicle 10 which is a control object correspond to the target depth r similarly to the control apparatus 1 mentioned above, A sensor (quantization means) 11, an observer 31 having a limiter, a feedback control unit 13, and a limit range setting unit 14 are provided as main components.

オブザーバー３１には、リミッタとして、推定速度を所定の範囲内に制限する速度リミッタ３２と、推定加速度を所定の範囲内に制限する加速度リミッタ３３とが設けられている。加速度リミッタ３３によって所定範囲内に制限された推定加速度（修正加速度）は、積分器に入力されて推定速度が出力される。推定速度は、速度リミッタ３２により所定の範囲内に制限されて、フィードバック制御部１３にフィードバックされ、操作量の演算に用いられる。   The observer 31 is provided with a speed limiter 32 for limiting the estimated speed within a predetermined range and an acceleration limiter 33 for limiting the estimated acceleration within the predetermined range as limiters. The estimated acceleration (corrected acceleration) limited within a predetermined range by the acceleration limiter 33 is input to an integrator, and an estimated speed is output. The estimated speed is limited within a predetermined range by the speed limiter 32, is fed back to the feedback control unit 13, and is used for calculation of the operation amount.

制限範囲設定部１４は、フィードバック制御部１３に入力される所定の目標値ｒを微分して、目標値ｒから目標速度ｄｒ／ｄｔ及び目標加速度ｄ２ｒ／ｄｔ２を演算し、演算した目標速度ｄｒ／ｄｔ及び目標加速度ｄ２ｒ／ｄｔ２を基準値として、この基準値に所定の速度余裕度α１、所定の加速度余裕度α２を持たせることにより、各リミッタの制限範囲を設定する。例えば、速度リミッタ３２の設定値は（ｄｒ／ｄｔ±α１）に設定され、加速度リミッタ３３の設定値は（ｄ２ｒ／ｄｔ２±α２）に設定される。 The limit range setting unit 14 differentiates a predetermined target value r input to the feedback control unit 13 to calculate a target speed dr / dt and a target acceleration d 2 r / dt 2 from the target value r, and calculates the calculated target The speed dr / dt and the target acceleration d 2 r / dt 2 are used as reference values, and the limit range of each limiter is set by giving the reference value a predetermined speed margin α1 and a predetermined acceleration margin α2. For example, the set value of the speed limiter 32 is set to (dr / dt ± α1), and the set value of the acceleration limiter 33 is set to (d 2 r / dt 2 ± α2).

このような制御装置３によれば、深度センサ１１によって検出された深度検出値と、オブザーバー３１から出力された推定深度との偏差がオブザーバー３１に入力される。オブザーバー３１において、所定のループゲインを通過した上記偏差と操作量とに基づいて水中航走体１０の推定加速度が演算される。推定加速度は、加速度リミッタ３３によって所定の範囲内に制限され、制限後の推定加速度から推定速度が演算される。推定速度は、速度リミッタ３２によって所定の範囲内に制限され、制限後の推定速度から推定深度が演算される。推定深度及び制限後の推定速度は、フィードバック制御部１３に入力され、操作量の演算に用いられる。   According to such a control device 3, a deviation between the depth detection value detected by the depth sensor 11 and the estimated depth output from the observer 31 is input to the observer 31. In the observer 31, the estimated acceleration of the underwater vehicle 10 is calculated based on the deviation and the operation amount that have passed a predetermined loop gain. The estimated acceleration is limited within a predetermined range by the acceleration limiter 33, and the estimated speed is calculated from the estimated acceleration after the limitation. The estimated speed is limited within a predetermined range by the speed limiter 32, and the estimated depth is calculated from the estimated speed after the limitation. The estimated depth and the estimated speed after limitation are input to the feedback control unit 13 and used for calculation of the operation amount.

また、図１０に示した構成では、制限範囲設定部１４において演算された目標速度ｄｒ／ｄｔ及び目標加速度ｄ２ｒ／ｄｔ２をフィードバック制御部１３に入力信号として反映させることで、制限範囲設定部１４にフィードフォワード制御部の機能も発揮させている。 In the configuration shown in FIG. 10, the target speed dr / dt and the target acceleration d 2 r / dt 2 calculated by the limit range setting unit 14 are reflected on the feedback control unit 13 as input signals, thereby setting the limit range. The function of the feedforward control unit is also exhibited in the unit 14.

このように、本実施形態に係る制御装置３によれば、オブザーバー３１に速度リミッタ３２、加速度リミッタ３３を設け、速度リミッタ３２、加速度リミッタ３３によって推定速度、推定加速度の範囲を制限する。これにより、量子化ノイズによる推定速度、推定加速度の変動が抑制された状態量（推定深度、推定速度等）をフィードバック制御部１３に入力信号として与えることができる。この結果、操作量のハンチングを抑制することができる。   As described above, according to the control device 3 according to the present embodiment, the observer 31 is provided with the speed limiter 32 and the acceleration limiter 33, and the speed limiter 32 and the acceleration limiter 33 limit the range of the estimated speed and the estimated acceleration. Thereby, state quantities (estimated depth, estimated speed, etc.) in which fluctuations in estimated speed and estimated acceleration due to quantization noise are suppressed can be given to the feedback control unit 13 as input signals. As a result, hunting of the operation amount can be suppressed.

更に、制御装置３によれば、速度リミッタ３２の制限範囲及び加速度リミッタ３３の制限範囲を目標値ｒに基づいて設定するので、適切な制限範囲を設定することができる。つまり、制御が安定していれば、水中航走体の実深度は目標値ｒの近傍にあるとみなすことができるので、この目標値に所定の変動余裕度を考慮した制御範囲とすることで、水中航走体１０の運動状態に応じた適切な制限範囲を設定することが可能となる。   Furthermore, according to the control device 3, since the limit range of the speed limiter 32 and the limit range of the acceleration limiter 33 are set based on the target value r, an appropriate limit range can be set. In other words, if the control is stable, it can be considered that the actual depth of the underwater vehicle is in the vicinity of the target value r. Therefore, by setting a control range in consideration of a predetermined fluctuation margin for the target value. It is possible to set an appropriate limit range according to the motion state of the underwater vehicle 10.

また、本実施形態に係る制御装置３においては、制限範囲設定部１４の各微分器の後段に、オブザーバー３１の遅れ要素と同じ遅れ要素を設けることとしてもよい。これにより、遅れ要素を考慮して、速度リミッタ３２、加速度リミッタ３３の基準値を決定することが可能となる。   In the control device 3 according to the present embodiment, the same delay element as the delay element of the observer 31 may be provided after the differentiator of the limit range setting unit 14. Thereby, it becomes possible to determine the reference values of the speed limiter 32 and the acceleration limiter 33 in consideration of the delay element.

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.

１、３ 制御装置
１０ 水中航走体
１１ 深度センサ
１２ 量子化ノイズ低減部
１３ フィードバック制御部
１４ 制限範囲設定部
１５ ゲインスケジューリング部
１７ ローパスフィルタ
２１ 制御対象モデル
２２ 量子化モデル
２３ ループゲイン
３１ オブザーバー
３２ 速度リミッタ
３３ 加速度リミッタ
1, 3 Control device 10 Underwater vehicle 11 Depth sensor 12 Quantization noise reduction unit 13 Feedback control unit 14 Limit range setting unit 15 Gain scheduling unit 17 Low-pass filter 21 Control target model 22 Quantization model 23 Loop gain 31 Observer 32 Speed Limiter 33 Acceleration limiter

Claims (5)

制御対象の制御量を量子化する量子化手段と、
制御対象モデルと、前記制御対象モデルの推定制御量を量子化する量子化モデルとを有し、前記量子化手段の出力と前記量子化モデルの出力との偏差をフィードバックして、該偏差を低下させる量子化ノイズ低減手段と、
前記量子化ノイズ低減手段における前記制御対象モデルの推定制御量をフィードバックし、該推定制御量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段と
を具備する制御装置。 A quantization means for quantizing the control amount of the control target;
A control target model and a quantization model for quantizing an estimated control amount of the control target model, and feeding back a deviation between the output of the quantization means and the output of the quantization model to reduce the deviation Quantization noise reduction means
A control apparatus comprising feedback control means for feeding back an estimated control amount of the controlled object model in the quantization noise reducing means and calculating an operation amount for reducing a deviation between the estimated control amount and a predetermined target value . 前記量子化ノイズ低減手段は、
フィードバックゲインと、
前記フィードバックゲインを前記制御対象の運動状態に応じて調整するゲイン調整手段と
を具備する請求項１に記載の制御装置。 The quantization noise reduction means includes
Feedback gain,
The control device according to claim 1, further comprising: a gain adjusting unit that adjusts the feedback gain according to a motion state of the control target. 制御対象の制御量を量子化する量子化手段と、
リミッタを含むオブザーバーと、
オブザーバーによって推定された状態量をフィードバックして、該状態量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段と、
前記目標値又は該目標値を微分した値を基準値とし、該基準値に所定の変動余裕度を持たせることにより、前記リミッタによる制限範囲を設定する制限範囲設定手段と
を具備する制御装置。 A quantization means for quantizing the control amount of the control target;
An observer including a limiter;
Feedback control means for feeding back the state quantity estimated by the observer and calculating an operation amount for reducing a deviation between the state quantity and a predetermined target value;
A control apparatus comprising: a limit range setting unit configured to set a limit range by the limiter by setting the target value or a value obtained by differentiating the target value as a reference value and giving the reference value a predetermined fluctuation margin. 前記制限範囲設定手段は、前記オブザーバーの遅れ要素と同じ遅れ要素を備えており、前記遅れ要素を考慮して前記基準値を決定する請求項３に記載の制御装置。   The control device according to claim 3, wherein the limit range setting unit includes a delay element that is the same as a delay element of the observer, and determines the reference value in consideration of the delay element. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置を備える水中航走体。   An underwater vehicle including the control device according to any one of claims 1 to 4.
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