JP2016008038A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】船体の参照方位及び参照位置を出力する軌道計画部と、センサで検出された船体の方位および位置から船体の方位と位置とを参照方位及び参照位置に追従させるべく命令舵角を出力するフィードバック制御部と、を備えた船舶用自動操舵装置において、フィードバック制御部は、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを備え、航路制御系フィードバックゲイン器は、sをラプラス演算子、Ktを航路ゲイン、Kiを積分ゲインとして、
で表され、航路ゲイン及び積分ゲインは、互いに異なる減衰係数に基づくことを特徴とする。
【選択図】図5
Description
まず、本発明の船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図1は、船舶用自動操舵装置と制御対象の全体のブロック図である。図2は、フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。図3は、フィードバック制御部の詳細構成を示すブロック図である。
2.1 座標系
ここで、航路座標系について説明する。図4は、航路制御システムで用いる座標系を示す図である。
次に、船体モデルと制御システムについて説明する。図5は、方位制御ループ及び航路制御ループを示すブロック図である。
次に、定常誤差を求める。なお、閉ループ系は安定とし、参照方位ψR=0,設定航路yr=0とし、航路フィードバックに積分制御がない場合、Ft(s)=Ktとする。
3.1 航路ゲインの計算方法
航路ゲインKtの計算方法について説明する。航路制御、方位制御のそれぞれについて、閉ループの特性多項式Dt(s)、Dh(s)は、(13)、(14)及び(18)式より、
設計パラメータのζt設定方法について説明する。図6は、航路ゲインKtに関する3次式の根軌跡を示すグラフである。図7は、減衰係数ζtの特性根を示すグラフである。なお、図6(a)は根軌跡を広範囲に示し、図6(b)、図7(a)及び図7(b)は根軌跡における原点付近を拡大して示す。また、図6及び図7において、ゼロ点がある場合の根軌跡は実線により示され、ゼロ点がない場合の根軌跡は破線により示される。
4.1 積分ゲインの計算方法
積分ゲインの計算方法を説明する。閉ループの特性多項式Dt(s)、Dh(s)は、(13)、(14)及び(18)式より
積分ゲインの安定範囲について説明する。本実施の形態において、積分ゲインはフルビッツの安定判別法に基づいて求める。したがって、以下に詳述するステップ1からステップ3までの条件を満足する積分ゲインの範囲を求める。なお、この安定判別法において、3次方程式の場合
積分ゲインの設定方法について説明する。積分ゲインは閉ループ安定性を主に、外乱除去性を従に考慮し、航路ゲインと同様に船体および制御の各パラメータから求める。ここで外乱除去性は外乱を抑制するまでの応答時間を意味する。また、積分ゲインに比例して閉ループ安定性が低下することに起因して、応答時間を早めるにしたがって過渡現象が大きくなる傾向がある。積分要素の導入によって3次式から4次式になり、新たに派生した原点付近の共役根の減衰係数に着目し、減衰係数に設計パラメータを一致させる積分ゲインを以下のように計算する。図8に積分特性の根軌跡を示す。
と定める。上式が1に近いほど閉ループ安定性が高く、且つ外乱除去性は弱くなり、0に近いほど逆の特性となる。なお、上式については、後述する有効性の確認において検証する。また、仕様を満足する積分ゲインは、以下に説明する2つのステップから求められる。
本実施の形態に係る船舶用自動操舵装置の航路制御により、航路誤差をゼロに収束させることを、潮流修正の有無、航路制御ゲインにおける積分動作の有無の比較に基づいて、シミュレーションによって確認する。図9は、潮流修正なし、且つ積分動作なしとした場合のシミュレーション結果を示す図である。図10は、潮流修正なし、且つ積分動作ありとした場合のシミュレーション結果を示す図である。図11は、潮流修正あり、且つ積分動作なしとした場合のシミュレーション結果を示す図である。図12は、潮流修正あり、且つ積分動作ありとした場合のシミュレーション結果を示す図である。
11 軌道計画部
13 フィードバック制御部
131 推定器
132 制御系フィードバックゲイン器
132A 方位制御系フィードバックゲイン器
132B 航路制御系フィードバックゲイン器
Claims (4)
- 船体の参照方位及び参照位置を出力する軌道計画部と、センサで検出された船体の方位および位置から船体の方位と位置とを前記参照方位及び前記参照位置に追従させるべく命令舵角を出力するフィードバック制御部と、を備えた船舶用自動操舵装置において、
前記フィードバック制御部は、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、前記方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを備え、
前記航路制御系フィードバックゲイン器は、sをラプラス演算子、Ktを航路ゲイン、Kiを積分ゲインとして、
前記航路ゲイン及び前記積分ゲインは、互いに異なる減衰係数に基づくことを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 前記積分ゲインを除く前記航路制御ループは3次式であり、前記方位制御ループは2次式であり、前記航路ゲインは、前記航路ゲインの減衰係数をζt、前記方位制御ループの2次系の減衰係数をζhとして、ζt=ζhを用いて算出されることを特徴とする請求項1に記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記積分ゲインは、仕様として予め設定した前記積分ゲインの仕様減衰係数に基づいて算出されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の船舶用自動操舵装置。
- 前記積分ゲインは、該積分ゲインの安定範囲内において、該積分ゲインの減衰係数を前記仕様減衰係数に一致させて算出することを特徴とする請求項3に記載の船舶用自動操舵装置。
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