JP2749833B2 - 制御推力配分装置 - Google Patents
制御推力配分装置Info
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- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 10
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- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は航走体（飛行体、水中航走体、船舶等）の制
御推力配分装置に関する。
御推力配分装置に関する。
航走体には、運動制御用の推力発生器（スラスタ、
舵、プロペラ等）が設けられ、推力発生器駆動手段によ
り推力発生器を駆動してその推力により航走体の運動を
コントロールしている。
舵、プロペラ等）が設けられ、推力発生器駆動手段によ
り推力発生器を駆動してその推力により航走体の運動を
コントロールしている。
しかしながら、このような従来の航走体の運動コント
ロール装置においては、航走体を設定位置に定点保持あ
るいは設定航路に航路保持するために必要なトータル推
力（Fcrceコマンド）とトータルモーメント（Momentコ
マンド）のコマンド信号を受けて、推力発生器の駆動手
段に対して、燃料消費が最小となるように最適な推力配
分を行うための制御推力配分装置は未だ存在せず、その
実現が長い間待ち望まれていた。
ロール装置においては、航走体を設定位置に定点保持あ
るいは設定航路に航路保持するために必要なトータル推
力（Fcrceコマンド）とトータルモーメント（Momentコ
マンド）のコマンド信号を受けて、推力発生器の駆動手
段に対して、燃料消費が最小となるように最適な推力配
分を行うための制御推力配分装置は未だ存在せず、その
実現が長い間待ち望まれていた。
本発明は、上記問題を解決し優れた定点保持制御、航
路保持制御を可能にした航走体の制御推力配分装置を提
供することを目的とする。
路保持制御を可能にした航走体の制御推力配分装置を提
供することを目的とする。
本発明にかかる制御推力配分装置は、複数の運動制御
用推力発生器を有する航走体において、 （Ａ）航走体の位置、角度、速度情報を検出する検出器
１と， （Ｂ）航走体の設定位置、設定角度、設定速度情報を出
力する設定器２と、 （Ｃ）前記検出器１と設定器２の情報を比較し，航走体
を設定位置あるいは設定航路に保持するために必要なト
ータル推力とトータルモーメントのコマンド信号を出力
する制御コマンド演算器３と、 （Ｄ）前記制御コマンド演算器（３）からのコマンド信
号を入力し最小燃料消費で前記トータル推力とトータル
モーメントを確保するように複数個の推力発生器のそれ
ぞれの駆動手段に推力配分信号を出力する制御推力最適
配分器４と、 （Ｅ）前記制御推力最適配分器４からの出力信号を入力
し推力発生器を駆動する駆動手段５と、 （Ｆ）推力発生器６を具備し、 （Ｇ）前記制御コマンド演算器３は、航走体を設定位置
あるいは設定航路に保持するために必要なトータル推力
とトータルモーメントのコマンドを、検出器１による検
出値と設定値との偏差と、その偏差の積分、微分信号に
対し、各々比例、積分ゲインを乗算し、それらを加算す
ることにより演算し、 （Ｈ）前記制御推力最適配分器４は、トータル推力とト
ータルモーメントの入力信号から評価関数Ｊを ただし Fi は推力発生器ｉの推力 （ｉ＝１〜ｎ） Fmiは推力発生器ｉの最大容量 （ｉ＝１〜ｎ） （Fi）２＝（Fxi）２＋（Fyi）２＋（Fzi）２ 式（Ｂ） と設定し、 上記評価関数Ｊを最小化する問題を解くことにより、
燃料消費を最小とする推力成分（Fxi,Fyi,Fzi）の決定
を行ない、複数個の推力発生器のそれぞれの駆動手段に
推力指令信号を配分することを特徴とする。
用推力発生器を有する航走体において、 （Ａ）航走体の位置、角度、速度情報を検出する検出器
１と， （Ｂ）航走体の設定位置、設定角度、設定速度情報を出
力する設定器２と、 （Ｃ）前記検出器１と設定器２の情報を比較し，航走体
を設定位置あるいは設定航路に保持するために必要なト
ータル推力とトータルモーメントのコマンド信号を出力
する制御コマンド演算器３と、 （Ｄ）前記制御コマンド演算器（３）からのコマンド信
号を入力し最小燃料消費で前記トータル推力とトータル
モーメントを確保するように複数個の推力発生器のそれ
ぞれの駆動手段に推力配分信号を出力する制御推力最適
配分器４と、 （Ｅ）前記制御推力最適配分器４からの出力信号を入力
し推力発生器を駆動する駆動手段５と、 （Ｆ）推力発生器６を具備し、 （Ｇ）前記制御コマンド演算器３は、航走体を設定位置
あるいは設定航路に保持するために必要なトータル推力
とトータルモーメントのコマンドを、検出器１による検
出値と設定値との偏差と、その偏差の積分、微分信号に
対し、各々比例、積分ゲインを乗算し、それらを加算す
ることにより演算し、 （Ｈ）前記制御推力最適配分器４は、トータル推力とト
ータルモーメントの入力信号から評価関数Ｊを ただし Fi は推力発生器ｉの推力 （ｉ＝１〜ｎ） Fmiは推力発生器ｉの最大容量 （ｉ＝１〜ｎ） （Fi）２＝（Fxi）２＋（Fyi）２＋（Fzi）２ 式（Ｂ） と設定し、 上記評価関数Ｊを最小化する問題を解くことにより、
燃料消費を最小とする推力成分（Fxi,Fyi,Fzi）の決定
を行ない、複数個の推力発生器のそれぞれの駆動手段に
推力指令信号を配分することを特徴とする。
本発明の航走体の制御推力配分装置によれば、制御コ
マンド演算器３により航走体を設置位置に定点保持ある
いは設定航路に航路保持するために必要なトータル推力
（Forceコマンド）とトータルモーメント（Momentコマ
ンド）のコマンド信号を発生させ、制御推力最適配分器
４により、最小燃料消費で前記トータル推力とトータル
モーメントを確保するように複数の推力発生器のそれぞ
れの駆動手段に推力配分信号を出力するため、航走体の
定点保持制御あるいは航路保持制御が可能になる。
マンド演算器３により航走体を設置位置に定点保持ある
いは設定航路に航路保持するために必要なトータル推力
（Forceコマンド）とトータルモーメント（Momentコマ
ンド）のコマンド信号を発生させ、制御推力最適配分器
４により、最小燃料消費で前記トータル推力とトータル
モーメントを確保するように複数の推力発生器のそれぞ
れの駆動手段に推力配分信号を出力するため、航走体の
定点保持制御あるいは航路保持制御が可能になる。
本発明の実施例を第１図〜第４図に示す。
第１図は本発明に係る航走体の制御推力配分装置のシ
ステム図を示す。第１図において検出器１により航走体
の位置、角度、速度情報を検出し、設定器２により設定
位置、設定角度、設定速度情報を出力する。検出器１、
検出器２からの信号は制御コマンド演算器３に送られ
る。制御コマンド演算器３は航走体７を設定位置に定点
保持あるいは設定航路に航路保持するために必要なトー
タル推力（Forceコマンド）とトータルモーメント（Mom
entコマンド）のコマンド信号を出力する。上記制御コ
マンド演算器３からのコマンド信号を受けて制御推力最
適配分器４は最小燃料消費で前記トータル推力及びトー
タルモーメントを確保するように複数個の推力発生器の
それぞれの駆動手段に推力配分信号を出力する。そして
推力発生器駆動手段５により推力発生器６を駆動し航走
体７の運動制御を行なう。
ステム図を示す。第１図において検出器１により航走体
の位置、角度、速度情報を検出し、設定器２により設定
位置、設定角度、設定速度情報を出力する。検出器１、
検出器２からの信号は制御コマンド演算器３に送られ
る。制御コマンド演算器３は航走体７を設定位置に定点
保持あるいは設定航路に航路保持するために必要なトー
タル推力（Forceコマンド）とトータルモーメント（Mom
entコマンド）のコマンド信号を出力する。上記制御コ
マンド演算器３からのコマンド信号を受けて制御推力最
適配分器４は最小燃料消費で前記トータル推力及びトー
タルモーメントを確保するように複数個の推力発生器の
それぞれの駆動手段に推力配分信号を出力する。そして
推力発生器駆動手段５により推力発生器６を駆動し航走
体７の運動制御を行なう。
その制御推力最適配分器４の配分アルゴリズムは次の
通りである。
通りである。
航走体７の運動は３次元空間運動となり、ｘ軸,y軸,z
軸まわりの６つの自由度をもつ。よって推力発生器６の
推力は次の６つの等式条件を満たさなければならない。
軸まわりの６つの自由度をもつ。よって推力発生器６の
推力は次の６つの等式条件を満たさなければならない。
力の等式条件： モーメントの等式条件： （モーメントは右ねじ方向を正とする） ここで n:推力発生器の個数 i:i番目の推力発生器 FXc,FYc,FZc:推力発生器に要求されるとx,y,z軸方向の
トータル推力。
トータル推力。
Mc,Nc,Rc:推力発生器に要求されるヨーイング（ｚ軸ま
わり）、ピッチング（ｙ軸まわり）、ローリング（ｘ軸
まわり）のトータルモーメント。
わり）、ピッチング（ｙ軸まわり）、ローリング（ｘ軸
まわり）のトータルモーメント。
（lXi,lYi,lZi）：航走体重心Ｇから推力発生器ｉまで
の距離。
の距離。
（FXi,FYi,FZi）：推力発生器ｉのx,y,z軸方向の推力成
分。
分。
但し、FXi,FYi,FZiにはそれぞれ次の許容範囲が指定
される。
される。
０≦|FXi|≦Fmi …（2.7） ０≦|FYi|≦Fmi …（2.8） ０≦|FZi|≦Fmi …（2.9） また、 Fmi:推力発生ｉの最大容量 上記許容範囲内で６つの等式条件を満足する推力成分
（FXi,FYi,FZi）（ｉ＝１〜ｎ）は多数存在する。した
がってひとつの評価基準を設けて、その基準に従って各
推力発生器の推力成分を決定する必要がある。
（FXi,FYi,FZi）（ｉ＝１〜ｎ）は多数存在する。した
がってひとつの評価基準を設けて、その基準に従って各
推力発生器の推力成分を決定する必要がある。
本アルゴリズムでは、その評価基準として、「推力発
生器の燃料消費を最小とする」ように各推力発生器の推
力成分の決定を行う。そして評価関数としては次の（2.
11）式を用いる。
生器の燃料消費を最小とする」ように各推力発生器の推
力成分の決定を行う。そして評価関数としては次の（2.
11）式を用いる。
Fi :推力発生器ｉの推力 Fmi:推力発生器ｉの最大容量ここで 上記Ｊを最小化する問題を解くことにより、燃料消費
を最小とする推力成分（FXi,FYi,FZi）（ｉ＝１〜ｎ）
の決定が行われる。方法はラグランジェ未定乗数法に拠
る。
を最小とする推力成分（FXi,FYi,FZi）（ｉ＝１〜ｎ）
の決定が行われる。方法はラグランジェ未定乗数法に拠
る。
上記の最適化問題を解くために（2.7）〜（2.9）式の
不等式条件を次の等式条件に置き換える。
不等式条件を次の等式条件に置き換える。
FXi＋xXi＝Fmi …（2.13） FYi＋xYi＝Fmi …（2.14） FZi＋xZi＝Fmi …（2.15） （2.13）〜（2.15）式により FXi＝Fmi−xXi …（2.16） FYi＝Fmi−xYi …（2.17） FZi＝Fmi−xZi …（2.18） （2.16）〜（2.18）式を評価関数（2.11）式に代入す
ると、Ｊは次のようになる。
ると、Ｊは次のようになる。
また、hi（ｉ＝１〜６）を次のように定義する。
次に、新たにラグランジェ乗数λｉ（ｉ＝１〜６）を
導入し、評価関数Ｊを次のように設定して、新たな評価
関数Ｊ′をxXi（ｉ＝1,2,…ｎ）,xYi（ｉ＝1,2,…ｎ）,
xZi（ｉ＝1,2,…ｎ）について最適化する。
導入し、評価関数Ｊを次のように設定して、新たな評価
関数Ｊ′をxXi（ｉ＝1,2,…ｎ）,xYi（ｉ＝1,2,…ｎ）,
xZi（ｉ＝1,2,…ｎ）について最適化する。
Ｊ′を最小とするための必要条件は （2.26）式より、 （2.13）〜（2.15）式と（2.30）〜（2.32）式より、
スラスタｉのx,y,z軸方向推力成分FXi,FYi,FZiが得られ
る。
スラスタｉのx,y,z軸方向推力成分FXi,FYi,FZiが得られ
る。
FXi＝（−λ１＋λ4lYi−λ5lZi）Fmi …（2.33） FYi＝（−λ２−λ4lXi＋λ6lZi）Fmi …（2.34） FZi＝（−λ３＋λ5lXi−λ6lYi）Fmi …（2.35） ラグランジェ乗数λｉ（ｉ＝１〜６）は（2.33）〜
（2.35）式、（2.3）〜（2.8）式より得られる次の連立
方程式を解いて求められる。
（2.35）式、（2.3）〜（2.8）式より得られる次の連立
方程式を解いて求められる。
（2.36）〜（2.41）式をマトリックス形で表すと次の
ようになる。
ようになる。
Ａλ＝ｂ …（2.42） 評価関数を最小とする推力発生器ｉのx,y,z軸方向推
力成分FXi,FYi,FZiは（2.42）〜（2.45）式、（2.33）
〜（2.35）式により得られる。すなわち、要求されるx,
y,z軸方向のトータル推力（Forceコマンド）と要求され
るヨーイング、ピッチング、ローリングのトータルモー
メントMc,Nc,Rc（Momentコマンド）より（2.42）〜（2.
45）式のマトリックスを解いてラグランジェ乗数λ
ｉ（ｉ＝１〜６）を決定し、（2.33）〜（2.35）式より
推力発生器ｉの推力成分を求める。
力成分FXi,FYi,FZiは（2.42）〜（2.45）式、（2.33）
〜（2.35）式により得られる。すなわち、要求されるx,
y,z軸方向のトータル推力（Forceコマンド）と要求され
るヨーイング、ピッチング、ローリングのトータルモー
メントMc,Nc,Rc（Momentコマンド）より（2.42）〜（2.
45）式のマトリックスを解いてラグランジェ乗数λ
ｉ（ｉ＝１〜６）を決定し、（2.33）〜（2.35）式より
推力発生器ｉの推力成分を求める。
第２図は以上の推力配分決定法をまとめたものであ
る。上記制御推力配分装置４から出力された信号は推力
発生器駆動手段５に送られ、推力発生器６を駆動させ
て、最小燃料で定点保持、定航路保持を行う。
る。上記制御推力配分装置４から出力された信号は推力
発生器駆動手段５に送られ、推力発生器６を駆動させ
て、最小燃料で定点保持、定航路保持を行う。
第３図は本発明の制御推力配分器を適用して航走体７
の定点保持を行った一実施例である。航走体７の絶対位
置座標（X,Y,Z）および角度（ヨー角，ピッチ角θ，
ロール角φ）を検出器１により検出し、また設定器２に
より航走体７の位置、角度設定（Xp,Yp,Zp,p,θp,φ
ｐ）を行う。検出器１、設定器２からの信号は制御コマ
ンド演算器３に送られる。次に制御コマンド演算器３で
の制御コマンド（FXc,FYc,FZc,Mc,Nc,Rc）の生成法の一
実施例を説明する。制御コマンド演算器３内の加減算器
3aにより設定値と検出値との偏差信号を演算する。
の定点保持を行った一実施例である。航走体７の絶対位
置座標（X,Y,Z）および角度（ヨー角，ピッチ角θ，
ロール角φ）を検出器１により検出し、また設定器２に
より航走体７の位置、角度設定（Xp,Yp,Zp,p,θp,φ
ｐ）を行う。検出器１、設定器２からの信号は制御コマ
ンド演算器３に送られる。次に制御コマンド演算器３で
の制御コマンド（FXc,FYc,FZc,Mc,Nc,Rc）の生成法の一
実施例を説明する。制御コマンド演算器３内の加減算器
3aにより設定値と検出値との偏差信号を演算する。
ｅ＝ｒ−ｘ …（１） ここで 偏差信号ｅに対する一実施例として次式により制御コマ
ンドｕをつくる。
ンドｕをつくる。
ｕ＝LPe＋LI∫edt …（２） 但し ｅ＝（６×１）ベクトル この制御コマンドｕに対し前記のアルゴリズムを適用し
て制御推力の最適配分を行う。制御推力最適配分器４に
より得られた各推力発生器についての推力配分信号は、
それぞれ各推力発生器６の駆動手段へ送られ、推力発生
器６を駆動させて制御を行う。
て制御推力の最適配分を行う。制御推力最適配分器４に
より得られた各推力発生器についての推力配分信号は、
それぞれ各推力発生器６の駆動手段へ送られ、推力発生
器６を駆動させて制御を行う。
第４図は初期に（X,Y,Z）＝（0,0,0）の位置に静止し
た航走体７が定常外乱を受けた場合に本発明の制御推力
配分器４を使用して定点保持を行った結果である。この
場合は設定はXp＝0,Yp＝0,Zp＝0,ｐ＝−15゜，θ＝−
15゜，φ＝０゜とした。
た航走体７が定常外乱を受けた場合に本発明の制御推力
配分器４を使用して定点保持を行った結果である。この
場合は設定はXp＝0,Yp＝0,Zp＝0,ｐ＝−15゜，θ＝−
15゜，φ＝０゜とした。
本発明は前記のように構成されているので、本発明装
置により航走体の定点保持、航路保持を行う場合に、燃
料消費が最小になるという条件下で複数の推力発生器の
推力配分を行うことができるので、優れた定点保持、航
路保持機能を有することができる。
置により航走体の定点保持、航路保持を行う場合に、燃
料消費が最小になるという条件下で複数の推力発生器の
推力配分を行うことができるので、優れた定点保持、航
路保持機能を有することができる。
第１図は本発明に係る制御推力配分装置のシステム図、
第２図は本発明装置の推力配分決定法をまとめた図、第
３図は本発明装置を適用した１実施例を示す図、第４図
は静止した航走体が、定常外乱をうけた場合に本発明装
置を適用した結果を示す図である。 １……検出器、２……設定器、３……制御コマンド演算
器、４……制御推力最適配分器、５……推力発生器駆動
手段、６……推力発生器、７……航走体。
第２図は本発明装置の推力配分決定法をまとめた図、第
３図は本発明装置を適用した１実施例を示す図、第４図
は静止した航走体が、定常外乱をうけた場合に本発明装
置を適用した結果を示す図である。 １……検出器、２……設定器、３……制御コマンド演算
器、４……制御推力最適配分器、５……推力発生器駆動
手段、６……推力発生器、７……航走体。
Claims (1)
- 【請求項１】複数の運動制御用推力発生器を有する航走
体において、 （Ａ）航走体の位置、角度，速度情報を検出する検出器
（１）と， （Ｂ）航走体の設定位置、設定角度、設定速度情報を出
力する設定器（２）と、 （Ｃ）前記検出器（１）と設定器（２）の情報を比較し
航走体を設定位置あるいは設定航路に保持するために必
要なトータル推力とトータルモーメントのコマンド信号
を出力する制御コマンド演算器（３）と、 （Ｄ）前記制御コマンド演算器（３）からのコマンド信
号を入力し最小燃料消費で前記トータル推力とトータル
モーメントを確保するように複数個の推力発生器のそれ
ぞれの駆動手段に推力配分信号を出力する制御推力最適
配分器（４）と、 （Ｅ）前記制御推力最適配分器（４）からの出力信号を
入力し推力発生器を駆動する駆動手段（５）と、 （Ｆ）推力発生器（６）を具備し、 （Ｇ）前記制御コマンド演算器（３）は、航走体を設定
位置あるいは設定航路に保持するために必要なトータル
推力とトータルモーメントのコマンドを、検出器（１）
による検出値と設定値との偏差と、その偏差の積分、微
分信号に対し、各々比例、積分ゲインを乗算し、それら
を加算することにより演算し、 （Ｈ）前記制御推力最適配分器（４）は、トータル推力
とトータルモーメントの入力信号から評価関数Ｊを ただし Fi は推力発生器ｉの推力 （ｉ＝１〜ｎ） Fmiは推力発生器ｉの最大容量 （ｉ＝１〜ｎ） （Fi）２＝（Fxi）２＋（Fyi）２＋（Fzi）２ 式（Ｂ） と設定し、 上記評価関数Ｊを最小化する問題を解くことにより、燃
料消費を最小とする推力成分（Fxi,Fyi,Fzi）の決定を
行ない、複数個の推力発生器のそれぞれの駆動手段に推
力指令信号を配分することを特徴とする制御推力配分装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63258785A JP2749833B2 (ja) | 1988-10-14 | 1988-10-14 | 制御推力配分装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63258785A JP2749833B2 (ja) | 1988-10-14 | 1988-10-14 | 制御推力配分装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02106492A JPH02106492A (ja) | 1990-04-18 |
| JP2749833B2 true JP2749833B2 (ja) | 1998-05-13 |
Family
ID=17325041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63258785A Expired - Fee Related JP2749833B2 (ja) | 1988-10-14 | 1988-10-14 | 制御推力配分装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2749833B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001219899A (ja) * | 2000-02-08 | 2001-08-14 | Hitachi Zosen Corp | 推力発生器の制御方法および制御装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09267798A (ja) * | 1996-03-22 | 1997-10-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 船舶用自動定点保持システム |
| US6450112B1 (en) * | 1999-04-02 | 2002-09-17 | Nautronix, Inc. | Vessel control force allocation optimization |
| JP4968641B2 (ja) * | 2006-07-18 | 2012-07-04 | 三井造船株式会社 | 構造体の位置・方位制御方法、構造体の位置・方位制御システム及びプログラム |
| JP6566236B2 (ja) * | 2015-03-26 | 2019-08-28 | 三菱重工業株式会社 | 演算装置、移動体システム、演算方法およびプログラム |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2559107B2 (ja) * | 1986-09-11 | 1996-12-04 | 東芝機械株式会社 | 位置制御方法 |
| JPS6387398A (ja) * | 1986-09-29 | 1988-04-18 | 株式会社東芝 | 衛星におけるホイ−ル駆動方式 |
| JPS6388603A (ja) * | 1986-10-02 | 1988-04-19 | Agency Of Ind Science & Technol | 海中ロボツトの走行制御方法 |
-
1988
- 1988-10-14 JP JP63258785A patent/JP2749833B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001219899A (ja) * | 2000-02-08 | 2001-08-14 | Hitachi Zosen Corp | 推力発生器の制御方法および制御装置 |
| JP4570192B2 (ja) * | 2000-02-08 | 2010-10-27 | ユニバーサル造船株式会社 | 推力発生器の制御方法および制御装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02106492A (ja) | 1990-04-18 |
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