JP5173745B2 - 定点保持制御装置およびその方法並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ケーブル布設船や海洋観測船等のように、定点保持が必要な船舶に備えられる定点保持制御装置およびその方法並びにプログラムに関するものである。

従来、海洋観測船等にあっては、定点保持制御装置（ＤＰＳ：Dynamic Positioning System）が設けられ、この装置により船体を一定のポイントに保持することが行われている。この定点保持制御装置は、船舶を錨で一定の位置に留める代わりに、推進用プロペラやスラスタをコンピュータで制御することにより、洋上の定点に船体位置を自動保持する。
通常、定点保持の制御は、目標位置・方位と現在位置・方位との偏差をゼロにするように、スラスタ等のアクチュエータをフィードバック制御することにより行われる。より具体的には、船体の位置偏差及び方位偏差に対して、ＰＩ制御等を行うことで、スラスタ等のアクチュエータの制御量が算出され、この制御量に基づいてスラスタ等のアクチュエータがフィードバック制御されることにより、船体が定点に保たれる。
特開昭５９−２２０４９６号公報

しかしながら、上記ＰＩ制御のゲイン調整は比較的穏やかな環境、例えば、凪状態における事前検討に基づいて決定されているため、荒天時は風や潮流などの外乱の影響が大きく、定点保持の精度が低下するという問題があった。
また、例えば、特許文献１には、燃料消費を最小とすることを目的として、船体の舵角、方位角、方位角速度、斜航角の関数として示される推進エネルギ増加率を表わす評価関数値を計算し、この評価関数値を最小とするゲインを探索し、このゲインを用いてスラスタ等を制御することが開示されている。この技術では、燃料消費を最小とする制御を望むことができるが、依然として、荒天時における定点保持精度を向上させるという課題は残されている。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、荒天時における定点保持精度を向上させることのできる定点保持制御装置およびその方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、船体の目標方位と実方位との偏差に基づいて推進装置の制御指令値を算出する第１演算手段と、前記船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定手段と、前記外乱推定手段によって算出された外乱を相殺する前記推進装置の制御指令値を生成し、これを補正指令値として出力する第２演算手段と、前記第１演算手段によって算出された制御指令値を前記第２演算手段によって算出された補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する第３演算手段とを具備し、前記外乱推定手段は、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動方程式に与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱を推定し、前記第２演算手段は、前記外乱推定手段によって算出された外乱が、経験上決定された異常推定閾値を超えた場合に、前記補正指令値をゼロに設定する定点保持制御装置を提供する。

このような構成によれば、船体の回転方向に作用する外乱を推定し、この外乱を相殺するような推進装置の制御指令値を補正指令値として算出する。そして、この補正指令値によって第１演算手段によって算出された制御指令値を補正し、補正後の制御指令値によって推進装置を制御する。これにより、船体の回転方向に作用する外乱を打ち消すことが可能となる。この結果、外乱に起因する定点制御の精度低下を回避することができ、荒天時においても凪状態における場合と略同様の精度を確保することが可能となる。
更に、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動式に対して、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱を容易に推定することが可能となる。
また、上記構成によれば、外乱が通常では考えられない異常な値を示していた場合には、第２演算手段による補正指令値がゼロに設定される。これにより、何らかの要因により外乱推定手段が故障し、異常な値が出力された場合には、このような異常な値に基づく制御指令値の補正を回避することで、一定の定点制御の精度を保つことができる。

上記定点保持制御装置において、前記外乱推定手段は、予め設定されている帯域の範囲で、外乱を推定することとしてもよい。

このように、帯域を制限することで、ノイズを抑制することができ、外乱推定の精度を高めることが可能となる。

本発明は、船体の目標方位と実方位との偏差に基づいて推進装置の制御指令値を算出する第１演算過程と、前記船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定過程と、推定された外乱を相殺する前記推進装置の制御指令値を生成し、これを補正指令値として出力する第２演算過程と、前記制御指令値を前記補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する第３演算過程とを含み、前記外乱推定過程では、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動方程式に与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱が推定され、前記第２演算過程では、前記外乱推定過程において算出された外乱が、経験上決定された異常推定閾値を超えた場合に、前記補正指令値がゼロに設定される定点保持制御方法を提供する。

本発明は、船体の目標方位と実方位との偏差に基づいて推進装置の制御指令値を算出する第１演算処理と、前記船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定処理と、推定された外乱を相殺する前記推進装置の制御指令値を生成し、これを補正指令値として出力する第２演算処理と、前記制御指令値を前記補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する第３演算処理とをコンピュータに実行させる定点保持制御プログラムであって、前記外乱推定処理では、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動方程式に与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱が推定され、前記第２演算処理では、前記外乱推定処理において算出された外乱が、経験上決定された異常推定閾値を超えた場合に、前記補正指令値がゼロに設定される定点保持制御プログラムを提供する。

本発明によれば、荒天時における定点保持精度を向上させることができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る定点保持制御装置およびその方法並びにプログラムの各実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る定点保持制御装置１０の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る定点保持制御装置１０は、コンピュータシステム（計算機システム）であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置１２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の補助記憶装置１３、キーボードやマウスなどの入力装置１４、及びモニタやプリンタなどの出力装置１５、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置１６などで構成されている。
補助記憶装置１３には、各種プログラム（例えば、定点保持制御プログラム）が格納されており、ＣＰＵ１１が補助記憶装置１３から主記憶装置１２にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

図２は、定点保持制御装置１０が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図２に示されるように、定点保持制御装置１０は、船体の目標方位と実方位との偏差を算出する減算器２０と、減算器２０によって算出された偏差に基づいて該偏差をゼロとするための推進装置の制御指令値を算出するＰＩ制御部（第１演算手段）２１と、外乱による影響を相殺するための外乱補償部２２と、ＰＩ制御部２１によって算出された制御指令値を外乱補償部２２によって算出された補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する補正部（第３演算手段）２３とを備えている。補正部２３は、例えば、制御指令値と補正指令値とを加算する加算器で構成されている。

外乱補償部２２は、船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定部（外乱推定手段）３１と、外乱推定部３１によって算出された外乱を相殺する推進装置の補正指令値を算出する補正指令値生成部（第２演算手段）３２とを備えている。

次に、上述した定点保持制御装置１０によって実行される処理内容について説明する。
なお、本実施形態では、図３に示すように、推進装置として、船尾付近に設けられた２つの舵５１，５２及び２つのプロペラ５３，５４と、船首及び船尾にそれぞれ設けられた２つのサイドスラスタ５５，５６とを備える船体５０を制御対象として想定している。
また、本実施形態に係る定点保持制御装置１０は、船体５０の回転方向に着目し、外乱に起因する回転方向における定点保持制御の精度低下を軽減することを目的としている。
従って、以下の説明においては、船体の回転方向に着目して説明を行う。なお、船体の前後方向（図３に示すｘ方向）、船体の左右方向（図３に示すｙ方向）に関する定点保持制御については、例えば、公知の技術を適用することが可能である。

まず、図２において、減算器２０は、船体に備えられているジャイロコンパスによって計測された船体の方位と予め設定されている目標方位との偏差を算出し、この偏差をＰＩ制御部２１に出力する。ＰＩ制御部２１は、ＰＩ制御等を行うことにより偏差をゼロとする制御指令値を生成し、補正部２３に出力する。ここで生成される制御指令値は、例えば、船体５０が備えるサイドスラスタ５５，５６（図３参照）のスラスタ翼角である。

一方、外乱補償部２２では、外乱により船体の回転方向に作用する力を相殺するような推進装置の補正指令値が生成される。
以下、外乱補償部２２の各部において行われる処理内容について詳しく説明する。
まず、図３に示すように、船体重心Ｇを基点とする船体固定座標系において、船体５０の回転方向における運動方程式は以下の（１）式により表される。

上記（１）式において、風に起因する流体力の回転成分Ｎ_A及び波浪に起因する流体力の回転成分Ｎ _W を外乱の回転成分Ｎ_Dと考えると、外乱の回転成分Ｎ_Dは以下の（２）式で表される。

上記（２）式から外乱の回転成分Ｎ_Dは、船体に作用する流体力の回転成分Ｎ_H、プロペラが発生する流体力の回転成分Ｎ_P、舵が発生する流体力の回転成分Ｎ_R、サイドスラスタが発生する流体力の回転成分Ｎ_Sを算出することにより推定することができる。

図４に外乱推定部３１の内部構成を示す。
図４に示すように、船体に作用する流体力の回転成分Ｎ_Hは、船体の回転角速度、船速の実測値に基づいて算出される回転角速度、船速のＸ軸方向（船体の前後方向）の成分、船速のＹ軸方向（船体の左右方向）の成分を予め設定されている数式モデルに与えることで算出される。

また、プロペラが発生する流体力の回転成分Ｎ_Pは、上述した回転角速度、船速のＸ軸方向（船体の前後方向）の成分、船速のＹ軸方向（船体の左右方向）の成分に加えて、プロペラ回転数及びプロペラ翼角度の実測値を予め設定されている数式モデルに与えることで算出される。
舵が発生する流体力の回転成分Ｎ_Rは、上述した回転角速度、船速のＸ軸方向（船体の前後方向）の成分、船速のＹ軸方向（船体の左右方向）の成分、プロペラ回転数、及びプロペラ翼角度に加えて、舵角の実測値を予め設定されている数式モデルに与えることで算出される。

サイドスラスタが発生する流体力の回転成分Ｎ_Sは、上述した回転角速度、船速のＸ軸方向（船体の前後方向）の成分、船速のＹ軸方向（船体の左右方向）の成分に加えて、インペラ回転数、インペラ翼角の実計測値を予め設定されている数式モデルに与えることで算出される。
また、回転角速度から回転角加速度が求められ、この回転角加速度に基づいて船体重心まわりの慣性モーメントＩ_ZZ及び船体重心まわりの付加慣性モーメントＪ_ZZが求められるとともに、回頭角速度ｒを１回微分することで回頭角加速度が求められる。
ここで、回頭角速度ｒはノイズを含んで計測されることが予想され、これを単純に差分してしまうと回頭角加速度はノイズの微分になり、正確な情報が得られないこととなる。従って、ノイズ成分を低減させるため、以下の（３）式に示すような帯域微分を行い、これを外乱推定の帯域として用いる。

上記演算が行われることにより、上記（２）式における右辺のパラメータが全て算出されると、これらを（２）式に与えることにより、外乱の回転成分Ｎ_Dが算出される。
算出された外乱の回転成分Ｎ_Dは、図２に示した補正指令値生成部３２に出力される。

補正指令値生成部３２は、外乱推定部３１から与えられた外乱の回転成分Ｎ_Dを用いて、この外乱の回転成分Ｎ_Dを打ち消す力をプロペラ、舵、サイドスラスタから発生させるような補正指令値を生成する。このとき、上記外乱の回転成分Ｎ_Dをプロペラ、舵、サイドスラスタからなる各推進装置にどのように分配するかが重要となる。そこで、実験を行い、その実験結果を分析することにより、効率的な分配を検討した。この結果、回転方向へ外乱と同等の力を発生させるためには、サイドスラスタの流体力が有効であることがわかり、従って、本実施形態では、サイドスラスタにより外乱の回転成分を相殺することとする。
サイドスラスタが発生する流体力の回転成分Ｎ_Sは、以下の（４）式で表される。

外乱の回転成分を相殺するためには、以下の（５）式を満たせばよいことから、（６）式を満たすサイドスラスタのインペラ翼角を算出する。

具体的には、（６）式において、
N_D＝N_A+N_W
A＝ρ・n_SB・|n_SB|・D_SB ⁴・x_SB
とし、上記（６）式を満たすインペラ翼角φ_SBを求めると、インペラ翼角φ_SBは以下のように表わされる。

そして、算出したサイドスラスタのインペラ翼角φ_SBを補正指令値として補正部２３（図２参照）に出力する。

補正部２３には、上述したＰＩ制御部２１によって生成された制御指令値と、外乱補償部２２により生成された補正指令値とが入力される。補正部２３は、ＰＩ制御部２１からの制御指令値と外乱補償部２２からの補正指令値とを加算することで、最終的なサイドスラスタのインペラ翼角の制御指令値を算出し、これをサイドスラスタを駆動する駆動装置（例えば、アクチュエータ）に与える。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る定点保持制御装置及び方法並びにプログラムによれば、船体の回転方向に作用する外乱を求め、この外乱を相殺するようなサイドスラスタのインペラ翼角を補正指令値として算出し、この補正指令値によってＰＩ制御部によって算出された制御指令値を補正する。これにより、外乱による定点制御の精度低下を回避することができ、荒天時においても凪状態における場合と略同様の精度を確保することが可能となる。

なお、本実施形態において、外乱推定部３１によって算出された外乱が、経験上想定される通常の外乱の範囲に基づいて設定された所定の上限値を超えていた場合には、補正指令値生成部３２が補正指令値をゼロに設定して出力することとしてもよい。

このようにすることで、例えば、何らかの要因により外乱推定部３１が故障し、異常な外乱の値が補正指令値生成部３２に出力された場合には、このような異常な値に基づく制御指令値の補正を回避することで、一定の定点制御の精度を保つことが可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図を参照して説明する。
上述した第１の実施形態では、外乱により船体の回転方向に作用する力を相殺するサイドスラスタの翼角を補正指令値として算出し、この補正指令値によって制御指令値を補正することにより、最終的な制御指令値を求めていた。これに対し、本実施形態に係る定点保持制御装置では、ＰＩ制御部２１のゲインを外乱の大きさによって設定し、このゲインを用いてＰＩ制御を行うこととしている。

以下、本実施形態の定点保持制御装置について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図５は、本実施形態に係る定点保持制御装置の機能ブロック図である。図５において、外乱推定部３１によって推定された外乱の回転成分Ｎ_Dはゲイン設定部３５に与えられる。ゲイン設定部３５は、外乱の回転成分の絶対値とゲインとが対応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から該当するゲインを読み出すことでゲインを決定する。例えば、図６に示されるように、ゲインは３段階に設定されており、外乱の回転成分Ｎ_Dの絶対値がα未満の場合にゲインＫｉ₁、Ｋｐ₁を設定し、外乱の回転成分Ｎ_Dの絶対値がα以上β未満の場合にゲインＫｉ₂、Ｋｐ₂を設定し、外乱の回転成分Ｎ_Dの絶対値がβ以上の場合にゲインＫｉ₃、Ｋｐ₃を設定する。このとき、ゲインは、外乱の回転成分Ｎ_Dの絶対値が大きいほど、大きな値に設定されている。

ＰＩ制御部２１´は、ゲイン設定部３５によって設定されたゲインを用いてＰＩ制御を行い、目標方位と実方位の偏差に基づく制御指令値を生成する。ＰＩ制御部２１´によって生成された制御指令値は、例えば、上述した第１の実施形態と同様、サイドスラスタを駆動する駆動装置（例えば、アクチュエータ）に与えられる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る定点保持制御装置及び方法並びにプログラムによれば、外乱の大きさに応じてＰＩ制御部のゲインを変更するので、外乱が大きなときにはゲインを大きくすることでサイドスラスタによって発生する流体力を大きくし、外乱による影響を相殺する。このように、本実施形態によれば、ＰＩ制御部のゲインを変更するという簡便な処理により、外乱による影響を容易に低減することが可能となる。

なお、本実施形態では、外乱の大きさを３段階に区分したゲインテーブルを用いたが、区分数については限定されない。区分数を多くすることで、より精密なゲイン調整を行うことが可能となる。
また、本実施形態では、ゲインテーブルを用いてゲインを設定することとしていたが、これに代えて、例えば、ゲインと外乱の大きさとをパラメータとする関数に基づいてゲインを設定することとしてもよい。この関数は、例えば、図６に示したゲインテーブルにおけるゲインと外乱の大きさとの関係を内挿補間することにより求めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る定点保持制御装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る定点保持制御装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 本発明の定点保持制御における座標系と船体の推進装置の構成を説明するための図である。 図２に示した外乱推定部の内部構成を示す図である。 本発明の第２の本実施形態に係る定点保持制御装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 ゲインテーブルの一例を示した図である。

符号の説明

１０ 定点保持制御装置
２０ 減算器
２１，２１´ ＰＩ制御部
２２ 外乱補償部
２３ 補正部
３１ 外乱推定部
３２ 補正指令値生成部
３５ ゲイン設定部
５０ 船体
５１，５２ 舵
５３，５４ プロペラ
５５，５６ サイドスラスタ

Claims (6)

1. 船体の目標方位と実方位との偏差に基づいて推進装置の制御指令値を算出する第１演算手段と、
   前記船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定手段と、
   前記外乱推定手段によって算出された外乱を相殺する前記推進装置の制御指令値を生成し、これを補正指令値として出力する第２演算手段と、
   前記第１演算手段によって算出された制御指令値を前記第２演算手段によって算出された補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する第３演算手段と
   を具備し、
   前記外乱推定手段は、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動方程式に与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱を推定し、
   前記第２演算手段は、前記外乱推定手段によって算出された外乱が、経験上決定された異常推定閾値を超えた場合に、前記補正指令値をゼロに設定する定点保持制御装置。
2. 前記船体には、前記推進装置として船首及び船尾にそれぞれサイドスラスタが設けられ、
   前記第３演算手段には、前記補正指令値として前記サイドスラスタのインペラ翼角が入力される請求項１に記載の定点保持制御装置。
3. 前記外乱推定手段は、予め設定されている帯域の範囲で、外乱を推定する請求項１または請求項２に記載の定点保持制御装置。
4. 前記船体の運動方程式は、以下の（１）式で表わされる請求項１から請求項３のいずれかに記載の定点保持制御装置。
   

   
5. 船体の目標方位と実方位との偏差に基づいて推進装置の制御指令値を算出する第１演算過程と、
   前記船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定過程と、
   推定された外乱を相殺する前記推進装置の制御指令値を生成し、これを補正指令値として出力する第２演算過程と、
   前記制御指令値を前記補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する第３演算過程と
   を含み、
   前記外乱推定過程では、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動方程式に与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱が推定され、
   前記第２演算過程では、前記外乱推定過程において算出された外乱が、経験上決定された異常推定閾値を超えた場合に、前記補正指令値がゼロに設定される定点保持制御方法。
6. 船体の目標方位と実方位との偏差に基づいて推進装置の制御指令値を算出する第１演算処理と、
   前記船体の回転方向に作用する外乱を推定する外乱推定処理と、
   推定された外乱を相殺する前記推進装置の制御指令値を生成し、これを補正指令値として出力する第２演算処理と、
   前記制御指令値を前記補正指令値で補正し、補正後の制御指令値を出力する第３演算処理と
   をコンピュータに実行させる定点保持制御プログラムであって、
   前記外乱推定処理では、船速、舵角、スラスタの回転数等の船体状態に関する計測値を、外乱の成分をパラメータとして含む船体の運動方程式に与えることにより、船体の回転方向に作用する外乱が推定され、
   前記第２演算処理では、前記外乱推定処理において算出された外乱が、経験上決定された異常推定閾値を超えた場合に、前記補正指令値がゼロに設定される定点保持制御プログラム。

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