JP5571743B2 - Ship automatic steering system - Google Patents

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JP5571743B2 JP2012153415A JP2012153415A JP5571743B2 JP 5571743 B2 JP5571743 B2 JP 5571743B2 JP 2012153415 A JP2012153415 A JP 2012153415A JP 2012153415 A JP2012153415 A JP 2012153415A JP 5571743 B2 JP5571743 B2 JP 5571743B2
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Description

本発明は、船舶用自動操舵装置に関し、その変針時の性能向上を行うことができる船舶用自動操舵装置に関する。   The present invention relates to a marine vessel automatic steering apparatus, and more particularly to a marine vessel automatic steering apparatus capable of improving performance at the time of changing the course.

船舶用自動操舵装置は、設定針路にジャイロコンパスからの船首方位を追従させるために舵を制御する装置であり、変針時における性能向上を図ったものとして、本出願人による特許文献1に記載されたものが知られている。図1を用いて、その構成を簡単に説明する。図1は、船舶用自動操舵装置12、操舵機16及び船体18を含む全体のブロック図であり、操舵機16と船体18とが制御対象14となる船体プラントとなる。   The marine vessel automatic steering device is a device that controls the rudder so that the heading from the gyrocompass follows the set course, and is described in Patent Document 1 by the present applicant as an improvement in performance at the time of turning. Is known. The configuration will be briefly described with reference to FIG. FIG. 1 is an overall block diagram including an automatic marine steering apparatus 12, a steering machine 16, and a hull 18, and the steering machine 16 and the hull 18 serve as a hull plant to be controlled 14.

船舶用自動操舵装置12に入力信号として設定針路即ち所望される変針量、設定値及び
船首方位とが入力され、出力信号として命令舵角が出力される。
A set course, that is, a desired course change amount, a set value, and a heading are input as input signals to the marine vessel automatic steering device 12, and a command steering angle is output as an output signal.

そして、船舶用自動操舵装置は、設定針路が入力され参照針路を出力する軌道演算部と、フィードフォワード制御器と、フィードバック制御器と、第1及び第2の加算器と、を有している。   The marine vessel automatic steering apparatus includes a trajectory calculation unit that receives a set course and outputs a reference course, a feedforward controller, a feedback controller, and first and second adders. .

特許文献1では、このフィードフォワード制御器の伝達関数は、制御対象である船体プラントの伝達関数P(s)の逆特性を有するように設定されており、具体的には、野本の1次モデル   In Patent Document 1, the transfer function of this feedforward controller is set so as to have an inverse characteristic of the transfer function P (s) of the hull plant to be controlled. Specifically, Nomoto's primary model

Figure 0005571743

を用いて
Figure 0005571743

Using

Figure 0005571743

となるように設定される。ここで、KS、TSは船体パラメータで、それぞれ旋回力ゲインと時定数、sはラプラス演算子である。
Figure 0005571743

Is set to be Here, K S and T S are hull parameters, respectively, a turning force gain and a time constant, and s is a Laplace operator.

軌道演算部は、設定針路、設定値及び船首方位を用いて参照針路を演算し、出力するものである。設定値としては、変針時の旋回角速度、フィードフォワード舵角δFFの最大値及びフィードフォワード舵角の角速度δFF’の最大値がある。また、船首方位は、変針中に新たに別の変針を実施する場合等の変針開始時に旋回角速度と旋回角加速度がゼロでない場合に、これらの値を得るために使われる。 The trajectory calculation unit calculates and outputs a reference course using the set course, the set value, and the heading. The set value, there is a maximum value of the angular velocity [delta] FF 'of veering during turning angular velocity, the maximum value of the feedforward steering angle [delta] FF and feedforward steering angle. The heading is used to obtain these values when the turning angular velocity and turning angular acceleration are not zero at the start of changing the course, such as when another course is changed during the course.

そして、参照針路は次のような条件を満足するように構成される。
(1)加速モード、等速モード及び減速モードの3モードより構成され、各モード毎に時間管理される。参照針路ψR(t)は、各モード毎に時間tを変数とする関数となる。
(2)加速モードと減速モードでは、参照針路ψR(t)の時間tに関する2階微分は2次関数となる。
(3)等速モードでは、参照針路ψR(t)の時間tに関する1階微分は一定であり、2階微分はゼロである。
(4)加速モードでは、参照針路ψR(t)は船舶の旋回角加速度C1a及び旋回角速度C2aの値を初期値として取り込む。
The reference course is configured to satisfy the following conditions.
(1) It is composed of three modes, an acceleration mode, a constant speed mode, and a deceleration mode, and time management is performed for each mode. The reference course ψ R (t) is a function having the time t as a variable for each mode.
(2) In the acceleration mode and the deceleration mode, the second order derivative with respect to time t of the reference course ψ R (t) is a quadratic function.
(3) In the constant velocity mode, the first order derivative with respect to time t of the reference course ψ R (t) is constant, and the second order derivative is zero.
(4) In the acceleration mode, the reference course ψ R (t) takes in the values of the turning angular acceleration C 1a and turning angular velocity C 2a of the ship as initial values.

特開平8−207894号公報JP-A-8-207894

引用文献1では、制御対象の特性を考慮した変針軌道計画が実現可能となるという利点を有しているものの、次のような問題点が存在する。
・船体運動の変針中に新たに別の変針を実施する場合等の、変針開始時に旋回角速度と旋回角加速度がゼロでない場合に、その角加速度初期値C1aと角速度初期値C2aと最大旋回角速度rRとの関係が、C2a>rR、C1a<0またはC2a<rR、C1a>0のときに参照針路を適切に設定できない。
・角加速度初期値C1aと角速度初期値C2aがある場合に、その初期値を減衰させるために必要な変針量が設定される変針量より大きいと、変針時間が長くなるおそれがあり、適切に対応することができない。
・角加速度初期値C1aと角速度初期値C2aとを船首方位からの信号によって求めているが、船首方位からの信号はフィルタを通したとしても小さなノイズが重畳されているために、安定的な初期値を得ることが困難である。
Although Cited Document 1 has an advantage that it is possible to realize a changing course planning in consideration of the characteristics of the controlled object, there are the following problems.
・ If the turning angular velocity and turning angular acceleration are not zero at the start of turning, such as when a new turning is performed during changing the hull motion, the initial angular acceleration C 1a and initial angular velocity C 2a and the maximum turning When the relationship with the angular velocity r R is C 2a > r R , C 1a <0 or C 2a <r R , C 1a > 0, the reference course cannot be set appropriately.
-If there is an angular acceleration initial value C 1a and an angular velocity initial value C 2a , if the amount of needle change necessary to attenuate the initial value is greater than the amount of needle change set, there is a risk that the needle changing time will be longer and appropriate. Can not cope with.
・ The angular acceleration initial value C 1a and the angular velocity initial value C 2a are obtained from the signal from the heading, but the signal from the heading is stable because small noise is superimposed even if it passes through the filter. It is difficult to obtain a simple initial value.

本発明は上記課題を解決して、より最適な変針軌道計画を実現し、よって、安定的、効率な操船を可能とする船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and to realize an automatic steering apparatus for a ship that realizes a more optimal course changing course and thus enables stable and efficient ship maneuvering.

かかる目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の発明は、船舶の所望される変針量に対して参照針路を演算して出力する軌道演算部と、該参照針路からフィードフォワード舵角を演算して開ループ制御を行うフィードフォワード制御器と、を有し、前記軌道演算部は、参照針路を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて出力し、加速モードにおいて、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2a とを取り込んで参照針路を演算する船舶用自動操舵装置において、
前記軌道演算部は、前記初期値C1a、C2aをそれぞれゼロとして演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が設定された最大舵速度を超えないように各モードを決めたときの加速モードの終端時及び等速モード時における旋回角速度rRを演算し、C2a>rRでC1a<0を満足する場合、またはC2a<rRでC1a>0を満足する場合には、加速モードにおける最大舵速度発生時点が各場合で常に同じになるように旋回角速度rRを修正し、該修正した旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算し、上記場合以外の場合には、修正しない旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算することを特徴とする。
In order to achieve this object, the invention according to claim 1 of the present invention includes a trajectory calculation unit that calculates and outputs a reference course for a desired course change amount of a ship, and feedforward steering from the reference course. A feedforward controller that calculates an angle and performs open-loop control, and the trajectory calculation unit outputs the reference course separately in an acceleration mode, a constant speed mode, and a deceleration mode, and starts changing the needle in the acceleration mode. In the marine vessel automatic steering apparatus that takes in the initial value C 1a of the turning angular acceleration at the time and the initial value C 2a of the turning angular velocity and calculates the reference course,
The trajectory calculation unit does not exceed the maximum steering speed at which the steering speed of the feedforward steering angle output from the feedforward controller based on the reference course calculated by setting the initial values C 1a and C 2a to zero, respectively. Thus, the angular velocity rR at the end of the acceleration mode and the constant velocity mode when each mode is determined is calculated, and C 1a <0 is satisfied with C 2a > r R or C 2a <r R When 1a > 0 is satisfied, the turning angular speed r R is corrected so that the maximum steering speed generation time in the acceleration mode is always the same in each case, and the corrected turning angular speed r R is satisfied and calculated. Based on the reference course, the reference course of each mode is calculated so that the steering speed of the feedforward steering angle output from the feedforward controller does not exceed the maximum steering speed. The steering speed of the non turning angular velocity r R satisfied and feedforward steering angle output from the computed is referenced feedforward controller based on the course is to compute a reference course of each mode so as not to exceed the maximum steering speed It is characterized by.

請求項2に記載の発明は、請求項1記載の前記軌道演算部の旋回角速度rRの演算を、等速モード及び減速モードのそれぞれの時間である等速時間及び減速時間の比を一定とした条件で行い、その結果が指定旋回角速度以上の場合には指定旋回角速度とし、指定旋回角速度以下の場合にその演算結果の角速度とすることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the calculation of the turning angular velocity r R of the trajectory calculation unit according to the first aspect is performed with a constant ratio of a constant speed time and a deceleration time that is a time of each of the constant speed mode and the deceleration mode. When the result is equal to or higher than the specified turning angular velocity, the specified turning angular velocity is set, and when the result is equal to or lower than the specified turning angular velocity, the calculation result is set as the angular velocity.

請求項3に記載の発明は、船舶の所望される変針量に対して参照針路を演算して出力する軌道演算部と、該参照針路からフィードフォワード舵角を演算して開ループ制御を行うフィードフォワード制御器と、を有し、前記軌道演算部は、参照針路を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて出力し、加速モードにおいて、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2a とを取り込んで参照針路を演算する船舶用自動操舵装置において、
前記軌道演算部は、前記初期値C1a、C2aをそれぞれゼロとして加速モードの終端時及び等速モード時における旋回角速度rRを求め、その際に、旋回角速度rRが指定旋回角速度r0に等しいと仮定したときに、演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角が許容舵角以下の条件を満足するときに、旋回角速度rRを指定旋回角速度r0に決定し、該条件を満足しないときに、フィードフォワード舵角と許容舵角との偏差を最も小さくする角速度を旋回角速度rRに決定し、決定された旋回角速度rRとしたときのフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の最大舵速度を求め、
2a>rRでC1a<0を満足する場合、またはC2a<rRでC1a>0を満足する場合には、加速モードにおける最大舵速度発生時点が各場合で常に同じになるように旋回角速度rRを修正し、該修正した旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算し、上記場合以外の場合には、修正しない旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、船舶の所望される変針量に対して参照針路を演算して出力する軌道演算部と、該参照針路からフィードフォワード舵角を演算して開ループ制御を行うフィードフォワード制御器と、を有し、前記軌道演算部は、参照針路を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて出力し、加速モードにおいて、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2aがゼロでない場合にその値を取り込んで参照針路を演算する船舶用自動操舵装置において、
前記軌道演算部は、前記加速モードで前記初期値C1a、C2aを減衰させるために必要な方位変化量が所望される変針量よりも大きい場合に、加速モードを、初期値を減衰させる減衰モードと、前記等速モードの旋回角速度rRに収束させる通常モードとに分けて、それぞれのモードの参照針路を演算することを特徴とする。
The invention according to claim 3 includes a trajectory calculation unit that calculates and outputs a reference course with respect to a desired amount of course change of a ship, and a feed that performs open loop control by calculating a feed forward steering angle from the reference course. The trajectory calculation unit outputs the reference course separately in an acceleration mode, a constant speed mode, and a deceleration mode, and in the acceleration mode, the initial value C 1a of the turning angular acceleration at the start of the change of needle In an automatic steering device for a ship that takes in an initial value C 2a of a turning angular velocity and calculates a reference course,
The trajectory calculation unit obtains the turning angular velocity r R at the end of the acceleration mode and the constant velocity mode by setting the initial values C 1a and C 2a to zero, and at this time, the turning angular velocity r R becomes the designated turning angular velocity r 0. when it is assumed to be equal to, when the feed-forward steering angle output from the feedforward controller based on the reference course which is calculated to satisfy the permissible steering angle following conditions, turn angular velocity r R specified turning angular velocity r 0 determined to, when not satisfied the conditions, feed forward when determining the smallest angular velocity deviation between the permissible steering angle feedforward steering angle to the turning angular velocity r R, it was determined turning angular velocity r R Find the maximum steering speed of the feed forward steering angle output from the controller,
When C 2a > r R satisfies C 1a <0, or C 2a <r R satisfies C 1a > 0, the maximum steering speed generation time in the acceleration mode is always the same in each case. The turning angular speed r R is corrected to satisfy the corrected turning angular speed r R , and the steering speed of the feed forward steering angle output from the feed forward controller based on the calculated reference course does not exceed the maximum steering speed. Thus, the reference course of each mode is calculated, and in cases other than the above, the steering angle of the feedforward steering angle that satisfies the turning angular velocity r R that is not corrected and that is output from the feedforward controller based on the calculated reference course is calculated. The reference course of each mode is calculated so that the speed does not exceed the maximum steering speed.
The invention according to claim 4 includes a trajectory calculation unit that calculates and outputs a reference course with respect to a desired amount of course change of a ship, and a feed that performs open-loop control by calculating a feed forward steering angle from the reference course. The trajectory calculation unit outputs the reference course separately in an acceleration mode, a constant speed mode, and a deceleration mode, and in the acceleration mode, the initial value C 1a of the turning angular acceleration at the start of the change of needle In the marine vessel automatic steering device that calculates the reference course by taking the value when the initial value C 2a of the turning angular velocity is not zero,
The trajectory calculation unit sets the acceleration mode to an attenuation that attenuates the initial value when the azimuth change necessary to attenuate the initial values C 1a and C 2a in the acceleration mode is larger than the desired amount of change of the needle. The reference course of each mode is calculated by dividing the mode into a normal mode for converging to the turning angular velocity r R in the constant speed mode.

請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2aが、変針開始時に変針中であったときの前回の変針に対して前記軌道演算部で演算を行った参照針路の2階微分と1階微分との変針開始時の値から求められることを特徴とする。 The invention according to claim 5, the initial value C 2a of the initial value C 1a and the turning angular velocity of the slewing angular acceleration according to any one of claims 1 to 4, when that was being veering at veering start It is obtained from the value at the start of the course change of the second-order derivative and the first-order derivative of the reference course calculated by the trajectory computation section with respect to the previous course change.

請求項1及び3記載の発明によれば、C2a>rRでC1a<0を満足する場合、またはC2a<rRでC1a>0を満足する場合には、C2aとrRとの差異が大きい場合とその差異が小さい場合とで、舵速度が最大になる時点が異なるという不具合を発生するので、そのような不具合を回避するために、常に舵速度が最大になる時点を一定になるようにし、その時点での舵速度が最大舵速度を超えないようにすることで、安定的、効率的、安全な操船を行なうことができる。 According to the first and third aspects of the invention, when C 2a > r R satisfies C 1a <0, or when C 2a <r R satisfies C 1a > 0, C 2a and r R In order to avoid such a problem, the time at which the rudder speed is always maximized is generated. By keeping the steering speed constant so that the steering speed at that time does not exceed the maximum steering speed, stable, efficient and safe boat maneuvering can be performed.

請求項2記載の発明によれば、等速時間の比率を一定とすることで、妥当な変針時間で省エネルギーを図ることができる。等速時間の比率を一定にしない場合には、大きい旋回角速度で変針時間を短くすることも可能になるが、省エネルギーの観点から好ましくない。本発明によれば、等速時間の比率を一定とすることで、等速時間のない場合に比べて省エネルギーを図ることができる。   According to the second aspect of the present invention, it is possible to save energy with an appropriate changeover time by making the constant velocity time ratio constant. If the constant speed time ratio is not constant, the changeover time can be shortened with a large turning angular velocity, but this is not preferable from the viewpoint of energy saving. According to the present invention, by making the constant speed time ratio constant, it is possible to save energy compared to the case where there is no constant speed time.

請求項4記載の発明によれば、所望される変針量が小さいと、初期値を減衰するために必要な方位変化量の方が大きくなる場合があり、かかる場合でも変針量が小さいものとして参照針路の演算を行なうと、変針時間が大きくなりすぎる不具合が発生するおそれがあるが、加速モードを減衰モードと通常モードとに分けてそれぞれのモードで適切にパラメータを設定することで、適切な参照針路を演算することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, if the desired amount of change of needle is small, the amount of change in direction necessary to attenuate the initial value may be larger. When calculating the course, there is a possibility that the time for changing the needle will be too long, but there is a risk that the acceleration mode will be divided into the attenuation mode and the normal mode, and appropriate parameters will be set in each mode for proper reference. The course can be calculated.

請求項5記載の発明によれば、変針中の新たな変針であれば、前回の変針のために演算した参照針路を用いて、新たな変針の開始時の初期値を得ることができる。そのため、ノイズの影響を受けない初期値を得ることができる。   According to the fifth aspect of the present invention, if a new needle change is being made, the initial value at the start of the new needle change can be obtained using the reference course calculated for the previous needle change. Therefore, an initial value that is not affected by noise can be obtained.

本発明の船舶用自動操舵装置と制御対象との全体のブロック図である。It is the whole block diagram of the automatic steering device for ships of this invention, and a control object. 参照針路とフィードフォワード舵角の時間変化(但し安定船の場合)を示すグラフである。It is a graph which shows the time change (in the case of a stable ship) of a reference course and feedforward rudder angle. 各モードにおける参照針路の2階微分と、1階微分の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the 2nd-order differentiation of the reference course in each mode, and the 1st-order differentiation. 舵速度と変針量の関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the rudder speed and the amount of needle change. 加速モードの参照針路の2階部分特性を表すグラフである(但し、C2a<rRでC1a>0の場合)。Is a graph representing two Kaibubun characteristic of the reference course of the acceleration mode (when the 0 <C 1a at r R> C 2a). 野本の1次モデルに準拠した参照針路及び参照針路の1階微分の変針応答の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the change course response of the reference course based on Nomoto's primary model and the first-order differential of a reference course. (a)は野本の1次モデルのブロック図、(b)は野本の2次モデルのブロック図である。(A) is a block diagram of Nomoto's primary model, and (b) is a block diagram of Nomoto's secondary model. 本発明で採用する船体モデルのブロック図である。It is a block diagram of the hull model employ | adopted by this invention. 軌道演算部で行う処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the process performed by a track | orbit calculating part. 軌道演算部で行う参照針路の計算処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the calculation process of the reference course performed in a track | orbit calculating part. 軌道演算部で行う減衰モードの計算処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the calculation process of the attenuation | damping mode performed by a track | orbit calculating part. 本発明のシミュレーション結果であり、不安定船の大角度変針時を表す。It is the simulation result of this invention, and represents the time of large angle turning of an unstable ship. 本発明のシミュレーション結果であり、(A)は安定船、(B)は不安定船のそれぞれの小角度変針時を表す。It is a simulation result of this invention, (A) represents the stable ship, (B) represents the time of small angle change of each of the unstable ship. 本発明の等減速比を可変とした変形例による軌道演算部のブロック図である。It is a block diagram of the orbital calculation part by the modification which made variable the equal reduction ratio of this invention. 等減速比に対する舵速度δR’=dδ/dt、舵角δRと変針時間Ttの特性を表すグラフである。Steering speed δ R '= dδ / dt for an equal reduction ratio is a graph representing the characteristic of the steering angle [delta] R and veering time T t. (A)は、本発明の等減速比を固定としたときのシミュレーション結果であり、(B)は本発明の等減速比を可変としたときのシミュレーション結果である。(A) is a simulation result when the constant reduction ratio of the present invention is fixed, and (B) is a simulation result when the constant reduction ratio of the present invention is variable. 船体のプロペラと舵との関係を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the relationship between the propeller of a hull and a rudder. 推進力が変化したときの船首方位と方位比との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the heading and the heading ratio when the propulsive force is changed. 推進力が変化したときの伴流速度と船速との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wake speed when a propulsive force changes, and a ship speed. 本発明の増減速時のロバスト性向上を行った変形例の主要部分のブロック図である。It is a block diagram of the principal part of the modification which performed the robustness improvement at the time of the acceleration / deceleration of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の船舶用自動操舵装置12と、操舵機16及び船体18とからなる制御対象14とを含む全体のブロック図を示している。本発明の船舶用自動操舵装置12は、特許文献1と同様に、軌道演算部12−1と、フィードフォワード制御器12−2と、フィードバック制御器12−3と、第1及び第2の加算器12−4、12−5とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall block diagram including a marine vessel automatic steering device 12 according to the present invention and a control object 14 including a steering machine 16 and a hull 18. Similarly to Patent Document 1, the automatic steering device 12 for a ship according to the present invention includes a trajectory calculation unit 12-1, a feedforward controller 12-2, a feedback controller 12-3, and first and second additions. And containers 12-4 and 12-5.

軌道演算部12−1は、所望される変針量Δψ0及び設定値を用いて変針条件を満足する参照針路の時間関数を演算し、順次その参照針路ψRを時間の経過と共に、出力するものである。 The trajectory calculation unit 12-1 calculates a time function of the reference course satisfying the course changing condition using the desired amount of change Δψ 0 and the set value, and sequentially outputs the reference course ψ R with the passage of time. It is.

フィードフォワード制御器12−2は、参照針路からフィードフォワード舵角δFFを演算するものである。フィードフォワード制御器12−2は、自動操舵系において開ループ系を構成しており、この開ループ系は船首方位を直ちに参照針路に一致させるように作動する。 The feedforward controller 12-2 calculates the feedforward steering angle δ FF from the reference course. The feedforward controller 12-2 constitutes an open loop system in the automatic steering system, and this open loop system operates so that the heading immediately coincides with the reference course.

フィードバック制御器12−3は、自動操舵系において閉ループ系を構成しており、船首方位と参照針路との偏差に対してフィードバック舵角δFBを演算するものである。変針系は、基本的には軌道演算部12−1からの参照針路と、フィードフォワード制御器12−2によるフィードフォワード制御の作動により、船首方位を参照針路に遅れなく追従させるものであり、このときに、参照針路と船首方位との間に偏差誤差ERRが生じた場合に、閉ループ系が偏差誤差ERRを減らすように動作する。しかしながら、この偏差誤差ERRはわずかであるため、本発明では、この閉ループ系については特許文献1と同様の構成とする。 The feedback controller 12-3 constitutes a closed loop system in the automatic steering system, and calculates the feedback steering angle δ FB with respect to the deviation between the heading and the reference course. The course changing system basically makes the heading follow the reference course without delay by the operation of the reference course from the trajectory calculation unit 12-1 and the feedforward control by the feedforward controller 12-2. Sometimes, when a deviation error ERR occurs between the reference course and the heading, the closed loop system operates to reduce the deviation error ERR. However, since this deviation error ERR is slight, in the present invention, this closed loop system has the same configuration as that of Patent Document 1.

以下、軌道演算部12−1における参照針路ψR算出の基本的考え方について説明する。 Hereinafter, a basic concept of calculating the reference course ψ R in the trajectory calculation unit 12-1 will be described.

1.基本設計
軌道演算部12−1の出力する参照針路ψRは、変針条件を満足する時間関数である必要がある。変針条件としては、
針路条件:所望される変針量と、旋回角速度との針路条件
制限条件:操舵機16の特性を考慮したフィードフォワード舵角と舵速度との制限条件
初期値条件:変針直前の船体運動に起因した方位の角加速度と角速度との初期値条件が挙げられる。
1. Basic Design The reference course ψ R output from the trajectory calculation unit 12-1 needs to be a time function that satisfies the changing condition. As the change condition,
Course condition: Course condition for desired amount of course change and turning angular speed Restriction condition: Restriction condition for feedforward rudder angle and rudder speed considering characteristics of steering 16 Initial value condition: Caused by hull motion immediately before course change The initial value conditions of the angular acceleration and angular velocity of the azimuth can be mentioned.

参照針路の変数と、変針条件の設定値との関係を表1に示す。   Table 1 shows the relationship between the reference course variable and the setting value of the needle changing condition.

Figure 0005571743
表1において、所望される変針量Δψ0は、変針直前の針路と設定針路との変化量として与えられるものとする。角速度rは、参照針路ψの1階微分値を、舵角δFFはフィードフォワード舵角を、舵速度δ'FFは、舵角δFFの1階微分値をそれぞれ示す。r0は指定旋回角速度、δ0は許容舵角、δ0’は許容舵速度である。参照針路ψは、変針量ΔψがΔψ0に一致するように、そして、他の変数r、δFF、δ'FFの絶対値の最大値は、各々、指定旋回角速度、許容舵角、許容舵速度以下になるようにする。
Figure 0005571743
In Table 1, the desired course change amount Δψ 0 is given as a change amount between the course just before the course change and the set course. Angular velocity r R is a first derivative of the reference course [psi R, the steering angle [delta] FF is a feed-forward steering angle, steering speed [delta] 'FF shows first derivative of the steering angle [delta] FF respectively. r 0 is a specified turning angular velocity, δ 0 is an allowable steering angle, and δ 0 ′ is an allowable steering speed. The reference course ψ R is such that the amount of change Δψ R coincides with Δψ 0 , and the maximum absolute values of the other variables r R , δ FF , δ ′ FF are respectively the designated turning angular velocity and the allowable steering angle. , Make it below the allowable rudder speed.

図2は、参照針路ψとフィードフォワード舵角δFFの時間変化(但し安定船の場合)を示す。簡略化のため、変針の開始時間はゼロとし、船体運動の初期値はゼロとする。参照針路ψは、特許文献1と同様に、加速モード、等速モード、減速モードの3モードより構成する。tは時間、Ta、Tv、Tdは、それぞれ加速時間、等速時間、減速時間を表す。以下、添字(・)a、(・)v、(・)dはそれぞれ加速、等速、減速モードを意味する。変針系は3つのモードに加えて減速モードの後に静定モードを持つことができるが、静定モードでは変針量が一定であるために説明を省略する。 Figure 2 shows the time variation of the reference course [psi R feedforward steering angle [delta] FF (provided that when a stable boat). For the sake of simplification, the start time of the course change is set to zero, and the initial value of the hull movement is set to zero. As in Patent Document 1, the reference course ψ R is composed of three modes: an acceleration mode, a constant speed mode, and a deceleration mode. t represents time, and T a , T v , and T d represent acceleration time, constant speed time, and deceleration time, respectively. In the following, the subscripts (•) a , (•) v , (•) d mean acceleration, constant speed, and deceleration modes, respectively. In addition to the three modes, the needle changing system can have a static definite mode after the deceleration mode. However, in the static deterministic mode, the amount of needle change is constant, and the description thereof is omitted.

参照針路は、野本の1次モデルを用いると、2階微分可能な時間関数の条件を持つ。参照針路の2階微分値はモード間の連続性を保証するためモードの終端と次のモードの開始とでゼロになる必要がある。この要件を満たす最小次元の関数は2次関数であるから、2階微分の参照針路は2次関数を用いる。   The reference course has a condition of a time function capable of second order differentiation using Nomoto's primary model. The second-order differential value of the reference course needs to be zero at the end of the mode and the start of the next mode to ensure continuity between modes. Since the function of the minimum dimension that satisfies this requirement is a quadratic function, a quadratic function is used as the reference course for second-order differentiation.

1.2 参照針路の時間関数
以下、各モードにおける参照針路について説明する(図3)。
1.2.1 加速モード
参照針路の2階微分が2次関数となり、初期値に角加速度C1aと角速度C2aを持つ。加速モードは、加速モード終了時に角加速度をゼロにする。
1.2 Reference Course Time Function Hereinafter, the reference course in each mode will be described (FIG. 3).
1.2.1 Acceleration mode The second order derivative of the reference course is a quadratic function, and has initial values of angular acceleration C 1a and angular velocity C 2a . In the acceleration mode, the angular acceleration is made zero at the end of the acceleration mode.

加速モードの参照針路の2階微分、1階微分、参照針路は、以下のように表される。   The second-order differentiation, first-order differentiation, and reference course of the reference course in the acceleration mode are expressed as follows.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

ここで、ψRaは加速モードの参照針路を、βaは加速定数をそれぞれ表す。時間範囲は、[0≦t≦Ta]である。時間Taで角加速度はゼロとなるので、ψ"Ra(Ta)=0より Here, ψ Ra represents the reference course in the acceleration mode, and β a represents the acceleration constant. The time range is [0 ≦ t ≦ T a ]. Since the time the angular acceleration T a is zero, [psi than "Ra (T a) = 0

Figure 0005571743

となる。
Figure 0005571743

It becomes.

角加速度と角速度の初期値であるC1aとC2aは、t=0のときの角加速度、角速度の値 C 1a and C 2a which are initial values of angular acceleration and angular velocity are values of angular acceleration and angular velocity when t = 0.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

1.2.2 等速モード
加速モードに続く等速モードでは参照針路の角速度は一定であり、角加速度はゼロである。従って、等速モードにおける参照針路の2階微分、1階微分、参照針路は、以下のように表される。
1.2.2 Constant velocity mode In the constant velocity mode following the acceleration mode, the angular velocity of the reference course is constant and the angular acceleration is zero. Accordingly, the second-order differentiation, first-order differentiation, and reference course of the reference course in the constant speed mode are expressed as follows.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

ここで、ψRvは等速モードの参照針路を、rRは角速度をそれぞれ表す。時間範囲は、[Ta≦t≦Ta+Tv]である。C3Vは初期値である。等速モードと加速モードとの連続性の関係ψ’Rv(Ta)=ψ'Ra(Ta)とψRv(Ta)=ψRa(Ta)とから、 Here, ψ Rv represents the reference course in the constant velocity mode, and r R represents the angular velocity. The time range is [T a ≦ t ≦ T a + T v ]. C 3V is an initial value. From the continuity relationship ψ ′ Rv (T a ) = ψ ′ Ra (T a ) and ψ Rv (T a ) = ψ Ra (T a ) between the constant speed mode and the acceleration mode,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

を得る。
Figure 0005571743

Get.

1.2.3 減速モード
参照針路はモードの終了時(終端時)にて変針量に一致し、その角速度と角加速度はモードの終了時点にてゼロになるように減衰される。したがって、減速モードの参照針路の2階微分、1階微分、参照針路は、以下のように表される。
1.2.3 Deceleration mode The reference course coincides with the amount of change at the end of the mode (at the end), and its angular velocity and acceleration are attenuated to zero at the end of the mode. Therefore, the second-order differentiation, first-order differentiation, and reference course of the reference course in the deceleration mode are expressed as follows.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

ここで、ψRdは減速モードの参照針路を、βdは減速定数をそれぞれ表す。時間範囲は、[Ta+Tv≦t≦Ta+Tv+Td]である。C2d、C3dは初期値である。減速モードと等速モードとの連続性の関係ψ'Rd(Ta+Tv)=ψ'Rv(Ta+Tv)とψRd(Ta+Tv)=ψRv(Ta+Tv)とから、 Here, ψ Rd represents the reference course in the deceleration mode, and β d represents the deceleration constant. The time range is [T a + T v ≦ t ≦ T a + T v + T d ]. C 2d and C 3d are initial values. Relationship between continuity between deceleration mode and constant speed mode φ ′ Rd (T a + T v ) = φ ′ Rv (T a + T v ) and φ Rd (T a + T v ) = φ Rv (T a + T v ) From

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

を得る。さらに、終端時間t=Ta+Tv+Tdで角速度ψ'Rv(t)をゼロにするために、
Figure 0005571743

Get. Furthermore, in order to make the angular velocity ψ ′ Rv (t) zero at the end time t = T a + T v + T d ,

Figure 0005571743

を得る。
Figure 0005571743

Get.

1.3 舵角と舵速度との最大値
フィードフォワード制御器12−2では、参照針路ψRからフィードフォワード舵角δFFを出力する。舵角δFFは、参照針路ψRを入力した船体モデルPの逆数とする。ここで、船体モデルPは、(1式)を使用することとすると、フィードフォワード舵角δFFは次から求まる。
1.3 steering angle and the steering speed and the maximum value feedforward controller 12-2 outputs a feedforward steering angle [delta] FF from the reference course [psi R. The rudder angle δ FF is the reciprocal of the hull model P to which the reference course ψ R is input. Here, assuming that the hull model P uses (Equation 1), the feedforward steering angle δ FF is obtained from the following.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

ここで、KsnとTsnは船体モデルのノミナル値で旋回力ゲイン、時定数を表す。Ksn>0、Tsn>0は安定船、、Ksn<0、Tsn<0は不安定船と定める。舵角δFFは参照針路の2階微分が2次関数であるから加速と減速とのモードで極値を持つ。舵角δFFと舵速度δ'FFとは、加速と減速の各モードの参照針路の(5式)及び(15式)を(19式)に代入すると、 Here, K sn and T sn are the nominal values of the hull model and represent the turning force gain and time constant. K sn > 0 and T sn > 0 are defined as stable ships, and K sn <0 and T sn <0 are defined as unstable ships. The steering angle δ FF has an extreme value in the acceleration and deceleration modes since the second derivative of the reference course is a quadratic function. The steering angle δ FF and the steering speed δ ′ FF are obtained by substituting (Equation 5) and (Equation 15) of the reference course for each acceleration and deceleration mode into (Equation 19).

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。ここで、a3、a2、a1、a0はそれぞれ加速モード(添字(・)a)と減速モード(添字(・)d)に対して、
Figure 0005571743

become. Here, a 3 , a 2 , a 1 , a 0 are respectively for the acceleration mode (subscript (•) a ) and the deceleration mode (subscript (•) d ).

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。尚、時間tは、加速モードで[0≦t≦Ta]、減速モードで[0≦t≦Td]とする。
Figure 0005571743

become. The time t is [0 ≦ t ≦ T a ] in the acceleration mode and [0 ≦ t ≦ T d ] in the deceleration mode.

1.3.1 最大舵角
舵角の最大値または最小値は舵速度をゼロにする極値で生じるから(21式)よりその時間は、
1.3.1 Maximum rudder angle The maximum or minimum rudder angle is an extreme value that sets the rudder speed to zero.

Figure 0005571743

で与えられる。ここで、分子の±の極性は+が安定船に、−が不安定船に対応する。舵角の最大値または最小値は時間tδFFを(20式)に代入することで求まる。最大舵角δR(以降、これを舵角と呼ぶ)は舵角δFFの絶対値の最大値
Figure 0005571743

Given in. Here, with respect to the ± polarity of the molecule, + corresponds to a stable ship, and − corresponds to an unstable ship. The maximum value or minimum value of the rudder angle can be obtained by substituting the time tδFF into (Equation 20). The maximum steering angle δ R (hereinafter referred to as the steering angle) is the maximum absolute value of the steering angle δ FF

Figure 0005571743

で定める。
Figure 0005571743

Determined by

1.3.2 最大舵速度
舵速度の導関数は1次関数となり、図2に示したように、舵速度の最大値または最小値は加速と減速とのモードのそれぞれの開始または終端の時間で生じる。舵速度は、加速モードで初期値C1aのため開始と終端とで異なり、減速モードでは開始と終端とで同一となる。舵速度の最大値と最小値は(21式)〜(23式)から
1.3.2 Maximum rudder speed The derivative of the rudder speed is a linear function, and as shown in Fig. 2, the maximum or minimum value of the rudder speed is the time at the start or end of each of the acceleration and deceleration modes. It occurs in. The rudder speed is different at the start and end because of the initial value C 1a in the acceleration mode, and is the same at the start and end in the deceleration mode. The maximum and minimum values of the rudder speed are from (21 formula) to (23 formula).

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。最大舵速度(以降これを舵速度と呼ぶ)δ'Rは舵速度δ'FFの絶対値の最大値
Figure 0005571743

become. Maximum rudder speed (hereinafter referred to as rudder speed) δ ' R is the maximum absolute value of rudder speed δ' FF

Figure 0005571743

で定める。
Figure 0005571743

Determined by

2.初期値をゼロとした最適設計
以上の関係式に基づき、変針条件を満足する参照針路を求める。そのために、まずは船体運動の初期値である角加速度C1aと角速度C2aはゼロとして設計パラメータを定めて諸変数の関係式を求める。簡単化のため変針量Δψ0は正とする。これにより加速と減速とのモードで時間Ta=Td、定数−βa=βd、変針量Δψa=Δψdになる。
2. Optimal design with an initial value of zero Based on the above relational expression, a reference course that satisfies the changing condition is obtained. For this purpose, first, the angular acceleration C 1a and the angular velocity C 2a, which are the initial values of the hull motion, are set to zero, the design parameters are determined, and the relational expressions of various variables are obtained. For the sake of simplification, the needle change amount Δψ 0 is positive. As a result, the time T a = T d , the constant −β a = β d , and the needle change amount Δψ a = Δψ d in the acceleration and deceleration modes.

従って、加速時間Ta、加速定数βa及び角速度r(=Taβa/6)を決定すれば参照針路を求めることができる。これらを求めるための設計パラメータとして、舵速度と、等速時間Tvと減速時間Tdとの比率である等減速比とする。等減速比は評価関数を導入して固定値とする。さらに、初期値をゼロとした場合の最大舵速度と変針量との関係を求め、該最大舵速度を変針量に応じた変数とする。 Therefore, the reference course can be obtained by determining the acceleration time T a , the acceleration constant β a and the angular velocity r R (= T a β a / 6). As design parameters for obtaining these, a steering speed and a constant reduction ratio that is a ratio of a constant speed time T v and a deceleration time T d are used. The constant reduction ratio is set to a fixed value by introducing an evaluation function. Further, the relationship between the maximum rudder speed and the amount of change of needle when the initial value is zero is obtained, and the maximum rudder speed is set as a variable corresponding to the amount of change of needle.

2.1 参照針路の関係式
等速時間Tvと減速時間Tdとの比率を等減速比Rvdとする。即ち、
2.1 Relational expression of reference course The ratio between the constant speed time T v and the deceleration time T d is defined as a constant deceleration ratio R vd . That is,

Figure 0005571743

とする。尚ここで、減速時間Tdを用いている理由は、減速モードが初期値C1a、C2aに無関係であるからである。加速時間Taと加速定数βaと、舵速度δ'Rとの関係は、(26式)を用いて、
Figure 0005571743

And Here, the reason for using the deceleration time Td is that the deceleration mode is irrelevant to the initial values C 1a and C 2a . The relationship between the acceleration time Ta, the acceleration constant βa, and the rudder speed δ ′ R is expressed using (Equation 26):

Figure 0005571743

となる。ここで、CR≡δR’Ksn/Tsnを舵定数と呼ぶ。変針量ΔψRと変針時間Ttとは、(5式)、(11式)等から
Figure 0005571743

It becomes. Here, C R ≡δ R 'K sn / T sn is called a rudder constant. The change amount Δψ R and the change time T t are obtained from (Formula 5), (Formula 11), etc.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。
Figure 0005571743

become.

2.2 舵角の関係式
舵角は(19式)で示され、参照針路の1階微分と2階微分の和であるから、舵角の極値は2階微分の極値を1階微分の影響分だけずらした位置にある。
2.2 Steering angle relational expression The steering angle is expressed by (19) and is the sum of the first and second derivative of the reference course, so the extreme value of the steering angle is the first derivative of the second derivative. The position is shifted by the effect of differentiation.

加速モードの終端時間または減速モードの開始時間で参照針路の2階微分はゼロになるから、舵角の成分はその1階微分値、即ち角速度rR(条件ΔψR>0よりrR>0)になる。即ち、安定船では、 Since the second derivative of the reference course becomes zero at the end time of the acceleration mode or the start time of the deceleration mode, the steering angle component is the first derivative, that is, the angular velocity r R (from the condition Δψ R > 0, r R > 0. )become. In other words,

Figure 0005571743

となり、不安定船では、
Figure 0005571743

And in an unstable ship,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

となる。舵角の極性は安定船(Ksn>0)で正に、不安定船(Ksn<0)で負になる。よって、舵角の絶対値の最大値は1階微分値の影響により安定船では角速度成分を加算する加速モードで最大舵角として生じ、不安定船では角速度成分を減算する減速モードで最小舵角として生じる。以下、安定船と不安定船のそれぞれの舵角の最大値を求める。 It becomes. The polarity of the rudder angle is positive for stable ships (K sn > 0) and negative for unstable ships (K sn <0). Therefore, the maximum absolute value of the rudder angle is generated as the maximum rudder angle in the acceleration mode in which the angular velocity component is added in the stable ship due to the influence of the first-order differential value, and the minimum rudder angle in the deceleration mode in which the angular velocity component is subtracted in the unstable ship. Arises as Hereinafter, the maximum value of the steering angle of each of the stable ship and the unstable ship is obtained.

2.2.1 安定船の場合
極値をとる時間を(24式)より求める。Tsn>TaとしてTaylor展開の2次までを用いると、
2.2.1 In the case of a stable ship Obtain the time to take the extreme value from (Equation 24). When T sn > T a and up to the second order of the Taylor expansion,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になるから、極値の時間は、
Figure 0005571743

So the extreme time is

Figure 0005571743

になる。上記式の括弧内の第1項は参照針路の2階微分の極値時間に相当し、第2項は参照針路の1階微分の極値時間に相当する。よって、舵角の最大値は(37式)を(20式)に代入して、
Figure 0005571743

become. The first term in parentheses in the above equation corresponds to the extreme time of the second derivative of the reference course, and the second term corresponds to the extreme time of the first derivative of the reference course. Therefore, the maximum value of the rudder angle is substituted (Expression 37) into (Expression 20),

Figure 0005571743

になる。ここで、Tsn>Taの関係により2乗項と4乗項とを省く。こうして、舵角の最大値と加速時間Ta、加速定数βaとの関係を(38式)で示すような簡単な式で表すことができるようになる。
Figure 0005571743

become. Here, the square term and the fourth power term are omitted due to the relationship of T sn > T a . In this way, the relationship between the maximum value of the steering angle, the acceleration time T a , and the acceleration constant β a can be expressed by a simple expression such as (Expression 38).

2.2.2 不安定船の場合
減速モードで最小舵角を生じるのを除き、安定船の場合と同様で、極値の時間は
2.2.2 In the case of an unstable ship Except for generating a minimum rudder angle in the deceleration mode, the extreme time is the same as in the case of a stable ship.

Figure 0005571743

となる。舵角の最小値は、
Figure 0005571743

It becomes. The minimum rudder angle is

Figure 0005571743

になる。
Figure 0005571743

become.

2.2.3 最大舵角のまとめ
(38式)と(40式)とをまとめると、最大舵角は
2.2.3 Summary of maximum rudder angle Summarizing (38 types) and (40 types), the maximum rudder angle is

Figure 0005571743

になる。安定船と不安定船の船体パラメータの絶対値が同じであれば、最大舵角は同じになり、参照針路の1階微分はTa/TsnまたはTd/Tsnで影響する、という特性が得られる。
Figure 0005571743

become. If the absolute values of the hull parameters of the stable ship and the unstable ship are the same, the maximum rudder angle will be the same, and the first derivative of the reference course will be affected by T a / T sn or T d / T sn Is obtained.

2.3 等減速比の設計
設計パラメータの等減速比は、評価関数を用いて決定する。まず、(31式)等から変針量ΔψRより等速時間Tv=6ΔψR/(βaa)−Taを得るので、変針時間Ttは、
2.3 Design of constant reduction ratio The constant reduction ratio of design parameters is determined using an evaluation function. First, since obtaining a constant velocity time T v = 6Δψ R / (β a T a) -T a more veering amount [Delta] [phi] R from (31 type) or the like, veering time T t is

Figure 0005571743

になる。ここで、Td=Ta、βa=−βdの条件を用いている。
Figure 0005571743

become. Here, the conditions of T d = T a and β a = −β d are used.

変針時間Ttを最小にする加速時間Taを求めると、 When the acceleration time T a that minimizes the needle changing time T t is obtained,

Figure 0005571743

を得る。このとき、等速時間Tvは0となる。舵速度が一定の条件下で加速時間が最大になると角速度rRが最大になるので、変針時間を短くすれば角速度rRを大きくすることになる。変針動作の運動エネルギーは角速度の2乗に比例すると想定すると、単に変針時間を短くすることにのみ着目することは省エネルギーの観点から得策ではない。よって、変針時間を許容範囲内に設定して角速度を低くするために、変針時間と角速度とを用いた評価関数を導入し、それを最小にする等減速比を求めることにする。
Figure 0005571743

Get. At this time, the constant velocity time T v is zero. When the acceleration time is maximized under a condition where the rudder speed is constant, the angular velocity r R becomes maximum. Therefore, if the changeover time is shortened, the angular velocity r R is increased. Assuming that the kinetic energy of the needle changing operation is proportional to the square of the angular velocity, it is not a good idea from the viewpoint of energy saving to pay attention only to shortening the needle changing time. Therefore, in order to set the needle changing time within an allowable range and reduce the angular velocity, an evaluation function using the needle changing time and the angular velocity is introduced, and an equal reduction ratio that minimizes it is determined.

(31式)及び(38式)からβaを消去してTaの2次方程式をつくり、その解を求めると、 Eliminating β a from (Equation 31) and (Equation 38) to create a quadratic equation for T a and finding its solution,

Figure 0005571743

を得る。但し、
Figure 0005571743

Get. However,

Figure 0005571743

を仮定した。
Figure 0005571743

Was assumed.

同様にβaを求め、変針時間Ttと角速度rRとを求めると、 Similarly, when β a is obtained and the needle changing time T t and the angular velocity r R are obtained,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。(46式)及び(47式)において等減速比以外の変数は設定値であるから、変針時間Ttと角速度rRは等減速比Rvdの関数となる。
Figure 0005571743

become. In (Equation 46) and (Equation 47), variables other than the equal speed reduction ratio are set values, so the needle changing time T t and the angular velocity r R are functions of the equal speed reduction ratio R vd .

さらに、(46式)と(47式)から、等速時間をゼロ(Rvd=0)とした変針時間とその角速度とに対する等速時間比と角速度比とを以下で定義して評価量とする。評価量は(46式)と(47式)から係数が取り除かれた形となる。 Furthermore, from (Equation 46) and (Equation 47), the constant velocity time and the angular velocity ratio with respect to the needle changing time with the constant velocity time being zero (R vd = 0) and the angular velocity are defined as follows: To do. The evaluation amount is a form in which the coefficient is removed from (Equation 46) and (Equation 47).

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

評価関数Jは、各評価量の2乗和とすると、   If the evaluation function J is the sum of squares of the respective evaluation quantities,

Figure 0005571743

になり、この評価関数Jを最小にする等減速比Rvdの値を求める。ここで、λは正の重みを示す。評価関数JをRvdで微分しそれをゼロとおくと、
Figure 0005571743

Thus, the value of the equal reduction ratio R vd that minimizes the evaluation function J is obtained. Here, λ represents a positive weight. Differentiating the evaluation function J with R vd and setting it to zero,

Figure 0005571743

になる。
Figure 0005571743

become.

様々な重みλに対して、(51式)を満足する等減速比Rvd(>0)とそのときの評価関数Jの特性を調べると、表2のようになる。 Table 2 shows the characteristics of the equal reduction ratio R vd (> 0) that satisfies (Equation 51) and the evaluation function J at that time for various weights λ.

Figure 0005571743

重みλが増加すれば評価関数は増加するが、変針時間の増加に対して、運動エネルギーの抑制効果が十分に期待できる範囲としては、2≦λ≦3の範囲、より好ましくは、λ=2.36とするとよいことが分かる。即ち、2≦Rvd≦2.61、より好ましくは、Rvd=2.23とするとよく、この等減速比Rvdを基本的に固定に設定する。
Figure 0005571743

As the weight λ increases, the evaluation function increases. However, the range in which the effect of suppressing the kinetic energy can be sufficiently expected with respect to the increase in the needle changing time is in the range of 2 ≦ λ ≦ 3, more preferably, λ = 2. It can be seen that .36 is preferable. That is, 2 ≦ R vd ≦ 2.61, more preferably R vd = 2.23, and this equal reduction ratio R vd is basically set to be fixed.

2.4 舵速度の決定
次に、舵速度を決定する。舵速度δ'Rは、(30式)を変形すると
2.4 Determination of rudder speed Next, the rudder speed is determined. The rudder speed δ ' R is

Figure 0005571743

となる。(52式)を(38式)、(40式)に代入すると、βaの2次方程式ができ、この解を求めると、
Figure 0005571743

It becomes. By substituting (Equation 52) into (Equation 38) and (Equation 40), a quadratic equation of β a can be obtained.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

として求まる。定数βaが求まると、定数Taも(52式)から求めることができる。
Figure 0005571743

It is obtained as When the constant β a is obtained, the constant T a can also be obtained from (Equation 52).

安定船と不安定船の定数の差異はβaとβdの計算だけなので、以下安定船を想定する。不安定船のときは便宜的にβa=βdとすればよい。(30式)と(31式)とから The only difference between the stable ship and the unstable ship is the calculation of β a and β d , so the stable ship is assumed below. For an unstable ship, β a = β d may be set for convenience. From (30 formula) and (31 formula)

Figure 0005571743

となる。
Figure 0005571743

It becomes.

(53式)、(54式)のβa、βd、またはTaを(55式)に代入して消去すると、変針量ΔψRと舵角δR及び舵速度δ'Rとの関係式が得られる。即ち、 When β a , β d , or T a in (Formula 53) and (Formula 54) is substituted into (Formula 55) and deleted, the relational expression between the change amount Δψ R , the steering angle δ R, and the steering speed δ ′ R Is obtained. That is,

Figure 0005571743

となる。
Figure 0005571743

It becomes.

変針時間Ttを最短とする舵角δRの条件は、(46式)よりその上限である許容値を用いることである。 The condition of the steering angle δ R that makes the needle changing time T t the shortest is to use an allowable value that is the upper limit from (Equation 46).

ΔψRの範囲は、舵速度δ'Rの可変範囲で設定することができるので、δ'Rの範囲を例えば、 Since the range of Δψ R can be set in the variable range of the rudder speed δ ′ R , the range of δ ′ R is , for example,

Figure 0005571743

と定める。舵速度δ'Rと変針量ΔψRとの関係を図4に示す。
Figure 0005571743

It is determined. The relationship between the veering amount [Delta] [phi] R and steering velocity [delta] 'R shown in FIG. 4.

変針量ΔψRLはδ'Rの上限値δ'RHを用いた値で、変針量ΔψRHはδ'Rの下限値δ'RLを用いた値である。変針量|ΔψR|は、ΔψRL、ΔψRHにより3つの変針領域Small、Middle、Largeに分けられる。Middleは舵速度が変化する領域で、SmallとLargeは、舵速度がそれぞれ上限値δ'RHと下限値δ'RLとで一定の領域とする。 The needle change amount Δψ RL is a value using the upper limit value δ ′ RH of δ ′ R , and the needle change amount Δψ RH is a value using the lower limit value δ ′ RL of δ ′ R. The change amount | Δψ R | is divided into three change regions Small, Middle, and Large by Δψ RL and Δψ RH . Middle is an area where the rudder speed changes, and Small and Large are areas where the rudder speed is constant at the upper limit value δ ′ RH and the lower limit value δ ′ RL , respectively.

変針量ΔψRL、ΔψRHは、(56式)等を用いて、δ'R=δ'RHのときのΔψをΔψRL、δ'R=δ'RLのときのΔψをΔψRHとして求めることができる。即ち、 The amount of change Δψ RL , Δψ RH is obtained by using (Equation 56) and the like as Δψ RL when δ ′ R = δ ′ RH and Δψ when Δδ R = δ ′ RL as Δψ RH. Can do. That is,

Figure 0005571743

になる。
Figure 0005571743

become.

また、Middleの舵速度は、(53式)または(54式)を(56式)に代入してδ'R 1/3の二次方程式を解くと、 The middle rudder speed can be calculated by substituting (53) or (54) into (56) and solving the quadratic equation of δ ′ R 1/3 .

Figure 0005571743

を得る。ここで−が安定船の場合に+が不安定船に対応し、
Figure 0005571743

Get. Here, when-is a stable ship, + corresponds to an unstable ship,

Figure 0005571743

であり、変針量ΔψRから対応する舵速度δ'Rを求めることができる。
Figure 0005571743

Therefore, the corresponding steering speed δ ′ R can be obtained from the amount of change Δψ R.

この結果、変針量の該当する変針領域は決定され、その領域から使用する最大舵速度δ'Rを決定する。 As a result, the course change area corresponding to the course change amount is determined, and the maximum steering speed δ ′ R to be used is determined from the area.

2.5 指定旋回角速度
角速度rは、(11式)または(31式)より、Taとβaを消去すると、
2.5 Specified turning angular velocity The angular velocity r R is calculated by eliminating T a and β a from (Equation 11) or (Equation 31).

Figure 0005571743

で求まる。
Figure 0005571743

It is obtained by

この求められた角速度rRを用いて、最大舵角δRを(41)式を用いて求め、最大舵角δRと許容舵角δ0(表1参照)とを比較し、最大舵角δRが許容舵角δ0よりも大きい場合には、許容舵角δR=δ0を満足するようなrRを求め、さらに求めたrRと指定旋回角速度r0(表1参照)との大小関係を調べる。そして、求められた角速度rRが指定旋回角速度r0以上の場合に、rR=sign(ψR)r0としてこれを基準角速度とする。角速度r0以下の場合にはrRをそのまま基準角速度とするとする。前者の場合、角速度が変わるために、等減速比Rvd=2.23の条件を満足しない。そのため、等速時間を調節することで変針条件を満足させる。等速モードの変針量ΔψRvと等速時間TvUsing the obtained angular velocity r R , the maximum steering angle δ R is obtained using the equation (41), the maximum steering angle δ R is compared with the allowable steering angle δ 0 (see Table 1), and the maximum steering angle When δ R is larger than the allowable steering angle δ 0 , r R that satisfies the allowable steering angle δ R = δ 0 is determined, and the calculated r R and the specified turning angular velocity r 0 (see Table 1) Investigate the size relationship. When the obtained angular velocity r R is equal to or higher than the specified turning angular velocity r 0 , r R = sign (ψ R ) r 0 is set as a reference angular velocity. If the angular velocity is less than or equal to r 0, r R is used as the reference angular velocity as it is. In the former case, since the angular velocity changes, the condition of the equal reduction ratio R vd = 2.23 is not satisfied. Therefore, the changing condition is satisfied by adjusting the constant speed time. The change amount Δψ Rv and constant speed time T v in constant speed mode are

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。
Figure 0005571743

become.

3.初期値を考慮した設計
次に、船体運動の初期値C1aとC2aを考慮した場合について説明する。初期値は加速モードにのみ組み込まれる。1回の加速モードの終端で角加速度の初期値C1aはゼロになるが、角速度の初期値C2aは参照針路の基準角速度rRに収束できない場合がある。1回の加速モードで対応できる初期値C2aの大きさは舵角制限により限定されるからである。そこで、加速モードを複数回組み合わせることによって、初期値の大きさの影響を排除する。
3. Design Considering Initial Values Next, a case where initial values C 1a and C 2a of ship motion are considered will be described. The initial value is incorporated only in the acceleration mode. At the end of one acceleration mode, the initial angular acceleration value C 1a becomes zero, but the initial angular velocity value C 2a may not converge to the reference angular velocity r R of the reference course. This is because the magnitude of the initial value C 2a that can be handled in one acceleration mode is limited by the steering angle limitation. Therefore, the influence of the magnitude of the initial value is eliminated by combining the acceleration modes a plurality of times.

初期値をゼロにして求めた基準角速度rRを用い、加速モードの終端で角速度がrRになるように、且つ、舵速度がC1a、C2aをゼロとして変針量から決定した舵速度δ'Rを超えることのないように加速時間Taと加速定数βaを設定する。しかしながら、初期値C2aとrRの大小関係及び初期値C1aの正負関係の組み合わせによっては、上記基準角速度rRを用いることが適当でない場合が生じる。この場合に、基準角速度rRを修正する。 Using the reference angular velocity r R obtained by setting the initial value to zero, the rudder speed δ determined from the amount of change of the needle so that the angular velocity becomes r R at the end of the acceleration mode and the rudder speed is C 1a and C 2a is zero. 'Set the acceleration time T a and the acceleration constant β a so as not to exceed R. However, depending on the combination of the magnitude relationship between the initial values C 2a and r R and the positive / negative relationship between the initial values C 1a , it may be inappropriate to use the reference angular velocity r R. In this case, the reference angular velocity r R is corrected.

3.1 初期値の組み込み
まず、舵角制限を無視して初期値を含んだ加速モードの定数を求めることにする。舵速度は初期値C1aにより開始または終端において異なる。両者の絶対値で大きい方を舵速度δ'Rに設定する。
3.1 Incorporation of initial values First, ignoring the rudder angle limitation, the acceleration mode constants including the initial values are determined. The rudder speed varies depending on the initial value C 1a at the start or end. Set the larger the absolute value of both the steering speed [delta] 'R.

加速時間Taと加速定数βaとを(26式)及び(30式)の舵速度を用いて関係づけると、 When the acceleration time T a and the acceleration constant β a are related using the rudder speeds of (Equation 26) and (Equation 30),

Figure 0005571743

を得る。ここで、CRaは加速モードの舵定数を、flgaは極性定数をそれぞれ示し、t=0、t=Taは最大舵速度の発生時刻でそれぞれ開始と終端とを示す。
Figure 0005571743

Get. Here, C Ra indicates a steering constant in the acceleration mode, flg a indicates a polarity constant, and t = 0 and t = T a indicate the start and end, respectively, at the generation time of the maximum steering speed.

初期値を含んだ加速モードの関係式は、(11式)の左辺の角速度rRに初期値をゼロにして求めた基準角速度を置けば得られる。(64式)のβaを(11式)に代入するとTaに関する2次方程式 Relationship of acceleration mode including the initial value is obtained if you put the left side of the reference angular velocity determined by the initial value to zero angular velocity r R (11 type). Substituting β a in (Equation 64) into (Equation 11), a quadratic equation relating to T a

Figure 0005571743

を得る。CRa≠0から加速時間は、
Figure 0005571743

Get. From C Ra ≠ 0, the acceleration time is

Figure 0005571743

になり、βaは(64式)から求まる。
Figure 0005571743

And β a is obtained from (Equation 64).

3.1.1 最大舵速度の発生時刻の決定
初期値に対応して最大舵速度の発生時刻が決まれば、Taは(66式)から、βaは(64式)から求まる。C2a=rRの場合とC2a≠rRの場合に分けて最大舵速度の発生時刻を求める。
3.1.1 once the time of occurrence of the maximum steering speed corresponding to the determined initial value of the time of occurrence of the maximum steering velocity, T a from (66 type), beta a is obtained from (64 type). The generation time of the maximum steering speed is obtained separately for the case of C 2a = r R and the case of C 2a ≠ r R.

2a=rRの場合には、C1a>0ならばβa<0になり、参照針路の角加速度ψ"Raは下向きに凸となり、C1a<0ならばβa>0になり、参照針路の角加速度ψ"Raは上向きに凸となる。このため、最大舵速度は開始時に生じる。 In the case of C 2a = r R , β a <0 if C 1a > 0, the angular acceleration ψ ″ Ra of the reference course is convex downward, and if C 1a <0, β a > 0. The angular acceleration ψ " Ra of the reference course is convex upward. For this reason, the maximum rudder speed occurs at the start.

2a≠rRの場合、さらに両者の大小関係の差が大きい場合と小さい場合とに分ける。この場合分けは、(66式)において差が大きい場合は(C2a−rR)成分が、差が小さい場合はC1a成分がそれぞれ支配的な状態であることに相当する。 In the case of C 2a ≠ r R , it is further divided into a case where the difference in magnitude relationship between the two is large and a case where it is small. In this case, when the difference is large in (Equation 66), the (C 2a −r R ) component is dominant, and when the difference is small, the C 1a component is dominant.

まず、差が大きい場合について検討する。C2a≫rRならば、βa<0になり参照針路の角加速度ψ"Raは下向きに凸となり、最大舵速度はC1a≧0ならば開始時に、C1a<0ならば終端時に生じる。同様に、C2a≪rRならば、βa>0になり参照針路の角加速度ψ"Raは上向きに凸となり、最大舵速度はC1a>0ならば終端時に、C1a≦0ならば開始時に生じる。表3にまとめる。 First, consider the case where the difference is large. If C 2a >> r R, then β a <0 and the reference course angular acceleration ψ " Ra is convex downward, and the maximum steering speed occurs at the start if C 1a ≧ 0, and at the end if C 1a <0. . Similarly, if C 2a «r R, angular acceleration [psi "Ra reference course become beta a> 0 becomes upwardly convex, the maximum steering speed is at C 1a> 0 if termination, if C 1a ≦ 0 Occurs at the start. Table 3 summarizes.

Figure 0005571743
ところが、C2aとrRの差が小さい場合、特に、C2a>rRでC1a<0及びC2a<rRでC1a>0の場合は、上記表3とは異なり、以下で説明するように、最大舵速度の発生時刻が終端時ではなく開始時に起こり、最大舵速度の発生時刻が異なり、C2aとrRの大小関係で発生時刻を一義的に決定することができなくなる。そのため、それらの場合には角速度rRに修正量を加えて差が大きい場合に変更することで、その条件から回避する必要がある。
Figure 0005571743
However, when the difference between C 2a and r R is small, in particular, when C 2a > r R and C 1a <0 and C 2a <r R and C 1a > 0, unlike Table 3, the following description will be given. As described above, the generation time of the maximum rudder speed occurs not at the end but at the start, the generation time of the maximum rudder speed is different, and the generation time cannot be uniquely determined by the magnitude relationship between C 2a and r R. Therefore, in those cases, it is necessary to avoid the condition by adding a correction amount to the angular velocity r R and changing when the difference is large.

3.1.2 角速度修正量について
2a>rRでC1a<0の場合及びC2a<rRでC1a>0の場合について、終端時t=Taについて調べる。|C2a−rR|>0で両者の差が小さいとき、(66式)のt=Taは、
3.1.2 Angular velocity correction amount For C 2a > r R and C 1a <0, and C 2a <r R and C 1a > 0, the termination time t = Ta is examined. | C 2a -r R | when> 0 the difference between the two is small, the t = T a (66 type),

Figure 0005571743

となり、加速時間Taは差に比例して微小になる。ここで、Δr=−6(C2a−rR)とおく。但し、C1a<0のときに√の係数を−にしている。このとき、(64式)のβaはTa成分よりもC1a成分が支配的になる。即ち、
Figure 0005571743

Next, acceleration time T a becomes small in proportion to the difference. Here, it is assumed that Δr = −6 (C 2a −r R ). However, the coefficient of √ is − when C 1a <0. In this case, beta a is C 1a component is dominant than T a component (64 type). That is,

Figure 0005571743

になる。ここで、ε=CRaaとしている。上式を(3式)に代入し、(6式)を用いる
と、
Figure 0005571743

become. Here, it is a ε = C Ra T a. Substituting the above equation into (Equation 3) and using (Equation 6),

Figure 0005571743

になり、(69式)を微分すると
Figure 0005571743

And differentiating (Equation 69)

Figure 0005571743

になる。
Figure 0005571743

become.

舵速度は、(19式)より   Rudder speed from (19 formula)

Figure 0005571743

で与えられる。開始及び終端時刻でのψ"Ra、ψ"' Ra、は、
Figure 0005571743

Given in. Ψ " Ra and ψ"' Ra at the start and end times are

Figure 0005571743

になるから、舵速度の大小関係は絶対値をとって開始及び終端時刻とで比較をすると(|a+b|≦|a|+|b|)、
Figure 0005571743

Therefore, when the magnitude relation of the rudder speed is an absolute value and compared with the start and end times (| a + b | ≦ | a | + | b |),

Figure 0005571743

になる。但し、ここで、Ta/Tsn<2とする。よって、C2a−rRの差が小さいときには、最大舵速度はt=Taではなく、t=0で生じて、表3と矛盾が生じることが分かる。
Figure 0005571743

become. However, here, and T a / T sn <2. Therefore, when the difference between the C 2a -r R is small, the maximum steering speed rather than t = T a, occurs at t = 0, it is understood that consistent with Table 3 is generated.

そこで、t=0での舵速度をt=Taと同じにする条件を求める。その場合、時刻t=0とTaとで、ψ"'Ra(t)は同じになる。差が小さいときのψ" Ra(t)の係数αaは、αa=C1a−ε、差が大きいときのψ"Ra(t)の係数αaは、αa=−CRaa+C1aとなり、極性が逆になっている。つまり、差の大きさによりαaがゼロになる場合を生じることになる。αaがゼロのとき、つまり、βa=−C1aのとき、ψ"'Raは時間に無関係になるので、舵速度への関与は一定となる。即ち、 Therefore, finding a condition for the rudder velocity at t = 0 the same as t = T a. In that case, ψ ″ ′ Ra (t) is the same at time t = 0 and T a . The coefficient α a of ψ ″ Ra (t) when the difference is small is α a = C 1a −ε, The coefficient α a of ψ ” Ra (t) when the difference is large is α a = −C Ra T a + C 1a and the polarity is reversed. That is, α a becomes zero depending on the magnitude of the difference. When α a is zero, that is, when β a = −C 1a , ψ ″ ′ Ra is independent of time, so the contribution to the rudder speed is constant. That is,

Figure 0005571743

となり、舵速度に比例するψ"'Ra+(1/Tsn)ψ" Raは、
Figure 0005571743

Ψ "' Ra + (1 / T sn ) ψ" Ra proportional to the rudder speed is

Figure 0005571743

となる。βaによるψ"Raの様子を図5に示す(但し、C2a<rRでC1a>0の場合)。
Figure 0005571743

It becomes. FIG. 5 shows the state of ψ ″ Ra due to β a (provided that C 2a <r R and C 1a > 0).

βa=−C1aとなるときの舵速度の大小関係を調べると、 When the magnitude relation of the rudder speed when β a = −C 1a is examined,

Figure 0005571743

になり、(73式)に比べ差の大きさは小さくなる。しかし、最大舵速度の時刻はTsn項の影響を受けるため、安定船の場合、t=Taで最大となり、C2a>rRでC1a<0、及びC2a<rRでC1a>0の場合の条件を満足するが、不安定船の場合には、t=0で最大となり、条件を満足できない。以下各々の場合を説明する。
Figure 0005571743

Therefore, the magnitude of the difference is smaller than that of (Expression 73). However, since the time of the maximum steering rate affected the T sn terms, in the case of stable vessels, t = maximum at T a, C 2a> r R in C 1a <0, and C 2a <r R in C 1a The condition for> 0 is satisfied, but in the case of an unstable ship, the maximum is reached at t = 0, and the condition cannot be satisfied. Each case will be described below.

3.1.2.1 安定船の場合
安定船の場合、(76式)においてTsn項により舵速度はt=Taで最大となる。
(i) C2a>rRでC1a<0の場合
βa≦−C1aになるように設定すればよいので、この不等式を(64式)を用いて変形すると、
βa=CRaa−2C1a≦−C1a
Raa≦C1a
となる。
For cases stable ship 3.1.2.1 stable vessels, the maximum steering speed is t = T a by T sn terms in (76 type).
(i) When C 2a > r R and C 1a <0, β a ≦ −C 1a may be set. Therefore, when this inequality is transformed using (Equation 64),
β a = C Ra T a -2C 1a ≦ -C 1a
C Ra T a ≦ C 1a
It becomes.

2a>rRでC1a<0でありCRa<0であるから、
a≧C1a/CRaであり、(66式)から
Since C 2a > r R and C 1a <0 and C Ra <0,
T a ≧ C 1a / C Ra , from (Equation 66)

Figure 0005571743

となる。2乗して極性に注意して整理すると、
Figure 0005571743

It becomes. If you square it up and keep your polarity in mind,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

となる。
Figure 0005571743

It becomes.

(ii) C2a<rRでC1a>0の場合
βa≧−C1aになるように設定すればよい。同様にこの不等式を変形すると、
βa=CRaa−2C1a≧−C1a
Raa≧C1a
となり、
2a<rRでC1a>0でありCRa>0であるから、
a≧C1a/CRaであり、
(ii) When C 2a <r R and C 1a > 0, it may be set such that β a ≧ −C 1a . Similarly, if this inequality is transformed,
β a = C Ra T a -2C 1a ≧ -C 1a
C Ra T a ≧ C 1a
And
Since C 2a <r R and C 1a > 0 and C Ra > 0,
T a ≧ C 1a / C Ra

Figure 0005571743

となる。2乗して極性に注意して整理すると、
Figure 0005571743

It becomes. If you square it up and keep your polarity in mind,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

となる。
Figure 0005571743

It becomes.

3.1.2.2 不安定船の場合
不安定船の場合、(76式)においてTsn<0より舵速度の最大値はt=Taでなくt=0で生じるので、t=0での舵速度をt=Taでの舵速度以下に設定すればよい。
(i) C2a>rRでC1a<0の場合
(26式)、(64式)から
3.1.2.2 For unstable ship when unstable ship, since they produce a maximum value of the steering rate than T sn <0 at t = 0 not t = T a in (76 expression), t = 0 the steering speed may be set below the steering speed at t = T a at.
(i) When C 2a > r R and C 1a <0 (Equation 26), (Equation 64)

Figure 0005571743

が得られる。さらに、
Figure 0005571743

Is obtained. further,

Figure 0005571743

を得る。これを、(64式)のt=Taのβaに代入すると、
Figure 0005571743

Get. Substituting this into β a of t = T a in (Equation 64),

Figure 0005571743

になる。ここで、
Figure 0005571743

become. here,

Figure 0005571743

である。(83式)及び(84式)からTaを取り出して、それを(66式)に代入すると、
Figure 0005571743

It is. (83 type) and taken out T a from (84 type), substituting it into (66 type),

Figure 0005571743

となる。さらにこれを極性に注意して整理すると、
Figure 0005571743

It becomes. Furthermore, if you organize this with attention to polarity,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

として求まる。
Figure 0005571743

It is obtained as

(ii) C2a<rRでC1a>0の場合
(i)と同様に(26式)、(64式)から
(ii) When C 2a <r R and C 1a > 0
From (26) and (64) as in (i)

Figure 0005571743

が得られる。そして、同様の計算を行なうと、
Figure 0005571743

Is obtained. And when doing the same calculation,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

を得る。
Figure 0005571743

Get.

3.1.2.3 角速度修正量のまとめ
(78式)、(80式)、(86式)、(89式)においてrCは角速度修正量を示し、CRaの極性と逆である。この結果、これら式を満足するときに最大舵速度は終端時間で生じ、その設定値になるが、満足しないとき角速度rRを修正量rCと初期値C2aを用いて
3.1.2.3 Summary of angular velocity correction amount In formulas (78), (80), (86), and (89), r C represents the angular velocity correction amount and is opposite to the polarity of C Ra . As a result, when these equations are satisfied, the maximum rudder speed is generated at the end time, and becomes the set value. When not satisfied, the angular speed r R is determined using the correction amount r C and the initial value C 2a.

Figure 0005571743

に置き換えることによって、安定船不安定船の双方で時刻t=0とt=Taの舵速度の大きさは等しく、その最大舵速度とすることができる。
Figure 0005571743

By replacing with, the magnitudes of the rudder speeds at the times t = 0 and t = Ta are equal in both the stable ship and the unstable ship, and the maximum rudder speed can be obtained.

以上の関係をまとめると次の表になる。   The following table summarizes the above relationships.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

3.2 初期値を含んだ舵角の導出
最大舵角は初期値による増加分でその許容値を超える場合を生じる。そのため初期値を含んだ舵角の式を求める。(35式)、(36式)に(64式)を代入して、初期値C1aの1次項までで近似すると、
3.2 Derivation of rudder angle including initial values
The maximum rudder angle may be increased by the initial value and exceed its allowable value. Therefore, the rudder angle formula including the initial value is obtained. Substituting (Expression 64) into (Expression 35) and (Expression 36) and approximating up to the first order term of the initial value C 1a ,

Figure 0005571743

になる。(92式)は安定船不安定船の双方に対応する。舵角の極値である最大舵角はβaに依存するため、最大舵速度の発生時間毎に求める。
Figure 0005571743

become. (Formula 92) corresponds to both stable ships and unstable ships. Since the maximum steering angle is the extreme values of the steering angle is dependent on the beta a, determined for each time of occurrence of the maximum steering speed.

3.2.1 最大舵速度が開始時間で生じる場合
舵角と加速時間との関係式は、極値時間tpを(64式)のt=0のβaと舵角の式である(20式)に代入してC1aの1次項までで近似すると、
3.2.1 If the maximum steering speed occurs at the starting time relationship between the acceleration time steering angle is an expression of beta a and the steering angle of the t = 0 in the extreme time t p (64 type) ( Substituting into equation (20) and approximating up to the first order term of C 1a ,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

として得られる。(40式)ではTaの2次式を用いたが、ここでは3次式まで用いている。その理由は、C1aのTaの3次係数が2次係数と比べ十分に小さくならず省略できないためである。(93式)から舵角は加速時間Taと初期値C1a、C2aとを用いて算出できる。算出した舵角の絶対値が設定値である許容舵角を超えた場合、舵角の絶対値は加速時間を変更することによって許容舵角に一致させる。即ち、(93式)で舵角δRを設定値である許容舵角δ0に置き換えると、Taの3次方程式は、 As obtained. (40 type) at is used a quadratic equation of T a, is used here to cubic equation. This is because the third order coefficients T a of C 1a can not be omitted not sufficiently small compared with the second-order coefficient. From (Expression 93), the steering angle can be calculated using the acceleration time Ta and the initial values C1a and C2a . When the calculated absolute value of the rudder angle exceeds the allowable rudder angle that is the set value, the absolute value of the rudder angle is made to coincide with the allowable rudder angle by changing the acceleration time. That is, by replacing the permissible steering angle [delta] 0 is a setting value steering angle [delta] R in (93 type), cubic equation of T a is

Figure 0005571743

になり、Taは求まる。Taよりβaが求まり、角速度rRは(11式)より求まる。
Figure 0005571743

And T a is obtained. Β a is obtained from T a , and angular velocity r R is obtained from (Equation 11).

3.2.2 最大舵速度が終端時間で生じる場合
舵角と加速時間の関係式は、極値時間tpをt=Taのβaと舵角の式である(64式)に代入してC1aの1次項までで近似すると、
3.2.2 relational expression between when the steering angle maximum steering speed occurs at the end time acceleration time is substituted into an expression of beta a and the steering angle of the extreme time t p t = T a (64 type) And approximating up to the first order term of C 1a

Figure 0005571743
Figure 0005571743

として得られる。同様に、算出した舵角の絶対値が許容舵角を超えた場合、舵角の絶対値は加速時間を変更することによって許容舵角に一致させる。即ち、(95式)で舵角δRを許容舵角δ0に置き換えると、Taの3次方程式は、 As obtained. Similarly, when the absolute value of the calculated steering angle exceeds the allowable steering angle, the absolute value of the steering angle is matched with the allowable steering angle by changing the acceleration time. That is, when replacing the steering angle [delta] R in the allowable steering angle [delta] 0 (95 type), cubic equation of T a is

Figure 0005571743

になり、Taは求まり、また、Taよりβaが求まり、角速度rRは(11式)より求まる。
Figure 0005571743

T a is obtained, β a is obtained from T a , and angular velocity r R is obtained from (Equation 11).

4.小角度対応
船体運動の初期値がゼロでないC1a≠0、C2a≠0において、参照針路は初期値を減衰して、変針量に一致するように構成される。このときに、変針量が小さいと、旋回角速度が小さく設定されることになる。ところが、初期値を減衰させるために必要である方位変化量が変針量よりも大きいときには、小さい旋回角速度で旋回するために、変針時間がかかってしまう、という問題がある。この状態を小角度と呼ぶ。
4). Corresponding to small angle When C 1a ≠ 0 and C 2a ≠ 0, where the initial value of the hull motion is not zero, the reference course is configured to attenuate the initial value and match the amount of change. At this time, if the amount of change in needle is small, the turning angular velocity is set small. However, when the amount of azimuth change necessary for attenuating the initial value is larger than the amount of change of the needle, there is a problem that it takes time for changing the needle because of turning at a small turning angular velocity. This state is called a small angle.

この対応として、方位変化量が変針量より大きいと判断した場合、小角度対応として加速モードを減衰モードと通常モードとに分けて、減衰モードで初期値を減衰した後、次の通常モードでその間の方位変化と変針量との和を改めて変針量に置き換えて、加速モードの参照針路を求めるようにする。   As a response to this, if it is determined that the amount of azimuth change is greater than the amount of change of needle, the acceleration mode is divided into the attenuation mode and the normal mode as a small angle correspondence, and after the initial value is attenuated in the attenuation mode, The reference course in the acceleration mode is obtained by replacing the sum of the azimuth change and the change amount with the change amount again.

減衰モードを発生させるか否かの判定の具体的な計算は、まず、初期値に起因した方位変化量ψiniを求める。初期値に起因した方位変化量ψiniは、加速時間Taと加速定数βaとを求めると、(5式)、(6式)から The specific calculation for determining whether or not to generate the attenuation mode is performed by first obtaining the azimuth change amount ψ ini resulting from the initial value. The azimuth change amount ψ ini resulting from the initial value can be obtained from (Expression 5) and (Expression 6) by obtaining the acceleration time T a and the acceleration constant β a.

Figure 0005571743

で得られる。次いで、この方位変化量ψiniと変針量とを比較して、小角度対応するかどうかを決定する。
Figure 0005571743

It is obtained by. Next, the azimuth change amount ψ ini and the amount of change of needle are compared to determine whether or not to correspond to a small angle.

5.船体モデルの修正
以上の説明においては、フィードフォワード制御器12−2の伝達関数を、船体プラントの伝達関数P(s)の逆特性を有すると仮定して、具体的には、特許文献1で示すものと同じ(式1)を用いて解析している。
5. Modification of Hull Model In the above description, it is assumed that the transfer function of the feedforward controller 12-2 has an inverse characteristic of the transfer function P (s) of the hull plant. Analysis is performed using the same (Equation 1) as shown.

しかしながら、特許文献1の(式1)の野本の1次モデルを用いた船舶用自動操舵装置では、実船において変針後にオーバシュートを生じる場合がある。オーバシュートの原因は、実際の船体特性と制御系の船体モデルとの差異が無視できないことに起因すると考えられる。従って、適切な船体モデルを特定する必要がある。   However, in the marine automatic steering apparatus using the primary model of Nomoto of (Formula 1) in Patent Document 1, an overshoot may occur in the actual ship after the course is changed. The cause of the overshoot is considered to be that the difference between the actual hull characteristics and the hull model of the control system cannot be ignored. Therefore, it is necessary to specify an appropriate hull model.

図6は、参照針路及び参照針路の1階微分の変針応答の時間変化を表しており、参照針路ψRに対する船首方位ψの偏差誤差は、変針状態において無視できる程小さく、静定状態の開始時において偏差誤差はほぼゼロで、その後、オーバシュートを生じ、再びゼロに収斂している。参照角速度dψR/dtに対する旋回角速度dψ/dtの偏差誤差は、変針状態の終端時において加速モードで一致し、等速モードで誤差を生じ、減速モードでゼロに戻らず誤差を持ち、静定状態において開始時の誤差(初期値)がゼロに収斂する。よって、静定状態の方位のオーバシュート発生は、角速度初期値に起因していることと考えられる。 FIG. 6 shows the change over time of the reference course and the first-order differential change response of the reference course. The deviation error of the heading direction ψ with respect to the reference course ψ R is so small that it can be ignored in the course change state, and the start of the static state is started. At times, the deviation error is almost zero, then overshoot occurs and converges to zero again. The deviation error of the turning angular velocity dψ / dt with respect to the reference angular velocity dψ R / dt coincides in the acceleration mode at the end of the needle changing state, causes an error in the constant velocity mode, has an error not returning to zero in the deceleration mode, and has an error. In the state, the starting error (initial value) converges to zero. Therefore, it is considered that the occurrence of the overshoot in the azimuth direction in the static state is caused by the initial value of the angular velocity.

まず、モデルとして野本の1次モデルと2次モデルとを考える。
野本の2次モデルは、
First, consider Nomoto's primary model and secondary model as models.
Nomoto's secondary model is

Figure 0005571743
Figure 0005571743

として表される。ここで、δcは命令舵角を、Ks、Ts1、Ts2、Ts3は船体パラメータで旋回力ゲイン、3つの時定数を示す。船体パラメータの極性はTs2>0、Ts3>0で、安定船ではKs>0、Ts1>0、不安定性ではKs<0、Ts1<0である。時定数の大小関係は、|Ts1|>Ts3>Ts2となる。野本の1次モデルと2次モデルのそれぞれのブロック図を図7(a)、(b)にそれぞれ示す。同図でψ(0)、ψ’(0)、ψ'1(0)、ψ'2(0)は初期値を、r=dψ/dtを示す。 Represented as: Here, δ c indicates the command rudder angle, K s , T s1 , T s2 , and T s3 indicate hull parameters and turning force gain, and three time constants. The polarities of the hull parameters are T s2 > 0, T s3 > 0, K s > 0, T s1 > 0 for stable ships, and K s <0, T s1 <0 for instability. The magnitude relationship of the time constants is | T s1 |> T s3 > T s2 . Block diagrams of Nomoto's primary model and secondary model are shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), respectively. In the figure, ψ (0), ψ ′ (0), ψ ′ 1 (0), and ψ ′ 2 (0) indicate initial values and r = dψ / dt.

静定状態は、フィードバック制御器12−3による閉ループ応答になる。   The static state becomes a closed loop response by the feedback controller 12-3.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

ここで、KP、KDはフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインを示す。静定状態の初期条件は、 Here, K P and K D are feedback gains, which respectively indicate a proportional gain and a differential gain. The initial condition of the static state is

Figure 0005571743

と定める。ここで、ψR0は参照針路の変針量を示す。
Figure 0005571743

It is determined. Here, ψ R0 indicates the amount of change in the reference course.

(99式)を(98式)に代入すると、   Substituting (99) into (98),

Figure 0005571743

になる。但し、ψ'10=ψ'1(0)、ψ'20=ψ'2(0)としている。上式に静定状態の初期条件を当てはめると、
Figure 0005571743

become. However, ψ ′ 10 = ψ ′ 1 (0), ψ ′ 20 = ψ ′ 2 (0). When the initial condition of the static state is applied to the above equation,

Figure 0005571743

となる。ここで、特性多項式を実数a、減衰係数ζ及び固有周波数ωnで因数分解することができると仮定している。
Figure 0005571743

It becomes. Here, it is assumed that the characteristic polynomial can be factored with the real number a, the attenuation coefficient ζ, and the natural frequency ω n .

静定状態の応答は、上式から第1項が一定値になり、第2項が時定数Ts1とTs2の1次遅れ要素によるそれぞれψ'10、ψ'20との初期値応答になる。両者の初期値応答の差異は、分母の特性多項式が共通であるから、分子の係数及び初期値の大きさにより決定される。差異を調べるために、次式 The response in the static state is that the first term is a constant value from the above equation, and the second term is the initial value response of ψ ′ 10 and ψ ′ 20 by the first-order lag elements of the time constants T s1 and T s2 , respectively. Become. The difference between the two initial value responses is determined by the numerator coefficient and the magnitude of the initial value since the characteristic polynomial of the denominator is common. To examine the difference,

Figure 0005571743

を定める。ここで、Tcは時定数、Gはゲインを示す。上記の時間解は0<ζ<1とおく
と、
Figure 0005571743

Determine. Here, T c is a time constant, and G is a gain. If the above time solution is 0 <ζ <1,

Figure 0005571743

になる。ここで、
Figure 0005571743

become. here,

Figure 0005571743

を示す。(104式)より、応答の振幅およびピーク値はGの大きさに比例し、ピーク時間はsin項のみの場合に比べcos項の係数Aに比例して早まる。(101式)の特性方程式
Figure 0005571743

Indicates. From (Equation 104), the amplitude and peak value of the response are proportional to the magnitude of G, and the peak time is earlier in proportion to the coefficient A of the cos term than in the case of only the sin term. Characteristic equation of (101)

Figure 0005571743

から、実数aの近似解は時定数の大小関係|Ts1|>Ts3>Ts2より|Ts1|≫Ts2を用いると、
Figure 0005571743

From approximate solution time constant magnitude of the real a | T s1 |> T s3 > T s2 than | T s1 | With »T s2,

Figure 0005571743

になる。また、A,Bの分母は、a2−2ζωna+ωn 2=(a−ζωn2+ωn 2(1−ζ2)>0となる。ψ'10、ψ'20との初期値応答は、(104式)の特性により次のようになる。
Figure 0005571743

become. The denominators of A and B are a 2 −2ζω n a + ω n 2 = (a−ζω n ) 2 + ω n 2 (1−ζ 2 )> 0. The initial value responses of ψ ′ 10 and ψ ′ 20 are as follows according to the characteristics of (Equation 104).

・初期値ψ'10の場合
c=Ts2、G=ψ'10よりA≒0、B≒1に近似できる。応答は(104式)において、sin項が支配的になり、1次モデルの場合とほぼ同じになる。これにより、ψ'10≒ψ'0となる。
・初期値ψ'20の場合
c=Ts3、G=ψ'20s3/Ts1よりA>0、B<1になる。応答は初期値ψ'10の場合に比べて、ピーク値がψ'20≒ψ'10を仮定して、
In the case of the initial value ψ ′ 10 , T c = T s2 and G = ψ ′ 10 can be approximated to A≈0 and B≈1. In (Equation 104), the response is almost the same as in the case of the primary model, with the sine term dominant. As a result, ψ ′ 10 ≈ψ ′ 0 .
In the case of the initial value ψ ′ 20 , A> 0 and B <1 from T c = T s3 and G = ψ ′ 20 T s3 / T s1 . Assuming that the peak value is ψ ′ 20 ≒ ψ ′ 10 compared to the case of the initial value ψ ′ 10 ,

Figure 0005571743

になるため減少し、ピーク時間が早まる。
Figure 0005571743

The peak time is shortened.

これにより、静定状態の初期値応答は時定数Ts2に起因したものより時定数Ts1に起因したものが支配的になる。よって、初期値ψ'20に対応する時定数Ts2の1・BR>汳Xれ要素は2次モデルの分母から省略することができる。一方で、2次モデルの分子の時定数Ts3はオーバシュートの発生抑制のために存在する必要がある。 Thereby, the initial value response in the static state is dominant due to the time constant T s1 than from the time constant T s2 . Therefore, the 1 · BR> 汳 X deviation element of the time constant T s2 corresponding to the initial value ψ ′ 20 can be omitted from the denominator of the secondary model. On the other hand, the time constant T s3 of the second-order model molecule needs to be present to suppress the occurrence of overshoot.

そこで、本発明では、船体モデルとして図8に示すように、   Therefore, in the present invention, as shown in FIG.

Figure 0005571743

を採用し、フィードフォワード制御器12−2の伝達関数は、その逆数の特性となるように、
Figure 0005571743

So that the transfer function of the feedforward controller 12-2 has a reciprocal characteristic.

Figure 0005571743

と設定し、時定数Ts3を更なる船体パラメータとする。
Figure 0005571743

And set the time constant T s3 as a further hull parameter.

しかしながら、軌道演算部12−1の構成は変更せずに、前項1〜4で説明してきたように、1次モデルを用いて演算を行なう。なぜならば、設定された最大舵角及び最大舵速度は、時定数Ts3の存在によるローパスフィルタ効果で抑制されるため、操舵機への要求が低減される方向になるからであり、また、船体運動の初期値に対する変化はないからである。 However, the configuration of the trajectory calculation unit 12-1 is not changed, and the calculation is performed using the primary model as described in the previous items 1 to 4. This is because the set maximum rudder angle and maximum rudder speed are suppressed by the low-pass filter effect due to the presence of the time constant T s3 , so that the demand on the steering machine is reduced. This is because there is no change to the initial value of movement.

6.軌道演算部の処理
軌道演算部12−1で行なわれる処理について図9ないし図11のフローチャートに基づき説明する。
6). Process of Trajectory Calculation Unit The process performed by the trajectory calculation unit 12-1 will be described with reference to the flowcharts of FIGS.

ステップS10:まず、変針条件が入力される。変針条件は、所望される変針量Δψ0、指定旋回角速度r0、船体運動の初期値C1a、C2a、船体パラメータのノミナル値Tsn、Ksn、許容舵角δ0、舵速度の上限値δ'RH、下限値δ'RLなどがある。 Step S10: First, a needle changing condition is input. The course changing conditions are a desired course changing amount Δψ 0 , a specified turning angular velocity r 0 , initial values C 1a and C 2a of the hull motion, nominal values T sn and K sn of the hull parameters, an allowable steering angle δ 0 and an upper limit of the steering speed. There is a value δ ′ RH , a lower limit value δ ′ RL, and the like.

船体運動の初期値C1a、C2aは、変針開始時に変針中であったときの前回の変針に対して軌道演算部で演算を行った参照針路の2階微分と1階微分との変針開始時の値から求めることとする。即ち、前回の変針時における時間t'で次の変針の設定があったときに、初期値は、前回の変針時の参照針路の2階微分ψ"R(t')=C1aと1階微分ψ'R(t')=C2aとする。これにより、ノイズの影響を受けない初期値を得ることができる。 The initial values C 1a and C 2a of the hull movement are the start of the course change between the second and first order differentials of the reference course that was calculated by the trajectory calculation unit for the previous course when the course was being changed at the start of the course change. It is determined from the time value. That is, when the next course change is set at time t ′ at the previous course change, the initial value is the second-order derivative ψ ″ R (t ′) = C 1a of the reference course at the previous course change and the first floor. Differentiating ψ ′ R (t ′) = C 2a , whereby an initial value that is not affected by noise can be obtained.

ステップS12:次いで、変数の設定を行なう。舵速度の制限値δ'RH、δ'RLに対する図4に示す変針領域の設定を行う。このときには、ΔψRL、ΔψRHは(56式)(58式)から求めることができる。 Step S12: Next, variables are set. 4 is set for the steering speed limit values δ ′ RH and δ ′ RL . At this time, Δψ RL and Δψ RH can be obtained from (Expression 56) and (Expression 58).

ステップS14:次いで、船体運動の初期値を減衰させる、即ち小角度対応を行なうか否かを判定する。具体的には、方位変化量ψiniと変針量Δψ0の比較を行なう。(97式)から方位変化量を求める。尚、(97式)における加速時間Taと加速定数βaは、rR=0、δ'Rは制限値(上限値または下限値)として(66式)及び(64式)から求められたものを用いる。 Step S14: Next, it is determined whether or not the initial value of the hull motion is attenuated, that is, the small angle correspondence is performed. Specifically, the azimuth change amount ψ ini and the needle change amount Δψ 0 are compared. The azimuth change amount is obtained from (Equation 97). The acceleration time T a and the acceleration constant β a in (Equation 97) were obtained from (Equation 66) and (Equation 64) as r R = 0 and δ ′ R as a limit value (upper limit value or lower limit value). Use things.

ステップS20:減衰モードを実行せずに通常モードのみを行なう場合、以下で説明する参照針路の計算を行なう。   Step S20: When only the normal mode is performed without executing the attenuation mode, the reference course described below is calculated.

ステップS40:減衰モードを実行する場合には、以下で説明する初期値の減衰と変針量の計算を行なう。ステップS40の後、ステップS20の参照針路の計算を行なう。   Step S40: When executing the attenuation mode, the attenuation of the initial value and the amount of change of the needle described below are calculated. After step S40, the reference course in step S20 is calculated.

次に、加速モードの通常モードの場合の参照針路の計算は、図10に示すフローチャートに基づき行ない、所望される変針量、設定の角速度及び初期値とから参照針路を求める。   Next, the calculation of the reference course in the normal mode of the acceleration mode is performed based on the flowchart shown in FIG. 10, and the reference course is obtained from the desired amount of change of needle, the set angular velocity, and the initial value.

ステップS22:変針量Δψ0、角速度r0及び船体運動の初期値C1a、C2aの入力を行なう。そのため、ノイズの影響を受けない初期値を得ることができる。 Step S22: The change amount Δψ 0 , the angular velocity r 0 and the initial values C 1a and C 2a of the hull motion are input. Therefore, an initial value that is not affected by noise can be obtained.

ステップS24:初期値C1a、C2aを用いずに、変針量ΔψRに対する舵速度δ'Rと角速度rRを求める。 Step S24: the initial value C 1a, without using a C 2a, obtains the steering speed [delta] 'R and the angular velocity r R for veering amount [Delta] [phi] R.

即ち、与えられた変針量ΔψRに対してステップS12で設定された図4の変速領域のいずれの領域に属するかを判定し、該当する舵速度δ'Rを求める。また、旋回角速度を(61式)を用いて求める。旋回角速度が指定旋回角速度r0を超えるときには角速度rR=sign(ψR)r0とする。 That is, it is determined which one of the shift regions in FIG. 4 set in step S12 with respect to the given change amount Δψ R and the corresponding steering speed δ ′ R is obtained. Further, the turning angular velocity is obtained using (Equation 61). When the turning angular velocity exceeds the specified turning angular velocity r 0 , the angular velocity r R = sign (ψ R ) r 0 is set.

ステップS26:加速、等速、減速の各モードの計算を行なう。各モードの定数を求める。加速モードについては、最大舵角を許容舵角以下にする条件で初期値を減衰させ、且つ終端時の旋回角速度を基準角速度rRに一致させるように設定する。但し、基準角速度rRについては、表4に示した条件を判定し、C2a>rRでC1a<0の場合、及びC2a<rRでC1a>0の場合には(91式)の修正を行う。 Step S26: Calculate acceleration, constant speed, and deceleration modes. Find the constant for each mode. For acceleration mode attenuates the initial value under the condition that the maximum steering angle equal to or less than the allowable steering angle, and sets the turning angular velocity during termination to match the reference velocity r R. However, for the reference angular velocity r R , the conditions shown in Table 4 are determined. When C 2a > r R and C 1a <0, and when C 2a <r R and C 1a > 0, ).

また、加速時間Taと加速定数βaは、(66式)及び(64式)から求められたものを用いるが、(93式)または(95式)で求めた舵角δRが設定値である許容舵角を超えてしまう場合には、(94式)または(96式)よりTaを求め、(64式)から加速定数βaを、(11式)から角速度rRを求める。 The acceleration time T a and the acceleration constant β a are obtained from (Expression 66) and (Expression 64), and the rudder angle δ R determined by (Expression 93) or (Expression 95) is the set value. When the allowable steering angle is exceeded, T a is obtained from (Equation 94) or (Equation 96), the acceleration constant β a is obtained from (Equation 64), and the angular velocity r R is obtained from (Equation 11).

変針量ΔψRと各モードの変針量の総和との誤差は等速時間を修正することで、打ち消す。即ち等速時間は、 The error between the amount of needle change Δψ R and the sum of the amount of needle change in each mode is canceled by correcting the constant velocity time. That is, the constant speed time is

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

になる。ここで、Δψ0、ΔψRa、ΔψRv、ΔψRdは変針量でそれぞれ設定値、加速、等速、減速のモードの変針量を表し、(・)*は修正値を、Tvは等速時間を、rRは角速度を表す。 become. Here, Δψ 0 , Δψ Ra , Δψ Rv , Δψ Rd are the amount of change of the needle, the set value, acceleration, constant speed, and deceleration of the mode, respectively, (•) * is the correction value, and T v is the constant speed. Time, r R represents angular velocity.

ステップS28:等速時間が負でなく、角速度が基準角速度(ステップS24で求めた角速度)になったかどうかを判定する。判定は等速時間がゼロ以上であり、且つ角速度と基準角速度との絶対値の誤差が収束値ε以下のときに次のステップに進み、そうでないときに繰り返しループに戻る。   Step S28: It is determined whether the constant velocity time is not negative and the angular velocity has become the reference angular velocity (angular velocity obtained in step S24). The determination proceeds to the next step when the constant velocity time is zero or more and the error of the absolute value between the angular velocity and the reference angular velocity is equal to or smaller than the convergence value ε, and returns to the loop repeatedly when not.

ステップS30:ステップS28で判定がnoである場合、累積変針量と初期値との更新を行なう。加速モードによる方位変化を変針量に加えて、加速モードの終了時の角速度を角速度の初期値に置き換える。即ち、   Step S30: If the determination is no in step S28, the cumulative amount of needle change and the initial value are updated. An azimuth change in acceleration mode is added to the amount of change of needle, and the angular velocity at the end of acceleration mode is replaced with the initial value of angular velocity. That is,

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。ここで、Δψ* 0は修正変針量を、ΣΔψRaは加速モードの累積値をそれぞれ示す。
Figure 0005571743

become. Here, Δψ * 0 indicates the corrected amount of change in needle, and ΣΔψ Ra indicates the cumulative value in the acceleration mode.

次に、減衰モードは、図11に示すフローチャートに基づき行ない、変針量を考慮しないで舵速度を制限値として初期値の絶対値をゼロに漸近させ、その過程で生じた方位変化を蓄積する。   Next, the damping mode is performed based on the flowchart shown in FIG. 11, and the absolute value of the initial value is made asymptotic to zero with the steering speed as a limit value without considering the amount of change of the needle, and the azimuth change generated in the process is accumulated.

ステップS42:船体運動の初期値の入力と基準角速度ゼロの設定を行なう。
ステップS44:加速モードの角速度終端値と変針量(97式)との計算を行なう。
ステップS46:角速度終端値がゼロか否かの判定を行なう。判定は、終端値の絶対値が収束値ε以下のときに次のステップに進み、そうでないときに繰り返しループに戻る。
ステップS48:ステップ30と同様の処理を行なう。
Step S42: The initial value of the hull motion is input and the reference angular velocity is set to zero.
Step S44: The acceleration mode angular velocity end value and the needle change amount (Equation 97) are calculated.
Step S46: It is determined whether or not the angular velocity end value is zero. The determination proceeds to the next step when the absolute value of the terminal value is equal to or smaller than the convergence value ε, and returns to the loop repeatedly when not.
Step S48: The same processing as step 30 is performed.

以上のようにして演算された参照針路は、順次、フィードフォワード制御器12−2に出力されて、そこで、フィードフォワード舵角δFFが演算されて、フィードバック制御器12−3からのフィードバック舵角δFBが加算器12−5で加算された後、操舵機16へと出力される。参照針路は、Ksn、Tsnを基準に計算しているが、船体モデルは(109式)Ts3nを含むために、フィードフォワード制御器12−2における演算にあたっては、(110式)で示すように、参照針路はTs3nの1次遅れ系を通過させた時間関数解とする。これによって、変針時のオーバシュートを防止する。 The reference course calculated as described above is sequentially output to the feedforward controller 12-2, where the feedforward steering angle δ FF is calculated, and the feedback steering angle from the feedback controller 12-3 is calculated. δ FB is added by the adder 12-5 and then output to the steering device 16. The reference course is calculated based on K sn and T sn , but since the ship model includes T s3n (Equation 109), the calculation in the feedforward controller 12-2 is expressed as (Equation 110). Thus, the reference course is a time function solution that has passed through a first-order lag system of T s3n . As a result, overshoot at the time of changing the needle is prevented.

図12及び図13は、様々な条件におけるシミュレーション結果を示している。図12は、不安定船の大角度変針時を表しており、Δψ0=−15deg、C1a=0.01deg/s2、C2a=0.3deg/sの条件で、1回の加速モードでは基準旋回角速度に収束できないために2回の加速モードを組み合わせている例である。図13(A)は安定船の小角度変針時を表しており、Δψ0=0deg、C1a=0deg/s2、C2a=0.9deg/sの条件で、2回の減衰モードで初期値を減衰させた後、1回の通常モードで基準角速度に収束させている例である。図13(B)は不安定船の小角度変針時を表しており、Δψ0=0deg、C1a=0deg/s2、C2a=−0.8deg/sの条件で、7回の減衰モードで初期値を減衰させた後、1回の通常モードで基準角速度に収束させている例である。 12 and 13 show simulation results under various conditions. FIG. 12 shows a large angle change of an unstable ship. One acceleration mode is performed under the conditions of Δψ 0 = −15 deg, C 1a = 0.01 deg / s 2 , and C 2a = 0.3 deg / s. In this example, two acceleration modes are combined because they cannot converge to the reference turning angular velocity. FIG. 13 (A) shows a small angle change of the stable ship, and it is initial in two decay modes under the conditions of Δψ 0 = 0 deg, C 1a = 0 deg / s 2 , C 2a = 0.9 deg / s In this example, the value is attenuated and converged to the reference angular velocity in one normal mode. FIG. 13B shows a small angle change of an unstable ship. Seven attenuation modes are performed under the conditions of Δψ 0 = 0 deg, C 1a = 0 deg / s 2 , and C 2a = −0.8 deg / s. This is an example in which the initial value is attenuated in step 1 and then converged to the reference angular velocity in one normal mode.

7.等減速比の変形例
以上の説明では、等減速比を前掲2.3章で説明したように固定値で設計し、これによって、加速・等速・減速の釣合を重視している。しかしながら、この設計では、大きな変針でないと、角速度rを指定旋回角速度rに一致させることができない。
7). In the above description, the constant reduction ratio is designed with a fixed value as described in the previous section 2.3, and this places importance on the balance between acceleration, constant speed, and deceleration. However, in this design, if not a major veering, it is impossible to match the angular speed r R in the specified turning angular velocity r 0.

そこで、等減速比を固定から可変とした変形例に基づく軌道演算部12−1を図14に示す。軌道演算部12−1は、等減速比演算部12−1−1と、参照針路演算部12−1−2とから構成し、参照針路演算部12−1−2は、図1の軌道演算部12−1と同じ作用を果たすものとする。等減速比演算部12−1−1では、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2aをゼロとして旋回角速度rRを求め、その際に、旋回角速度rRが指定旋回角速度r0に等しいと仮定したときに、舵角δRが許容舵角δ0以下の条件を満足するときに、旋回角速度rRを指定旋回角速度r0に決定し、該条件を満足しないときに、舵角δRと許容舵角δ0との偏差を最も小さくする角速度を旋回角速度rRに決定し、それを新たな指定旋回角速度とする。そして、その決定された指定旋回角速度における最大舵速度δR’を舵速度上限値とする。 FIG. 14 shows a trajectory calculation unit 12-1 based on a modification in which the constant reduction ratio is changed from fixed to variable. The trajectory calculation unit 12-1 includes an equal reduction ratio calculation unit 12-1-1 and a reference course calculation unit 12-1-2, and the reference course calculation unit 12-1-2 includes the trajectory calculation of FIG. It shall perform the same action as the part 12-1. In equal speed reduction ratio calculating unit 12-1-1 obtains a turning angular velocity r R the initial value C 2a of the turning angular velocity as the initial value C 1a of the slewing angular acceleration of veering beginning zero, at that time, the turning angular velocity r R Is assumed to be equal to the specified turning angular velocity r 0 , the turning angular velocity r R is determined as the specified turning angular velocity r 0 when the steering angle δ R satisfies the condition of the allowable steering angle δ 0 or less. When not satisfied, the angular velocity that minimizes the deviation between the steering angle δ R and the allowable steering angle δ 0 is determined as the turning angular velocity r R , and is set as a new designated turning angular velocity. Then, the maximum steering speed δ R ′ at the determined designated turning angular speed is set as the steering speed upper limit value.

そして、舵角δRが許容舵角δ0以下の条件を満足するかどうかを判定するときに、等減速比Rvdを変化させながら、条件を満足するかを判定する。そして等減速比Rvdを変化させても舵角条件を満足しない場合には、角速度rRを変化させて、舵角条件を満足させる角速度rRを見つける。等減速比演算部12−1−1で行う具体的処理について以下、説明する。 Then, when determining whether or not the steering angle δ R satisfies the condition of the allowable steering angle δ 0 or less, it is determined whether or not the condition is satisfied while changing the equal reduction ratio R vd . If the steering angle condition is not satisfied even if the equal reduction ratio R vd is changed, the angular velocity r R is changed to find the angular velocity r R that satisfies the steering angle condition. Specific processing performed by the equal reduction ratio calculation unit 12-1-1 will be described below.

7.1 準備
ここで、今までの説明に登場し、且つ以下の説明で用いる関係式を整理する。この等減速比演算部12−1−1においては初期値C1a、C2aを考慮しない関係式を使用する。
7.1 Preparation Here, the relational expressions that have appeared in the above explanation and are used in the following explanation are arranged. In this equal reduction ratio calculation unit 12-1-1, a relational expression that does not consider the initial values C 1a and C 2a is used.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

であり、Cψ、CRは、(30式)、(60式)から
Figure 0005571743

And a, Cψ, C R is (30 type), from (60 type)

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

である。
Figure 0005571743

It is.

7.2 最大舵角で等減速比Rvd≧0が実現できる角速度
舵速度の制限がなしとして、許容舵角δ0、等減速比Rvd≧0で実現できる指定旋回角速度r0を求める。(119式)のrをr0に、(120式)のδRをδにそれぞれ置き換えると、Rvdの2次方程式
7.2 Angular speed at which the constant reduction ratio R vd ≧ 0 can be realized at the maximum steering angle Assuming that the steering speed is not limited, an allowable steering angle δ 0 and a specified turning angular speed r 0 that can be realized at the constant reduction ratio R vd ≧ 0 are obtained. When r R in (Equation 119) is replaced with r 0 and δ R in (Equation 120) is replaced with δ 0 , respectively, a quadratic equation of R vd is obtained.

Figure 0005571743

を得る。ここで、各係数は、以下の通りである。
Figure 0005571743

Get. Here, each coefficient is as follows.

Figure 0005571743
Figure 0005571743

判別式D=b2−4ac≧0のとき、r0は実現し、D<0のとき、r0は実現しない。D<0になるときには、D=c −1/4=0を満足するr0が実現できる角速度となる。まとめると、許容舵角の下で実現できる角速度は、 When the discriminant D = b 2 -4ac ≧ 0, r 0 is realized, and when D <0, r 0 is not realized. When D <0, r 0 that satisfies D = c 1 2 −1 / 4 = 0 is an angular velocity that can be realized. In summary, the angular velocity that can be achieved under the allowable steering angle is

Figure 0005571743

により決まる。
Figure 0005571743

It depends on.

7.3 許容舵速度で等減速比Rvd≧0が実現できる角速度
さらに、許容舵速度δ’、最大舵角の制限なし、等減速比Rvd≧0で実現できる角速度rを求める。δに対応するCRをCR0とすると、
7.3 Angular speed at which the constant reduction ratio R vd ≧ 0 can be realized with the allowable steering speed Further, the allowable steering speed δ 0 ′, the maximum steering angle is not limited, and the angular speed r R that can be realized with the constant reduction ratio R vd ≧ 0 is obtained. If C R corresponding to δ 0 is C R0 ,

Figure 0005571743

になる。等減速比Rvd maxがεより小さいときには、rは実現できないので、その場合には、角速度r
Figure 0005571743

become. When the constant reduction ratio R vd max is smaller than ε, r R cannot be realized. In this case, the angular velocity r R is set to

Figure 0005571743

のように下げる。ここで、εは10−3程度の設定値とする。まとめると、
Figure 0005571743

Lower like. Here, ε is set to about 10 −3 . Summary,

Figure 0005571743

となる。
Figure 0005571743

It becomes.

7.4 最大舵角との比較
上記(130式)、(131式)で決めたRvd、rRとしたときに舵角の最大値が許容舵角δ0を超えていないかどうかを確認する。具体的には、(130式)、(131式)で決めたRvd、rRを用いて、(116)式、(117)式、(119)式から舵速度δR’を求め、求めた舵速度δR’を用いて、(120式)から舵角δRを求め、求めた舵角δRと許容舵角δ0との比較を行い、δR≦δ0であれば、7.7の手順に進む。δR>δ0であれば、まず、優先度の最も低いRvd>0を調整して変針条件に適合させ、次いで、優先度がRvdの次に低いrRを調整して変針条件に適合させる。そのための準備として、まず、舵角δRの等減速比Rvdに関する特性及び角速度rRに関する特性をそれぞれ調べる。
7.4 Comparison with the maximum rudder angle Check whether the maximum rudder angle value does not exceed the allowable rudder angle δ 0 when R vd and r R determined in (Expression 130) and (Expression 131) above. To do. Specifically, the rudder speed δ R ′ is obtained from the equations (116), (117), and (119) using R vd and r R determined in (130) and (131). Using the obtained steering speed δ R ′, the steering angle δ R is obtained from (Equation 120), the obtained steering angle δ R is compared with the allowable steering angle δ 0, and if δ R ≦ δ 0 , 7 is obtained. Proceed to step 7. If δ R > δ 0 , first, R vd > 0 having the lowest priority is adjusted to meet the changing condition, and then r R having the second lowest priority after R vd is adjusted to satisfy the changing condition. Adapt. As preparation for that, first, the characteristic regarding the equal reduction ratio R vd of the steering angle δ R and the characteristic regarding the angular velocity r R are examined.

7.4.1 舵角δRの等減速比Rvdに関する特性
(119式)を(120式)に代入して、δRのRvdに関する一次微分、二次微分を求める。すると、
7.4.1 Characteristic relating to equal reduction ratio R vd of steering angle δ R (Equation 119) is substituted into (Equation 120) to obtain the first and second derivatives of R vd of δ R. Then

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

となり、これにより、δRはRvdに関して下に凸関数で、極小値は、
Figure 0005571743

Thus, δ R is a downward convex function with respect to R vd , and the local minimum is

Figure 0005571743

のとき生じることが分かる。変針条件によってRvdmin<0になる場合が生じるが、その場合は条件Rvd>εから単調増加の関数として扱う。
Figure 0005571743

It can be seen that In some cases, R vdmin <0 occurs depending on the needle changing condition. In this case, the condition R vd > ε is treated as a monotonically increasing function.

7.4.2 舵角δRの角速度rRに関する特性
同様に、(119式)を(120式)に代入して、δRのrRに関する一次微分、二次微分を求める。すると、
7.4.2 Characteristics related to angular velocity r R of steering angle δ R Similarly, (119) is substituted into (120), and the first and second derivatives of δ R with respect to r R are obtained. Then

Figure 0005571743
Figure 0005571743

Figure 0005571743

になる。これにより、δRはrRに関して単調増加の関数であることが分かる。
Figure 0005571743

become. This shows that δ R is a monotonically increasing function with respect to r R.

7.5 等減速比Rvdの調整
前述のように、等減速比RvdがRvdminのときδRは最小値となり、また、δ0’になるときのRvdmaxのときにδRは最大値となる。図15は、横軸を等減速比Rvdとし、縦軸を舵速度δR’、舵角δRと変針時間Ttである。舵角δRはRvdminで最小値となり、Rvdmaxでδ0となる。従って、変針時間Ttを短くし、解を1つにするために、Rvdの探索範囲は、[Rvdmin,Rvdmax]とし、この範囲でδRとδ0との誤差を最小にするRvdを黄金分割等の任意の手法により求める。
As adjust the aforementioned 7.5 mag reduction ratio R vd, etc reduction ratio R vd becomes minimum [delta] R when R Vdmin, also, maximum [delta] R when R Vdmax when becomes [delta] 0 ' Value. In FIG. 15, the horizontal axis represents the equal reduction ratio R vd , and the vertical axis represents the steering speed δ R ′, the steering angle δ R, and the needle changing time T t . Steering angle [delta] R becomes minimum at R Vdmin, a [delta] 0 in R Vdmax. Therefore, in order to shorten the needle change time T t and make one solution, the search range of R vd is [R vdmin , R vdmax ], and the error between δ R and δ 0 is minimized within this range. R vd is obtained by an arbitrary method such as golden section.

7.6 角速度rRの調整
7.5で得られたRvdを用いて、7.4の手順を用いて、舵角δRを求め、舵角δRが許容舵角δ0との比較を行い、δR≦δ0であれば、7.7の手順に進む。δR>δ0であれば、範囲[0,rR]で、δRとδ0との誤差を最小にする角速度rR を黄金分割等の任意の手法により求める。
7.6 Adjustment of Angular Speed r R Using R vd obtained in 7.5, the steering angle δ R is obtained using the procedure of 7.4, and the steering angle δ R is compared with the allowable steering angle δ 0. If δ R ≦ δ 0 , proceed to step 7.7. If δ R > δ 0 , the angular velocity r R that minimizes the error between δ R and δ 0 in the range [0, r R ] is obtained by an arbitrary method such as golden section.

7.7
以上の手順で決定した等減速比Rvd、角速度rR、舵速度δR’を用い、角速度rR、舵速度δR’をそれぞれ変針条件の指定旋回角速度r0、舵速度の上限値δRH’とし、下限値δRL’=δRH’×0.5として、参照針路演算部12−1−2に入力する。参照針路演算部12−1−2は、前述の6.軌道演算部の処理を実行する。舵速度の上限値δRH’は、許容舵速度δ’以下となる。
「6.軌道演算部の処理」におけるステップS24では、変針領域Smallになり、舵速度はδRH’となるため、角速度rRは指定旋回角速度r0を実現できることになる。
図16はそのシミュレーション結果であり、図16(A)は等減速比Rvd=2.23の一定とした場合、(B)は等減速比Rvdを可変とした場合である。等減速比Rvdを可変とすることによって、角速度rRを指定旋回角速度r0に一致させることができる。
7.7
Using the equal reduction ratio R vd , angular velocity r R , and rudder speed δ R ′ determined by the above procedure, the angular speed r R and the rudder speed δ R ′ are respectively set to the specified turning angular velocity r 0 and the upper limit value δ of the rudder speed in the changing condition. As RH ′, the lower limit value δ RL ′ = δ RH ′ × 0.5 is input to the reference course calculation unit 12-1-2. The reference course calculation unit 12-1-2 is the same as the above-described 6. The process of the trajectory calculation unit is executed. The upper limit value δ RH ′ of the steering speed is equal to or less than the allowable steering speed δ 0 ′.
At step S24 in the "6 process trajectory calculation unit", this veering area Small, since the steering speed becomes [delta] RH ', the angular velocity r R will be possible to realize a specified turning angular velocity r 0.
FIG. 16 shows the simulation results. FIG. 16A shows the case where the constant reduction ratio R vd is constant at 2.23, and FIG. 16B shows the case where the constant reduction ratio R vd is variable. By making the constant reduction ratio R vd variable, the angular velocity r R can be matched with the designated turning angular velocity r 0 .

8.増減速時のロバスト性向上
プロペラと舵との位置関係は図17に示すように前後に並んでおり、プロペラによる伴流が舵回りに沿って行くようになっている。操縦性指数の旋回力ゲインKsは舵回りの流速に比例するので、プロペラの回転数あるいはピッチ角が変化すると旋回力ゲインも同様に変化する。一方、船体の速度は大きな時定数の一次遅れ系のためにゆっくりと変化する。そのため伴流速度と船速との応答差が生じ、船速により旋回力ゲインを修正したとしてもその効果が期待できず、変針量および角速度は図18(a)に示すように推進力変化前の設定値を保持できない、という問題を発生する。また操縦性指数の時定数は、伴流の影響よりも船体と船速との関係によって支配される傾向をもつ。したがって増減速開始から定常船速に達するまで操縦性指数の時定数は一次遅れのゆっくりした変化になり、旋回力ゲインはそれに比べ迅速に変化する。よって旋回力ゲインのパラメータ不確かさに対する変針制御系のロバスト性の向上が課題になる。
8). Robustness improvement at the time of acceleration / deceleration The positional relationship between the propeller and the rudder is lined up and down as shown in FIG. 17, and the wake by the propeller follows the rudder. Since the turning force gain K s of the maneuverability index is proportional to the flow speed around the rudder, the turning force gain changes in the same manner when the rotation speed or pitch angle of the propeller changes. On the other hand, the speed of the hull changes slowly due to the first-order lag system with a large time constant. For this reason, a response difference between the wake speed and the ship speed occurs, and even if the turning force gain is corrected by the ship speed, the effect cannot be expected, and the amount of change of needle and the angular speed are as shown in FIG. This causes a problem that the set value cannot be retained. The time constant of the maneuverability index tends to be governed by the relationship between the hull and the ship speed rather than the influence of the wake. Therefore, from the start of acceleration / deceleration until the steady ship speed is reached, the time constant of the maneuverability index changes slowly with a first-order delay, and the turning force gain changes more quickly than that. Therefore, the improvement of the robustness of the needle changing control system with respect to the parameter uncertainty of the turning force gain becomes an issue.

8.1 解決方法
船速は図17から船体に取り付けた速度計によって得られるが、伴流速度は直接に得られない。両者の時間応答は図19に示すように、伴流速度の方が船速の方より立上り時間が早いことが予想される。伴流速度の定常値は圧力差から船速のそれより高い。したがって船速変化時の旋回力ゲインは既に伴流速度が定常値に近づいている状態で実施されるので、伴流速度変化による旋回力ゲインを修正することは難しい。
8.1 Solution The ship speed can be obtained from the speedometer attached to the hull from Fig. 17, but the wake speed cannot be obtained directly. As shown in FIG. 19, the time response of both is expected to be faster at the wake speed than at the ship speed. The steady value of the wake speed is higher than that of the ship speed from the pressure difference. Therefore, since the turning force gain at the time of ship speed change is implemented in the state where the wake speed is already close to the steady value, it is difficult to correct the turning force gain due to the change in the wake speed.

そこで、増減速時のスラスト変化が方位偏差となって表れる現象を利用して、旋回力ゲインの変化に伴う方位誤差または角速度誤差を低減する。変針応答はフィードバックによるものでなくフィードフォワードによるものが支配的であるから、対策はフィードフォワードに対して施す。   Therefore, the azimuth error or angular velocity error associated with the change in the turning force gain is reduced by utilizing a phenomenon in which the thrust change during acceleration / deceleration appears as an azimuth deviation. Since the change-over response is not based on feedback but based on feedforward, countermeasures are taken against feedforward.

参照針路ψRから船首方位ψまでの応答の方位比ψ/ψRは図18(a)を参照すると図18(b)のようになる。方位比は増速時で1以上に減速時で1以下になる。
方位比つまり伝達関数は、推進力変化に対する閉ループ応答がゆっくりなので無視すると、
The azimuth ratio ψ / ψ R of the response from the reference course ψ R to the bow azimuth ψ is as shown in FIG. 18B when referring to FIG. The azimuth ratio is 1 or more during acceleration and 1 or less during deceleration.
Azimuth ratio, or transfer function, is ignored because the closed-loop response to propulsion changes is slow,

Figure 0005571743

の様に旋回力ゲイン比と等価になる。ここで、添字()aは実際値、()nはノミナル値を表しており、また、推進力変化は、プロペラ回転数に相当し、プロペラの下流部にある舵に作用するので、操縦性指数のうち、時定数Tsa、Ts3aへの影響を無視し、旋回力ゲインKsaに影響すると定め、Tsn=Tsa、Ts3n=Ts3aとする。これよりψ=ψRとするために、方位比
Figure 0005571743

This is equivalent to the turning force gain ratio. Here, the subscript () a represents the actual value, and () n represents the nominal value, and the propulsive force change corresponds to the propeller rotation speed and acts on the rudder downstream of the propeller. Of the exponents, the influence on the time constants T sa and T s3a is ignored and it is determined that the turning force gain K sa is affected, and T sn = T sa and T s3n = T s3a . From this, in order to set ψ = ψ R , the orientation ratio

Figure 0005571743

をフィードフォワード舵角δFFに掛けることによって、推進力変化を起因とする方位誤差を低減する。
Figure 0005571743

Is multiplied by the feedforward steering angle δ FF to reduce the azimuth error caused by the change in propulsive force.

8.2 構成
図20は、増減速時のロバスト性向上を行った変形例の構成を表すブロック図である。図示したように、フィードフォワード制御器12−2の後段に、方位比乗算器12−6を備え、さらに、方位比演算部12−7、方位比制限部12−8を備えている。
方位比乗算器12−6は、フィードフォワード制御器12−2から出力されるフィードフォワード舵角δFFに方位比RKを乗算するものである。
8.2 Configuration FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of a modified example in which robustness is improved during acceleration / deceleration. As shown in the figure, an azimuth ratio multiplier 12-6 is provided downstream of the feedforward controller 12-2, and an azimuth ratio calculation unit 12-7 and an azimuth ratio restriction unit 12-8 are further provided.
Orientation ratio multiplier 12-6 is for multiplying the orientation ratio R K feedforward steering angle [delta] FF output from the feedforward controller 12-2.

方位比演算部12−7は、方位比乗算器12−6で用いる方位比RKを演算するものである。(138式)を直接使用すると、方位が360度発信となり扱いにくいので、方位偏差ψe=ψR−ψを用いて(参照針路ψRはゼロからの変針量とする) Orientation ratio calculation unit 12-7 is for calculating the orientation ratio R K used in the orientation ratio multiplier 12-6. If (Expression 138) is used directly, the azimuth is 360 degrees and it is difficult to handle, so the azimuth deviation ψ e = ψ R −ψ is used (the reference course ψ R is the amount of change from zero).

Figure 0005571743

の関係を使用してRKを求める。ここでRKの初期値は1である。
Figure 0005571743

Seek R K by using the relationship. Here, the initial value of R K is 1.

さらに、パタメータ不確かさ、ノイズ成分などによる影響を低減するために方位比制限部12−8で方位比乗算器12−6の方位比RKの変更に制限を掛ける。制限は、RKの変更に不感帯を設けることで行う。不感帯はパタメータ不確かさなどから10%から30%とするとよい。例えば、不感帯を10%とすると、初期値RK=1であるときに、しきい値Slash Hold Value SHV=0.1となり、方位比演算部12−7で求められた方位比RKが0.9未満、または1.1より超えたときに、方位比乗算器12−6の方位比RKを書き換える。
推進力変化に伴い船速も変化すると、船速修正が行われる。即ち、
Furthermore, Patameta uncertainty applies a limit to the change of the orientation ratio R K orientation ratio multiplier 12-6 orientation ratio limit unit 12-8 in order to reduce such by the influence the noise component. Limiting is performed by providing a dead zone to change the R K. The dead zone may be 10% to 30% due to parameter uncertainty. For example, when the dead zone is 10%, the threshold value Slash Hold Value SHV = 0.1 when the initial value R K = 1, and the azimuth ratio R K obtained by the azimuth ratio calculation unit 12-7 is 0.9. less, or when it exceeds than 1.1, rewrites the orientation ratio R K orientation ratio multiplier 12-6.
When the boat speed also changes with the change in propulsive force, the boat speed is corrected. That is,

Figure 0005571743

であり、V、V0は船速で現在値と直前値を表す。なお船速修正はノミナル値や制御ゲインを更新するもので、参照方位やフィードフォワード舵角には反映されない。変針命令時に更新されたパラメータを用いて軌道計画が構成される。つまり船速修正の効果は変針命令がないと発揮されない。
Figure 0005571743

V and V 0 are the ship speed and represent the current value and the previous value. The ship speed correction is to update the nominal value and control gain, and is not reflected in the reference direction and feedforward rudder angle. The trajectory plan is configured using the parameters updated at the time of changing the needle command. In other words, the effect of the ship speed correction cannot be demonstrated without a change instruction.

舵まわりの伴流速度は既に定常値に達しているので、船速修正が施されるとKsn=Ksaになり、旋回力比は1になり、その結果方位比も1に漸近する。方位比制限部12−8の制限を維持すると方位比が1に漸近できなくなるので、方位比制限部12−8の作動は、変針毎に一回限りとする。 Since the wake speed around the rudder has already reached a steady value, when the ship speed is corrected, K sn = K sa and the turning force ratio becomes 1, and as a result, the azimuth ratio gradually approaches 1. Since the azimuth ratio cannot be asymptotic to 1 if the restriction of the azimuth ratio restriction unit 12-8 is maintained, the operation of the azimuth ratio restriction unit 12-8 is limited to once for each change of needle.

さらに方位比制限部12−8では、SHV の他に別の制限を加えることも可能である。変針量が小さい設定値以下のとき、SHVの制限と論理積を取って制限することも可能である。
尚、方位比の代わりに、応答性のよい角速度比を用いることも可能であるが、ノイズ成分による誤差が大きいため、方位比で修正することが望ましい。また、しきい値として、暴走対策として上限値を設定することもできる。
Further, in the azimuth ratio limiting unit 12-8, it is possible to add another limitation in addition to SHV. When the amount of needle change is less than a small set value, it is also possible to restrict by taking the AND of SHV and logical product.
It is possible to use an angular velocity ratio with good responsiveness instead of the azimuth ratio, but it is desirable to correct the azimuth ratio because of the large error due to noise components. In addition, an upper limit value can be set as a threshold value as a countermeasure against runaway.

以上で説明した、設定針路に船首方位を追従させるように制御する船舶用自動操舵装置は、計画航路に船体位置を追従させる航路制御系の一部として使用することも可能である。   The marine vessel automatic steering apparatus that controls the heading to follow the set course described above can also be used as part of a route control system that follows the hull position on the planned route.

12 船舶用操舵装置
12−1 軌道演算部
12−2 フィードフォワード制御器
12−3 フィードバック制御器
R 旋回角速度
1a 旋回角加速度初期値
2a 旋回角速度初期値
12 Marine Steering Device 12-1 Trajectory Calculation Unit 12-2 Feedforward Controller 12-3 Feedback Controller r R Turning Angular Speed C 1a Turning Angular Acceleration Initial Value C 2a Turning Angular Speed Initial Value

Claims (5)

船舶の所望される変針量に対して参照針路を演算して出力する軌道演算部と、該参照針路からフィードフォワード舵角を演算して開ループ制御を行うフィードフォワード制御器と、を有し、前記軌道演算部は、参照針路を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて出力し、加速モードにおいて、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2a とを取り込んで参照針路を演算する船舶用自動操舵装置において、
前記軌道演算部は、前記初期値C1a、C2aをそれぞれゼロとして演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が設定された最大舵速度を超えないように各モードを決めたときの加速モードの終端時及び等速モード時における旋回角速度rRを演算し、C2a>rRでC1a<0を満足する場合、またはC2a<rRでC1a>0を満足する場合には、加速モードにおける最大舵速度発生時点が各場合で常に同じになるように旋回角速度rRを修正し、該修正した旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算し、上記場合以外の場合には、修正しない旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A trajectory calculation unit that calculates and outputs a reference course for a desired course change amount of a ship, and a feedforward controller that calculates a feedforward steering angle from the reference course and performs open loop control, the orbital computing section, the acceleration mode the reference heading, and outputs the divided constant speed mode and the deceleration mode, in the acceleration mode, the initial value C 1a of the slewing angular acceleration of veering the beginning and the initial value C 2a of the turning angular velocity In the ship automatic steering device that takes in and calculates the reference course,
The trajectory calculation unit does not exceed the maximum steering speed at which the steering speed of the feedforward steering angle output from the feedforward controller based on the reference course calculated by setting the initial values C 1a and C 2a to zero, respectively. Thus, the turning angular velocity r R at the end of the acceleration mode and the constant velocity mode when each mode is determined is calculated, and C 1a <0 is satisfied with C 2a > r R or C 2a <r R When C 1a > 0 is satisfied, the turning angular speed r R is corrected so that the maximum steering speed generation time in the acceleration mode is always the same in each case, and the corrected turning angular speed r R is satisfied and calculated. The reference course of each mode is calculated so that the steering speed of the feedforward steering angle output from the feedforward controller does not exceed the maximum steering speed based on the reference course to be adjusted. The steering speed of the non turning angular velocity r R satisfied and feedforward steering angle output from the computed is referenced feedforward controller based on the course is to compute a reference course of each mode so as not to exceed the maximum steering speed A marine vessel automatic steering device characterized by the above.
前記軌道演算部の旋回角速度rRの演算は、等速モード及び減速モードのそれぞれの時
間である等速時間及び減速時間の比を一定とした条件で行い、その結果が指定旋回角速度以上の場合には指定旋回角速度とし、指定旋回角速度以下の場合にその演算結果の角速度とすることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。
The calculation of the turning angular velocity r R of the trajectory calculation unit is performed under the condition that the ratio of the constant speed time and the deceleration time, which is the time of the constant speed mode and the deceleration mode, is constant, and the result is equal to or greater than the specified turning angular velocity. The automatic steering device for a marine vessel according to claim 1, wherein the specified turning angular velocity is set to an angular velocity obtained as a result of calculation when the specified turning angular velocity is equal to or less than the specified turning angular velocity.
船舶の所望される変針量に対して参照針路を演算して出力する軌道演算部と、該参照針路からフィードフォワード舵角を演算して開ループ制御を行うフィードフォワード制御器と、を有し、前記軌道演算部は、参照針路を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて出力し、加速モードにおいて、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2a とを取り込んで参照針路を演算する船舶用自動操舵装置において、
前記軌道演算部は、前記初期値C1a、C2aをそれぞれゼロとして加速モードの終端時及び等速モード時における旋回角速度rRを求め、その際に、旋回角速度rRが指定旋回角速度r0に等しいと仮定したときに、演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角が許容舵角以下の条件を満足するときに、旋回角速度rRを指定旋回角速度r0に決定し、該条件を満足しないときに、フィードフォワード舵角と許容舵角との偏差を最も小さくする角速度を旋回角速度rRに決定し、決定された旋回角速度rRとしたときのフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の最大舵速度を求め、
2a>rRでC1a<0を満足する場合、またはC2a<rRでC1a>0を満足する場合には、加速モードにおける最大舵速度発生時点が各場合で常に同じになるように旋回角速度rRを修正し、該修正した旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算し、上記場合以外の場合には、修正しない旋回角速度rRを満足し且つ演算される参照針路に基づきフィードフォワード制御器から出力されるフィードフォワード舵角の舵速度が前記最大舵速度を超えないように各モードの参照針路を演算することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A trajectory calculation unit that calculates and outputs a reference course for a desired course change amount of a ship, and a feedforward controller that calculates a feedforward steering angle from the reference course and performs open loop control, the orbital computing section, the acceleration mode the reference heading, and outputs the divided constant speed mode and the deceleration mode, in the acceleration mode, the initial value C 1a of the slewing angular acceleration of veering the beginning and the initial value C 2a of the turning angular velocity In the ship automatic steering device that takes in and calculates the reference course,
The trajectory calculation unit obtains the turning angular velocity r R at the end of the acceleration mode and the constant velocity mode by setting the initial values C 1a and C 2a to zero, and at this time, the turning angular velocity r R becomes the designated turning angular velocity r 0. when it is assumed to be equal to, when the feed-forward steering angle output from the feedforward controller based on the reference course which is calculated to satisfy the permissible steering angle following conditions, turn angular velocity r R specified turning angular velocity r 0 determined to, when not satisfied the conditions, feed forward when determining the smallest angular velocity deviation between the permissible steering angle feedforward steering angle to the turning angular velocity r R, it was determined turning angular velocity r R Find the maximum steering speed of the feed forward steering angle output from the controller,
When C 2a > r R satisfies C 1a <0, or C 2a <r R satisfies C 1a > 0, the maximum steering speed generation time in the acceleration mode is always the same in each case. The turning angular speed r R is corrected to satisfy the corrected turning angular speed r R , and the steering speed of the feed forward steering angle output from the feed forward controller based on the calculated reference course does not exceed the maximum steering speed. Thus, the reference course of each mode is calculated, and in cases other than the above, the steering angle of the feedforward steering angle that satisfies the turning angular velocity r R that is not corrected and that is output from the feedforward controller based on the calculated reference course is calculated. A marine vessel automatic steering apparatus, wherein a reference course for each mode is calculated so that a speed does not exceed the maximum rudder speed.
船舶の所望される変針量に対して参照針路を演算して出力する軌道演算部と、該参照針
路からフィードフォワード舵角を演算して開ループ制御を行うフィードフォワード制御器と、を有し、前記軌道演算部は、参照針路を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて出力し、加速モードにおいて、変針開始時点の旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2aがゼロでない場合にその値を取り込んで参照針路を演算する船舶用自動操舵装置において、
前記軌道演算部は、前記加速モードで前記初期値C1a、C2aを減衰させるために必要な方位変化量が所望される変針量よりも大きい場合に、加速モードを、初期値を減衰させる減衰モードと、前記等速モードの旋回角速度rRに収束させる通常モードとに分けて、それぞれのモードの参照針路を演算することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A trajectory calculation unit that calculates and outputs a reference course for a desired course change amount of a ship, and a feedforward controller that calculates a feedforward steering angle from the reference course and performs open loop control, the orbital computing section, a reference course acceleration mode, and the output is divided into constant speed mode and the deceleration mode, in the acceleration mode, the initial value C 2a is an initial value of zero C 1a and the turning angular velocity of the slewing angular acceleration of veering beginning In the case of an automatic steering device for a ship that takes the value and calculates the reference course when it is not,
The trajectory calculation unit sets the acceleration mode to an attenuation that attenuates the initial value when the azimuth change necessary to attenuate the initial values C 1a and C 2a in the acceleration mode is larger than the desired amount of change of the needle. An automatic steering apparatus for a ship, which is divided into a mode and a normal mode for converging to the turning angular velocity r R in the constant speed mode, and calculates a reference course for each mode.
前記旋回角加速度の初期値C1aと旋回角速度の初期値C2aは、変針開始時に変針中であったときの前回の変針に対して前記軌道演算部で演算を行った参照針路の2階微分と1階微分との変針開始時の値から求められることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。 The initial value C 2a of the initial value C 1a and the turning angular velocity of the slewing angular acceleration is second-order derivative of the reference course that was calculated by the trajectory calculating section with respect to the previous veering when that was being veering at veering start The marine vessel automatic steering device according to any one of claims 1 to 4, wherein the marine vessel automatic steering device is obtained from a value at the start of changing the needle and the first-order differential.
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