JP5976530B2 - Control device - Google Patents

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Description

本発明は、制御装置に係り、特に、速度飽和を含むシステムに適用されて好適な制御装置に関するものである。   The present invention relates to a control device, and more particularly to a control device suitable for being applied to a system including speed saturation.

従来、水中航走体等の姿勢制御には、目標姿勢と現在の姿勢との差分に対して比例積分微分制御を行うことで得られた舵角指令を舵へ与え、船体の姿勢を目標姿勢に追従させることが行われている。
図11に、一般的な従来の制御装置50のブロック線図を示す。図11に示すように、船体51の姿勢θpと目標指令θpとの差分がPID制御部52に入力され、舵角指令φが生成される。舵角指令φは、舵54を制御する舵制御系に与えられ、舵54の舵角が舵角指令φに追従するように制御される。このようにして、舵角指令φに基づいて舵角が変化することで、船体51の姿勢も変化し、船体51の姿勢θpが目標指令θpに近づくこととなる。
Conventionally, for attitude control of underwater vehicles etc., the rudder angle command obtained by performing proportional integral differential control on the difference between the target attitude and the current attitude is given to the rudder, and the hull attitude is set to the target attitude It is done to follow.
FIG. 11 shows a block diagram of a general conventional control device 50. As shown in FIG. 11, the difference between the attitude θp of the hull 51 and the target command θp * is input to the PID control unit 52, and the steering angle command φ * is generated. The rudder angle command φ * is given to a rudder control system that controls the rudder 54, and is controlled so that the rudder angle of the rudder 54 follows the rudder angle command φ * . In this way, when the rudder angle changes based on the rudder angle command φ * , the attitude of the hull 51 also changes, and the attitude θp of the hull 51 approaches the target command θp * .

特開平8−282589号公報JP-A-8-282589

ところで、近年、目標姿勢に対する船体の応答性をより一層向上させることが要求されている。しかしながら、水中航走体等に設けられている舵は、舵角指令の急激な変化に追従することができないという速度飽和の要素を有している。このため、所定の振幅を超える領域或いは周波数が所定の周波数を超える領域の舵角指令が舵制御系に入力された場合には、実舵角がそのような指令に追従できず、速度飽和が生じてしまう。
速度飽和が生ずると、比較的大きな位相遅れが発生し、舵の応答性が極めて悪化する。これにより、例えば、船体が振動してしまい、制御系が不安定になるなどの問題があった。
更に、このような速度飽和が懸念される水中航走体等では、船体の制御系に設けられているPID制御部52の制御ゲインを上げることができず、動作領域が制限されてしまうため、一層の応答性の悪化を招いていた。
In recent years, it has been required to further improve the responsiveness of the hull to the target posture. However, a rudder provided in an underwater vehicle or the like has a speed saturation element that cannot follow a sudden change in a rudder angle command. For this reason, when a steering angle command in a region exceeding a predetermined amplitude or a region where the frequency exceeds a predetermined frequency is input to the rudder control system, the actual steering angle cannot follow such a command, and the speed saturation does not occur. It will occur.
When speed saturation occurs, a relatively large phase delay occurs, and the response of the rudder is extremely deteriorated. As a result, for example, the hull vibrates and the control system becomes unstable.
Furthermore, in an underwater vehicle or the like where such speed saturation is a concern, the control gain of the PID control unit 52 provided in the hull control system cannot be increased, and the operating area is limited. The responsiveness was further deteriorated.

従来は、このような速度飽和を解消する対策として、舵に与える舵角指令の範囲を速度飽和の発生しない周波数領域及び振幅領域に制限するという消極的な解決策しか取られていなかった。   Conventionally, as a measure for eliminating such speed saturation, only a passive solution of limiting the range of the rudder angle command given to the rudder to a frequency region and an amplitude region where speed saturation does not occur has been taken.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、速度飽和が生じていた動作範囲にまで制御領域を拡大するとともに、制御の安定及び追従性の向上を図ることのできる制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and is capable of expanding a control region to an operation range where speed saturation has occurred, and capable of improving control stability and followability. The purpose is to provide.

本発明は、制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに適用され、前記制御対象を目標状態に一致させるための位置指令を生成するメインループと、前記位置指令に前記アクチュエータの操作量を追従させるためのマイナーループとを備える制御装置であって、前記メインループにおいて生成された前記位置指令が入力される速度飽和補償手段を備え、前記速度飽和補償手段は、位置に対する速度制限値を定義した関数を予め有し、該関数を用いて前記位置指令の前回値に対応する速度制限値を設定する速度制限値設定手段と、前記位置指令の前回値と前記メインループから入力された前記位置指令の今回値とから指令速度を算出する速度算出手段と、前記速度算出手段によって算出された前記指令速度が、前記速度制限値設定手段によって設定された前記速度制限値以下である場合に、前記位置指令の今回値を補償位置指令とし、該指令速度が該速度制限値を超えている場合に、前記位置指令の前回値を用いて、該指令速度が該速度制限値以下となるような補償位置指令を生成する補償手段と、前記補償位置指令を前記マイナーループの入力情報として出力する制御装置を提供する。   The present invention is applied to a system in which speed saturation occurs in an actuator that gives an operation amount to a control target, and a main loop that generates a position command for matching the control target to a target state; And a minor loop for following the operation amount of the control device, comprising: a speed saturation compensation means to which the position command generated in the main loop is input, wherein the speed saturation compensation means There is a function that defines a limit value in advance, speed limit value setting means for setting a speed limit value corresponding to the previous value of the position command using the function, input from the previous value of the position command and the main loop A speed calculation means for calculating a command speed from the current value of the position command that has been performed, and the command speed calculated by the speed calculation means When the speed limit value is less than or equal to the speed limit value set by the speed limit value setting means, the current value of the position command is used as a compensation position command, and when the command speed exceeds the speed limit value, the position command A compensation means for generating a compensation position command such that the command speed is equal to or less than the speed limit value using the previous value of the control value, and a control device for outputting the compensation position command as input information of the minor loop are provided.

上記制御装置によれば、メインループからの位置指令に応じて速度制限値が設定され、アクチュエータに出力される位置指令がこの速度制限値内に制限される。このように、位置に応じて速度制限を行うことにより、無理のない位置指令をアクチュエータの制御系であるマイナーループに与えることが可能となる。この結果、アクチュエータの位相遅れを低減することができ、例えば、メインループにおけるPID制御器の制御ゲインを上げることが可能となる。よって、制御対象の制御、すなわち、メインループにおける動作領域を拡大することができ、制御対象の応答性を向上させることができる。更に、本発明によれば、メインループからマイナーループへ位置指令が入力される信号入力ラインに、速度飽和補償手段を直列的に設けるので、構成が簡易であり、既存の回路に適用しやすいという利点が得られる。   According to the control device, the speed limit value is set according to the position command from the main loop, and the position command output to the actuator is limited within the speed limit value. Thus, by limiting the speed according to the position, it is possible to give a reasonable position command to the minor loop that is the control system of the actuator. As a result, the phase delay of the actuator can be reduced, and for example, the control gain of the PID controller in the main loop can be increased. Therefore, control of the control target, that is, the operation area in the main loop can be expanded, and the response of the control target can be improved. Furthermore, according to the present invention, since the speed saturation compensation means is provided in series in the signal input line for inputting the position command from the main loop to the minor loop, the configuration is simple and it can be easily applied to existing circuits. Benefits are gained.

上記制御装置において、前記関数は、例えば、位置が前記アクチュエータの可動範囲の中心位置である原点の場合に、前記速度制限値が前記アクチュエータの出し得る最大速度またはそれ以下の値をとり、位置が最大値及び最小値をとる場合に、前記速度制限値がゼロをとり、かつ、位置が最小値よりも大きく最大値未満の範囲において、前記速度制限値が前記アクチュエータの出し得る最大速度以下の値をとる関数であることが好ましい。
更に、前記関数は、位置、速度、及び加速度が連続であることが好ましい。このような関数とすることで、位置指令を滑らかに推移させることができ、安定したアクチュエータの制御を行うことができる。すなわち、「機械に作用する力=加速度×質量」の関係からわかるように、位置、速度、加速度を連続にすることで、機械に対して円滑に力を作用させることができる。これにより、例えば、音の発生や機械への衝撃を抑制することができ、機械保護、騒音防止の観点から好ましい。
In the above control device, for example, when the position is an origin that is the center position of the movable range of the actuator, the speed limit value takes a value equal to or less than the maximum speed that the actuator can output, and the position is When the maximum value and the minimum value are taken, the speed limit value is zero, and the speed limit value is a value less than or equal to the maximum speed that the actuator can output in a range where the position is greater than the minimum value and less than the maximum value. It is preferable that the function takes
Furthermore, the function is preferably continuous in position, velocity and acceleration. By setting it as such a function, a position command can be changed smoothly and a stable actuator control can be performed. That is, as can be seen from the relationship of “force acting on the machine = acceleration × mass”, the force can be smoothly applied to the machine by making the position, speed, and acceleration continuous. Thereby, for example, generation of sound and impact on the machine can be suppressed, which is preferable from the viewpoint of machine protection and noise prevention.

本発明によれば、速度飽和が生じていた動作範囲にまで制御領域を拡大するとともに、制御の安定及び追従性の向上を図ることができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to expand the control region to the operation range where the speed saturation has occurred, and to achieve the effect of improving the stability of control and followability.

本発明の一実施形態に係る制御装置の制御ブロック図である。It is a control block diagram of the control apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る速度飽和補償部の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the speed saturation compensation part which concerns on one Embodiment of this invention. 舵角指令の速度について示した図である。It is the figure shown about the speed of the rudder angle command. 本発明の一実施形態に係る速度制限値設定部が有する関数の位相面軌道を示した図である。It is the figure which showed the phase-plane trajectory of the function which the speed limit value setting part which concerns on one Embodiment of this invention has. 図11に示した従来の制御装置に、舵角指令を与えた場合の舵角指令と実舵角との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the steering angle command at the time of giving a steering angle command to the conventional control apparatus shown in FIG. 11, and an actual steering angle. 図11に示した従来の制御装置に、図5と同一の舵角指令を与えた場合の舵角指令速度と実舵角速度との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the steering angle command speed and the actual steering angular speed at the time of giving the same steering angle command as FIG. 5 to the conventional control apparatus shown in FIG. 図1に示した制御装置において、図5と同一の舵角指令が速度飽和補償部に入力された場合の補償舵角指令と、実舵角と、舵角指令との関係を示した図である。In the control device shown in FIG. 1, a diagram showing a relationship between a compensated steering angle command, an actual steering angle, and a steering angle command when the same steering angle command as in FIG. 5 is input to the speed saturation compensation unit. is there. 図1に示した制御装置において、図5と同一の舵角指令が速度飽和補償部に入力された場合の補償舵角指令と、実舵角と、舵角指令速度との関係を示した図である。In the control apparatus shown in FIG. 1, the figure which showed the relationship between the compensation steering angle command, the actual steering angle, and the steering angle command speed when the same steering angle command as FIG. 5 was input into the speed saturation compensation part. It is. 図1に示した制御装置に、ピッチ角指令を与えたときの船体の(a)ピッチ角、(b)舵角、(c)舵角速度の応答性を示した図である。It is the figure which showed the responsiveness of (a) pitch angle, (b) rudder angle, and (c) rudder angular velocity of a hull when giving a pitch angle command to the control apparatus shown in FIG. 本発明の一実施形態に係る速度制限値設定部が有する他の例の関数の位相面軌道を示した図である。It is the figure which showed the phase surface orbit of the function of the other example which the speed limit value setting part which concerns on one Embodiment of this invention has. 従来の制御装置のブロック線図の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the block diagram of the conventional control apparatus.

以下に、本発明の各実施形態に係る制御装置について、図面を参照して説明する。なお、本発明は、制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに広く適用されるものである。アクチュエータの一例としては、舵、翼などが挙げられ、制御対象の一例としては、船舶、水中航走体、ロケット、航空機等が挙げられる。
以下、制御対象として水中航走体を、アクチュエータとして舵を想定した場合の実施形態について説明するが、本発明の制御装置は、この範囲に限定されるものではなく、上記のごとく、速度飽和が生ずるシステムに広く利用されるものである。
Hereinafter, a control device according to each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is widely applied to systems in which speed saturation occurs in an actuator that gives an operation amount to a control target. Examples of the actuator include a rudder and a wing, and examples of the control target include a ship, an underwater vehicle, a rocket, and an aircraft.
Hereinafter, an embodiment in which an underwater vehicle is assumed as a control target and a rudder is assumed as an actuator will be described. However, the control device of the present invention is not limited to this range, and as described above, speed saturation occurs. It is widely used in the resulting system.

以下、本発明の一実施形態に係る制御装置1について、図を用いて説明する。
図1は、本実施形態に係る制御装置1の制御ブロック図である。図1に示すように、制御装置1が適用される水中航走体は、舵10の舵角を変化させることにより船体2の姿勢を制御するものである。
Hereinafter, the control apparatus 1 which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated using figures.
FIG. 1 is a control block diagram of the control device 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the underwater vehicle to which the control device 1 is applied controls the attitude of the hull 2 by changing the rudder angle of the rudder 10.

制御装置1は、船体2の姿勢θpを目標姿勢θpに一致させるための舵10への舵角指令ri[n]を生成するメインループ20と、メインループ20において生成された舵角指令ri[n]が入力され、補償制御指令ro[n]を出力する速度飽和補償部40と、速度飽和補償部40から出力された補償舵角指令ro[n]に舵10の実舵角を追従させるためのマイナーループ30とを主な構成として備えている。 The control device 1 generates a rudder angle command ri [n] to the rudder 10 for making the attitude θp of the hull 2 coincide with the target attitude θp * , and a rudder angle command ri generated in the main loop 20. [n] is input and the speed saturation compensation unit 40 that outputs the compensation control command ro [n], and the compensation steering angle command ro [n] output from the speed saturation compensation unit 40 follows the actual steering angle of the rudder 10 And a minor loop 30 is provided as a main configuration.

メインループ20は、船体2の姿勢θpをフィードバックするフィードバック部21と、この姿勢θpと目標姿勢θpとの差分を算出する差分演算部22と、差分演算部22の出力に対して比例積分微分制御を行い、舵10に対する舵角指令ri[n]を生成するPID制御部23とを主な構成として備えている。 The main loop 20 includes a feedback unit 21 that feeds back the attitude θp of the hull 2, a difference calculation unit 22 that calculates a difference between the attitude θp and the target attitude θp *, and a proportional-integral-derivative for the output of the difference calculation unit 22. A PID control unit 23 that performs control and generates a rudder angle command ri [n] for the rudder 10 is provided as a main configuration.

PID制御部23から出力される舵角指令ri[n]は、速度飽和補償部40において速度飽和によって船体2の位置制御が不安定にならないように補償され、補償後の舵角指令が補償舵角指令ro[n]として舵10の制御系であるマイナーループ30に入力される。なお、速度飽和補償部40の詳細については後述する。
マイナーループ30は、実舵角が補償舵角指令ro[n]に一致するように舵を制御する。具体的には、マイナーループ30は、舵10の実舵角をフィードバックするフィードバック部31と、補償舵角指令ro[n]と舵10の実舵角との差分を算出する差分演算部32とを備え、差分演算部32の出力が舵指令として舵10に与えられる。これにより、舵10の舵角が補償舵角指令ro[n]に追従するように制御される。
このようにして、補償舵角指令ro[n]に基づいて舵10の実舵角が変化することで、船体2の姿勢も変化し、船体2の姿勢θpが目標指令θpに近づくこととなる。
The rudder angle command ri [n] output from the PID control unit 23 is compensated by the speed saturation compensation unit 40 so that the position control of the hull 2 does not become unstable due to speed saturation, and the compensated rudder angle command is compensated rudder. The angle command ro [n] is input to the minor loop 30 which is the control system of the rudder 10. Details of the velocity saturation compensation unit 40 will be described later.
The minor loop 30 controls the rudder so that the actual rudder angle matches the compensated rudder angle command ro [n]. Specifically, the minor loop 30 includes a feedback unit 31 that feeds back the actual rudder angle of the rudder 10, and a difference calculation unit 32 that calculates a difference between the compensated rudder angle command ro [n] and the actual rudder angle of the rudder 10. The output of the difference calculation unit 32 is given to the rudder 10 as a rudder command. Thus, the rudder angle of the rudder 10 is controlled to follow the compensation rudder angle command ro [n].
In this way, when the actual rudder angle of the rudder 10 changes based on the compensated rudder angle command ro [n], the attitude of the hull 2 also changes, and the attitude θp of the hull 2 approaches the target command θp *. Become.

図2は、速度飽和補償部40の機能ブロック図である。図2に示すように、速度飽和補償部40は、位置制限部41、速度制限値設定部42、速度算出部43、補償部44を主な構成として備えている。   FIG. 2 is a functional block diagram of the speed saturation compensator 40. As shown in FIG. 2, the speed saturation compensation unit 40 includes a position limiter 41, a speed limit value setting unit 42, a speed calculation unit 43, and a compensation unit 44 as main components.

位置制限部41は、メインループ20から入力された舵角指令ri[n]を、舵10の角度最大値範囲内(−rlim≦ri[n]≦+rlim)に制限して出力するリミッタである。
速度制限値設定部42は、舵角(位置)に対する速度制限値を定義した関数Fx(r)を予め保有しており、この関数Fx(r)を用いて、舵角指令の前回値ro[n−1]に対応する速度制限値vmaxを取得する。ここで、舵角指令の前回値ro[n−1]とは、1サンプリング周期前の舵角指令である。また、関数Fx(r)については、後述する。
The position limiter 41 limits and outputs the rudder angle command ri [n] input from the main loop 20 within the maximum angle range of the rudder 10 (−r lim ≦ ri [n] ≦ + r lim ). It is.
The speed limit value setting unit 42 has a function Fx (r) that defines a speed limit value for the steering angle (position) in advance, and the previous value ro [ The speed limit value v max corresponding to n−1] is acquired. Here, the previous value ro [n-1] of the rudder angle command is a rudder angle command before one sampling period. The function Fx (r) will be described later.

速度算出部43は、位置制限部41から出力された舵角指令の今回値ri[n]と、舵角指令の前回値ro[n−1]とから舵角指令の速度を算出する。舵角指令の速度v[n]は、以下の(1)式で与えられる。
v[n]=(ri[n]−ro[n−1])/dt (1)
ここで、dtは、サンプリング周期である。
図3は、舵角指令の速度v[n]について示した図である。図3に示すように、舵角指令の速度v[n]は、横軸に時間、縦軸に舵角指令を示した座標空間において、点ri[n]とro[n−1]とを繋ぐ直線の傾きである。
The speed calculation unit 43 calculates the speed of the steering angle command from the current value ri [n] of the steering angle command output from the position restriction unit 41 and the previous value ro [n-1] of the steering angle command. The rudder angle command speed v [n] is given by the following equation (1).
v [n] = (ri [n] -ro [n-1]) / dt (1)
Here, dt is a sampling period.
FIG. 3 is a diagram showing the speed v [n] of the steering angle command. As shown in FIG. 3, the speed v [n] of the rudder angle command is obtained by calculating points ri [n] and ro [n-1] in a coordinate space in which the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the rudder angle command. This is the slope of the connecting straight line.

補償部44は、速度算出部43によって算出された舵角指令の速度v[n]が、速度制限値設定部42によって設定された速度制限値vmax以下である場合に、舵角指令の今回値ri[n]を補償位置指令ro[n]としてマイナーループ30に出力する。一方、速度算出部43によって算出された舵角指令の速度v[n]が、速度制限値設定部42によって設定された速度制限値vmaxを超えていた場合には、舵角指令の速度v[n]が速度制限値vmax以下となるような舵角指令を算出し、この舵角指令を補償舵角指令ro[n]として、マイナーループ30に出力する。例えば、補償部44は、以下の(2)式を用いて補償舵角指令ro[n]を算出する。 When the speed v [n] of the rudder angle command calculated by the speed calculating unit 43 is equal to or less than the speed limit value v max set by the speed limit value setting unit 42, the compensation unit 44 The value ri [n] is output to the minor loop 30 as the compensation position command ro [n]. On the other hand, the speed of the steering angle command calculated by the speed calculator 43 v [n] is, if it is exceeded the speed limit value v max set by the speed limit value setting unit 42, the speed of the steering angle command v A steering angle command is calculated such that [n] is equal to or less than the speed limit value vmax , and this steering angle command is output to the minor loop 30 as a compensated steering angle command ro [n]. For example, the compensation unit 44 calculates a compensated steering angle command ro [n] using the following equation (2).

ro[n]=ro[n−1]+sign(vmax)×vmax・dt (2) ro [n] = ro [n−1] + sign (v max ) × v max · dt (2)

次に、上記速度制限値設定部42における、関数Fx(r)について説明する。
関数Fx(r)は、舵角(位置)rに対する速度制限値vmaxを定義した関数であり、例えば、舵角(位置)rが原点(舵の可動範囲の中心位置)をとる場合に、速度制限値vmaxが舵10の出し得る最大速度vlimをとり、舵角(位置)rが最大値+rlim及び最小値−rlimをとる場合に、速度制限値vmaxがゼロをとり、かつ、位置rが最小値よりも大きく最大値未満の範囲(−rlim<r<+rlim)において、速度制限値vmaxが舵10の出し得る最大速度vlim以下の値を取るような関数とされている。
ここで、関数Fx(r)は、舵角(位置)、速度、及び加速度が連続であることが好ましい。
Next, the function Fx (r) in the speed limit value setting unit 42 will be described.
The function Fx (r) is a function that defines a speed limit value vmax for the rudder angle (position) r. For example, when the rudder angle (position) r takes the origin (the center position of the movable range of the rudder), When the speed limit value v max is the maximum speed v lim that the rudder 10 can output and the steering angle (position) r is the maximum value + r lim and the minimum value −r lim , the speed limit value v max is zero, In the range where the position r is greater than the minimum value and less than the maximum value (−r lim <r <+ r lim ), the speed limit value v max takes a value less than or equal to the maximum speed v lim that the rudder 10 can produce. It is said that.
Here, the function Fx (r) preferably has a continuous steering angle (position), speed, and acceleration.

以下の(3)式に関数Fx(r)の一例を、図4に、以下の(3)式で表わされる関数Fx(r)の位相面軌道(phase plane trajectory)を示す。   An example of the function Fx (r) is shown in the following formula (3), and FIG. 4 shows a phase plane trajectory of the function Fx (r) expressed by the following formula (3).

Figure 0005976530
Figure 0005976530

上記(3)式で表わされる関数Fx(r)は、舵10の取り得る角度最大値rlim及び舵の取り得る最大速度vlimに対して、正弦波を描く自由振動の関係式である以下の(4)式を変形したものである。 The function Fx (r) expressed by the above equation (3) is a relational expression of free vibration that draws a sine wave with respect to the maximum angle value r lim that the rudder 10 can take and the maximum speed v lim that the rudder can take. (4) is modified.

Figure 0005976530
Figure 0005976530

このように、本実施形態においては、上記(3)式で示される関数Fx(r)のrに、舵角指令ro[n−1]を代入したときの速度制限値vmaxを取得し、この速度制限値vmaxを超えないように、舵角指令の速度を制限することで、船体の姿勢制御の安定化を図っている。 Thus, in the present embodiment, the speed limit value v max when the rudder angle command ro [n−1] is substituted into r of the function Fx (r) represented by the above formula (3) is acquired, By limiting the speed of the rudder angle command so as not to exceed the speed limit value vmax , the attitude control of the hull is stabilized.

次に、本実施形態に係る制御装置1の動作内容について説明する。
まず、船体の位置がフィードバックされ、船体の姿勢θpと目標姿勢θpとの差分が差分演算部22により算出され、PID制御部23において、この差分に対して比例積分微分制御が行われることで、舵10に対する舵角指令ri[n]が生成される。この舵角指令ri[n]は、速度飽和補償部40に出力される。
Next, the operation content of the control device 1 according to the present embodiment will be described.
First, the position of the hull is fed back, the difference between the hull attitude θp and the target attitude θp * is calculated by the difference calculation unit 22, and the PID control unit 23 performs proportional integral differential control on this difference. A rudder angle command ri [n] for the rudder 10 is generated. The steering angle command ri [n] is output to the speed saturation compensation unit 40.

速度飽和補償部40の位置制限部41において、舵角指令ri[n]は、舵10の角度最大値範囲内(−rlim≦ri[n]≦+rlim)に制限された後、速度制限値設定部42に出力される。
速度制限値設定部42では、舵角指令に対する速度制限値を定義した関数Fx(r)を用いて舵角指令の前回値ro[n−1]に対する速度制限値が設定される。具体的には、上述の(3)式において、位置rに舵角指令の前回値ro[n−1]を代入することにより、速度制限値vmaxを取得し、この速度制限値vmaxを補償部44に出力する。
一方、速度算出部43では、上記(1)式を用いて、位置制限部41から出力された舵角指令の今回値ri[n]と、舵角指令の前回値ro[n−1]とから舵角指令の速度が算出され、舵角指令の速度が補償部44に出力される。
In the position restriction unit 41 of the speed saturation compensation unit 40, the rudder angle command ri [n] is restricted within the maximum angle range of the rudder 10 (−r lim ≦ ri [n] ≦ + r lim ), and then the speed restriction. The value is output to the value setting unit 42.
The speed limit value setting unit 42 sets a speed limit value for the previous value ro [n−1] of the steering angle command using a function Fx (r) that defines the speed limit value for the steering angle command. Specifically, the speed limit value v max is obtained by substituting the previous value ro [n−1] of the steering angle command into the position r in the above-described equation (3), and this speed limit value v max is set as the speed limit value v max . It outputs to the compensation part 44.
On the other hand, in the speed calculation unit 43, the current value ri [n] of the rudder angle command output from the position limiting unit 41 and the previous value ro [n-1] of the rudder angle command are calculated using the above equation (1). From the above, the speed of the steering angle command is calculated, and the speed of the steering angle command is output to the compensation unit 44.

補償部44では、速度算出部43によって算出された舵角指令の速度v[n]が、速度制限値設定部42によって設定された速度制限値vmax以下である場合に、舵角指令の今回値ri[n]が補償位置指令ro[n]としてマイナーループ30に出力される。
一方、速度算出部43によって算出された舵角指令の速度v[n]が、速度制限値設定部42によって設定された速度制限値vmaxを超えていた場合には、舵角指令の速度v[n]が速度制限値vmax以下となるような舵角指令が、上記(2)式を用いて算出され、この舵角指令が補償舵角指令ro[n]として、マイナーループ30に出力される。
The compensation unit 44, the speed of the steering angle command calculated by the speed calculator 43 v [n] is equal to or less than set speed limit v max to the speed limit value setting unit 42, the current steering angle command The value ri [n] is output to the minor loop 30 as the compensation position command ro [n].
On the other hand, the speed of the steering angle command calculated by the speed calculator 43 v [n] is, if it is exceeded the speed limit value v max set by the speed limit value setting unit 42, the speed of the steering angle command v A steering angle command such that [n] is equal to or less than the speed limit value vmax is calculated using the above equation (2), and this steering angle command is output to the minor loop 30 as a compensated steering angle command ro [n]. Is done.

マイナーループ30では、補償舵角指令ro[n]と実舵角との差分が差分演算部32によって算出され、この差分が舵指令として舵10に与えられる。これにより、舵10の舵角が補償舵角指令ro[n]に追従するように制御される。このようにして、補償舵角指令ro[n]に基づいて舵角が変化することで、船体2の姿勢も変化し、船体2の姿勢θpが目標指令θpに近づくこととなる。 In the minor loop 30, the difference between the compensation rudder angle command ro [n] and the actual rudder angle is calculated by the difference calculation unit 32, and this difference is given to the rudder 10 as a rudder command. Thus, the rudder angle of the rudder 10 is controlled to follow the compensation rudder angle command ro [n]. In this way, when the rudder angle changes based on the compensated rudder angle command ro [n], the attitude of the hull 2 also changes, and the attitude θp of the hull 2 approaches the target command θp * .

以上説明したように、本実施形態に係る制御装置1によれば、速度飽和補償部40において、舵角指令(位置指令)に応じて速度制限値を設定し、舵角指令の速度がこの速度制限値以下となるような補償舵角指令が設定される。これにより、無理のない舵角指令を舵10に与えることができ、位相遅れを抑制することが可能となる。
また、制御装置1において、速度飽和補償部40は、メインループ20からマイナーループ30へ舵角指令が入力される信号入力ラインに直列的に設けられるので、構成が簡易であり、既存の回路に適用しやすいという利点が得られる。
As described above, according to the control device 1 according to the present embodiment, the speed saturation compensation unit 40 sets the speed limit value according to the steering angle command (position command), and the speed of the steering angle command is the speed. A compensation rudder angle command is set so as to be less than the limit value. As a result, a reasonable steering angle command can be given to the rudder 10, and phase delay can be suppressed.
Further, in the control device 1, the speed saturation compensation unit 40 is provided in series on a signal input line through which a steering angle command is input from the main loop 20 to the minor loop 30. The advantage is that it is easy to apply.

図5は、図11に示した従来の制御装置50に、舵角指令を与えた場合の舵角指令と実舵角との関係を示した図である。図6は、図11に示した従来の制御装置50に、図5と同一の舵角指令を与えた場合の舵角指令速度と実舵角速度との関係を示した図である。また、図7は、図1に示した本実施形態に係る制御装置1において、図5と同一の舵角指令が速度飽和補償部40に入力された場合の補償舵角指令と、実舵角と、舵角指令との関係を示した図である。図8は、図1に示した本実施形態に係る制御装置1において、図5と同一の舵角指令が速度飽和補償部40に入力された場合の補償舵角指令と、実舵角と、舵角指令速度との関係を示した図である。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the steering angle command and the actual steering angle when the steering angle command is given to the conventional control device 50 shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the steering angle command speed and the actual steering angular speed when the same steering angle command as in FIG. 5 is given to the conventional control device 50 shown in FIG. FIG. 7 shows the compensation steering angle command and the actual steering angle when the same steering angle command as in FIG. 5 is input to the speed saturation compensation unit 40 in the control device 1 according to the present embodiment shown in FIG. It is the figure which showed the relationship between steering angle command. FIG. 8 shows a control rudder angle command when the same rudder angle command as FIG. 5 is input to the speed saturation compensator 40 in the control device 1 according to the present embodiment shown in FIG. It is the figure which showed the relationship with a steering angle command speed.

図5、図6に示すように、従来の制御装置50では、舵角指令、舵角指令速度に対する応答に約半周期の遅延が生じており、追従性が極めて悪いことがわかる。これに対し、図7及び図8に示すように、本実施形態に係る制御装置1によれば、舵角指令、舵角指令速度に対する応答にほとんど遅延が見られず、また、舵角の応答性に関しては、舵角指令に沿って略同じ動きをしていることがわかる。このように、本実施形態に係る制御装置1によれば、従来に比べて高い応答性を実現できる。   As shown in FIGS. 5 and 6, in the conventional control device 50, a delay of about a half cycle occurs in the response to the rudder angle command and the rudder angle command speed, and it can be seen that the followability is extremely poor. On the other hand, as shown in FIGS. 7 and 8, according to the control device 1 according to the present embodiment, there is almost no delay in the response to the steering angle command and the steering angle command speed, and the response of the steering angle. It can be seen that the movement is substantially the same along the rudder angle command. Thus, according to the control apparatus 1 which concerns on this embodiment, high responsiveness is realizable compared with the past.

更に、図9は、図1に示した本実施形態に係る制御装置1に、ピッチ角指令を与えたときの船体のピッチ角(図9(a)参照)、舵角(図9(b)参照)、舵角速度(図9(c)参照)の応答性を示した図である。
図9に示すように、図1に示した本実施形態に係る制御装置1によれば、舵角及び舵角速度が、補償舵角指令及び補償舵角指令速度に速やかに追従しているため、船体2のピッチ角も指令に対して優れた追従性を示している。特に、図9(c)に示すように、舵角指令速度の変動が非常に大きい場合であっても、補償舵角指令速度は所定の範囲内に制限されていることから、実舵角速度が補償舵角指令に速やかに追従できていることがわかる。
このように、本実施形態に係る制御装置1によれば、従来よりも舵角及び舵角速度の追従性を向上させることができ、これにより、船体の姿勢制御の追従性を向上させることができる。
Further, FIG. 9 shows the pitch angle of the hull (see FIG. 9A) and the rudder angle (see FIG. 9B) when a pitch angle command is given to the control device 1 according to the present embodiment shown in FIG. FIG. 10 is a diagram showing the response of the steering angular velocity (see FIG. 9C).
As shown in FIG. 9, according to the control device 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the rudder angle and the rudder angular speed immediately follow the compensated rudder angle command and the compensated rudder angle command speed. The pitch angle of the hull 2 also shows excellent followability to the command. In particular, as shown in FIG. 9C, even when the fluctuation of the steering angle command speed is very large, the compensated steering angle command speed is limited within a predetermined range. It can be seen that the compensation steering angle command can be followed quickly.
Thus, according to the control apparatus 1 which concerns on this embodiment, the followable | trackability of a rudder angle and a rudder angular velocity can be improved conventionally, and, thereby, the followable | trackability of hull attitude control can be improved. .

なお、本実施形態において、関数Fx(r)は、図3に示すような円形状の位相面軌道を描く関数を用いて速度制限値vmaxを設定することとしたが、関数Fx(r)は、この例に限定されない。例えば、上記(4)式において、2乗を3乗、4乗等にした関数を用いることとしてもよい。また、図10に示すような形状の位相面軌道を描く関数を用いても良い。図10に示すような形状の位相面軌道を描く関数を用いて速度制限値vmaxを設定することにより、−r≦r≦+rの範囲で、速度制限値vmaxを舵10の取り得る最大速度vlimに設定することができる。これにより、図4に示した円形状の位相面軌道を描く関数に比べて、舵10の最大速度vlimで動く位置範囲を広くすることができる。
このように、関数Fx(r)は、舵角(位置)rが原点、換言すると、舵10の可動範囲の中心位置において、速度制限値vmaxが舵10の出し得る最大速度vlimまたはそれ以下の値をとり、舵角(位置)rが最大値+rlim及び最小値−rlimの場合に、速度制限値vmaxがゼロをとり、かつ、位置rが最小値よりも大きく最大値未満の範囲(−rlim<r<+rlim)において、速度制限値vmaxが舵角10の出し得る最大速度vlim以下の値を取るような関数とされていればよく、この条件を満たす範囲で設計者が自由に関数を設定することができる。
In the present embodiment, the function Fx (r) is set to the speed limit value v max using a function that draws a circular phase surface trajectory as shown in FIG. 3, but the function Fx (r) Is not limited to this example. For example, in the above equation (4), a function in which square is changed to third power, fourth power, or the like may be used. Further, a function for drawing a phase plane trajectory having a shape as shown in FIG. 10 may be used. By setting the speed limit value v max by using a function to draw the phase plane trajectory of the shape shown in FIG. 10, a range of -r E ≦ r ≦ + r E , takes the speed limit value v max rudder 10 It can be set to the maximum speed v lim to obtain. Thereby, the position range in which the rudder 10 moves at the maximum speed v lim can be widened as compared with the function that draws the circular phase plane trajectory shown in FIG.
In this way, the function Fx (r) has a maximum speed v lim that the speed limit value v max can be output by the rudder 10 at the rudder angle (position) r, that is, the center position of the movable range of the rudder 10, or When the steering angle (position) r is the maximum value + r lim and the minimum value −r lim , the speed limit value v max is zero, and the position r is greater than the minimum value and less than the maximum value. In the range (−r lim <r <+ r lim ), the speed limit value v max may be a function that takes a value less than or equal to the maximum speed v lim that the steering angle 10 can be output. The designer can freely set the function.

1 制御装置
2 船体
10 舵
20 メインループ
21、31 フィードバック部
22、32 差分演算部
23 PID制御部
30 マイナーループ
40 速度飽和補償部
41 位置制限部
42 速度制限値設定部
43 速度算出部
44 補償部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control apparatus 2 Hull 10 Rudder 20 Main loop 21, 31 Feedback part 22, 32 Difference calculating part 23 PID control part 30 Minor loop 40 Speed saturation compensation part 41 Position restriction part 42 Speed restriction value setting part 43 Speed calculation part 44 Compensation part

Claims (3)

制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに適用され、前記制御対象を目標状態に一致させるための位置指令を生成するメインループと、前記位置指令に前記アクチュエータの操作量を追従させるためのマイナーループとを備える制御装置であって、
前記メインループにおいて生成された前記位置指令が入力される速度飽和補償手段を備え、
前記速度飽和補償手段は、
位置に対する速度制限値を定義した関数を予め有し、該関数を用いて前記位置指令の前回値に対応する速度制限値を設定する速度制限値設定手段と、
前記位置指令の前回値と前記メインループから入力された前記位置指令の今回値とから指令速度を算出する速度算出手段と、
前記速度算出手段によって算出された前記指令速度が、前記速度制限値設定手段によって設定された前記速度制限値以下である場合に、前記位置指令の今回値を補償位置指令とし、該指令速度が該速度制限値を超えている場合に、前記位置指令の前回値を用いて、該指令速度が該速度制限値以下となるような補償位置指令を算出する補償手段と
を備え、
前記補償位置指令を前記マイナーループの入力情報として出力する制御装置。
This is applied to a system in which speed saturation occurs in an actuator that gives an operation amount to a control object, and a main loop that generates a position command for matching the control object to a target state, and an operation amount of the actuator in the position command A control device including a minor loop for following,
A velocity saturation compensation means for inputting the position command generated in the main loop;
The speed saturation compensation means includes
A speed limit value setting means for setting a speed limit value corresponding to the previous value of the position command by using a function that defines a speed limit value for the position in advance;
Speed calculating means for calculating a command speed from the previous value of the position command and the current value of the position command input from the main loop;
When the command speed calculated by the speed calculation unit is equal to or less than the speed limit value set by the speed limit value setting unit, the current value of the position command is used as a compensation position command, and the command speed is Compensation means for calculating a compensation position command so that the command speed is equal to or less than the speed limit value using the previous value of the position command when the speed limit value is exceeded,
A control device that outputs the compensation position command as input information of the minor loop.
前記関数は、位置が前記アクチュエータの可動範囲の中心位置である原点の場合に、前記速度制限値が前記アクチュエータの出し得る最大速度またはそれ以下の値をとり、位置が最大値及び最小値をとる場合に、前記速度制限値がゼロをとり、かつ、位置が最小値よりも大きく最大値未満の範囲において、前記速度制限値が前記アクチュエータの出し得る最大速度以下の値をとる関数である請求項1に記載の制御装置。   In the function, when the position is the origin which is the center position of the movable range of the actuator, the speed limit value is a maximum speed that can be output by the actuator or less, and the position has a maximum value and a minimum value. In this case, the speed limit value is zero, and the speed limit value is a function that takes a value less than or equal to the maximum speed that the actuator can output in a range where the position is greater than the minimum value and less than the maximum value. The control apparatus according to 1. 前記関数は、位置、速度、及び加速度が連続である請求項2に記載の制御装置。
The control device according to claim 2, wherein the function is continuous in position, velocity, and acceleration.
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