JP6004877B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、制御装置に係り、特に、速度飽和が生ずる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。
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２７に、一般的な従来の制御装置５０のブロック線図を示す。図２７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。
図２７に、一般的な従来の制御装置５０のブロック線図を示す。図２７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。
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（図９、図１６、図１７参照）。
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、船体の制御が振動してしまい、制御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。
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。
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、速度飽和による位相遅れを低減し、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。
本発明の第１態様は、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前記アクチュエータの制御指令を生成する前記制御対象の運動制御系と、前記アクチュエータの制御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アクチュエータの制御系とを備える制御装置であって、前記アクチュエータの制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、前記アクチュエータの出力である操作量の速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段によって検出された速度が前記アクチュエータの動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって、前記速度が前記閾値以上であると判定された場合に、前記安定化フィルタを挿入したフィードバックループとし、前記速度が前記閾値未満であると判定された場合に前記安定化フィルタを除いたフィードバックループとする切替手段とを具備する制御装置である。
このように、アクチュエータの制御系のフィードバックループに位相進み補償要素を有する安定化フィルタを設けることにより、アクチュエータの制御系の速度飽和に起因する位相遅れを低減でき、制御対象の運動制御系の制御を安定させることが可能となる。
更に、アクチュエータの動作速度に応じてフィードバックループを切り替えるので、例えば、アクチュエータの動作速度が速度飽和が生ずる速度に達していなかった場合には、安定化フィルタを経由せずに操作量をフィードバックさせることができる。これにより、速度飽和が発生しないときには、ハイゲインとならずに、従来通りの制御性能を発揮することが可能となる。この結果、より一層の制御の安定化を図ることが可能となる。
更に、アクチュエータの動作速度に応じてフィードバックループを切り替えるので、例えば、アクチュエータの動作速度が速度飽和が生ずる速度に達していなかった場合には、安定化フィルタを経由せずに操作量をフィードバックさせることができる。これにより、速度飽和が発生しないときには、ハイゲインとならずに、従来通りの制御性能を発揮することが可能となる。この結果、より一層の制御の安定化を図ることが可能となる。
本発明の第２態様は、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前記アクチュエータの制御指令を生成する前記制御対象の運動制御系と、前記アクチュエータの制御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アクチュエータの制御系とを備える制御装置であって、前記アクチュエータの制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、前記アクチュエータの出力である操作量の速度を検出する速度検出手段と、前記アクチュエータの出力である操作量の速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記アクチュエータの制御系のフィードバック値とする演算手段とを具備する制御装置である。
このように、アクチュエータの制御系のフィードバックループに位相進み補償要素を有する安定化フィルタを設けることにより、アクチュエータの制御系の速度飽和に起因する位相遅れを低減でき、制御対象の運動制御系の制御を安定させることが可能となる。
更に、安定化フィルタを有していないフィードバックループと安定化フィルタを有しているフィードバックループとの切り替えを緩やかに行うことが可能となる。フィードバックループの切替に伴う舵角速度のチャタリングなどを回避することが可能となる。
更に、安定化フィルタを有していないフィードバックループと安定化フィルタを有しているフィードバックループとの切り替えを緩やかに行うことが可能となる。フィードバックループの切替に伴う舵角速度のチャタリングなどを回避することが可能となる。
上記制御装置において、前記安定化フィルタは、前記アクチュエータの制御系に含まれる速度飽和要素を、記述関数法を用いてモデル化し、前記記述関数を含めた前記アクチュエータの制御系で、前記制御対象の運動制御系の開ループ伝達関数を算出し、前記開ループ伝達関数のボード線図を作成し、前記ボード線図における周波数応答に基づいて作成されることとしてもよい。
上記制御装置において、前記アクチュエータの制御系に含まれる速度飽和要素を示す記述関数は、周波数領域に対応付けて、速度飽和しない場合、１周期のうちの一部において速度飽和する場合、１周期の全域において速度飽和する場合の３つの記述関数が設定されていてもよい。
このように、周波数領域に応じて区分し、それぞれの場合において記述関数を設定するので、安定化フィルタの設計精度を向上させることが可能となる。
本発明の第３態様は、舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、舵角速度を検出する舵角速度検出手段と、前記舵角速度検出手段によって検出された舵角速度が前記舵の動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって、前記舵角速度が前記閾値以上であると判定された場合に、前記安定化フィルタを挿入したフィードバックループとし、前記舵角速度が前記閾値未満であると判定された場合に、前記安定化フィルタを除いたフィードバックループとする切替手段とを備える制御装置である。
本発明の第４態様は、舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、舵角速度を検出する速度検出手段と、舵角速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された前記舵角速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記舵制御系のフィードバック値とする演算手段とを具備する制御装置である。
本発明の第４態様は、舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、舵角速度を検出する速度検出手段と、舵角速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された前記舵角速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記舵制御系のフィードバック値とする演算手段とを具備する制御装置である。
本発明によれば、速度飽和による位相遅れを低減し、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。
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、飛翔体、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。
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。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る制御装置１について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る制御装置１のブロック線図の一例を示している。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。
以下、本発明の第１実施形態に係る制御装置１について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る制御装置１のブロック線図の一例を示している。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。
制御装置１は、メジャーループである船体の姿勢制御系（制御対象の運動制御系）２０と、マイナーループである舵制御系（アクチュエータの制御系）３０とを主な構成として備えている。
船体の姿勢制御系２０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φ＊を生成する制御系であり、船体２の姿勢θｐをフィードバックするフィードバックループ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、舵制御系３０に対する舵角指令φ＊を生成するＰＩＤ制御部２３と、外乱を推定してその外乱を相殺するような外乱補正値τｐを出力する外乱制御部２４と、舵角指令φ＊から外乱補正値τｐを減算することにより、最終的な舵角指令φｃ＊を算出する差分演算部２５とを主な構成として備えている。
船体の姿勢制御系２０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φ＊を生成する制御系であり、船体２の姿勢θｐをフィードバックするフィードバックループ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、舵制御系３０に対する舵角指令φ＊を生成するＰＩＤ制御部２３と、外乱を推定してその外乱を相殺するような外乱補正値τｐを出力する外乱制御部２４と、舵角指令φ＊から外乱補正値τｐを減算することにより、最終的な舵角指令φｃ＊を算出する差分演算部２５とを主な構成として備えている。
舵制御系３０は、舵１０の舵角φを舵角指令φｃ＊に一致させるための制御系であり、舵１０の舵角φをフィードバックするフィードバックループ３１と、フィードバックループ３１に設けられた安定化フィルタ３２と、安定化フィルタ３２を介して出力された舵角φ´と舵角指令φｃ＊との差分を算出する差分演算部３３とを主な構成として備えている。
ここで、安定化フィルタ３２は、舵１０の速度飽和による位相遅れを低減させるためのフィルタであり、例えば、位相進み補償要素を有している。この安定化フィルタ３２の設計手法の詳細については後述する。
また、上記ＰＩＤ制御部２３は、舵１０が非線形要素を含まない場合を想定して設計されている。
ここで、安定化フィルタ３２は、舵１０の速度飽和による位相遅れを低減させるためのフィルタであり、例えば、位相進み補償要素を有している。この安定化フィルタ３２の設計手法の詳細については後述する。
また、上記ＰＩＤ制御部２３は、舵１０が非線形要素を含まない場合を想定して設計されている。
このような制御装置１によれば、船体２の姿勢θｐがフィードバックされ、船体２の姿勢θｐと目標姿勢θｐ＊との差分がＰＩＤ制御部２３に出力される。ＰＩＤ制御部２３では、この入力に対して船体２の姿勢θｐを目標姿勢θｐ＊に追従させるための舵角指令φ＊が生成される。舵角指令φ＊は差分演算部２５において、外乱制御部２４からの外乱補正値τｐが差し引かれ、最終的な舵角指令φｃ＊が舵制御系３０に入力される。
舵制御系３０では、舵の実舵角φが安定化フィルタ３２を経由することにより、位相が補償されてフィードバックされる。差分演算部３３において、フィードバックされた位相補償後の舵角φ´と船体の姿勢制御系２０からの舵角指令φｃ＊との差分が算出され、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の角度が変化し、船体２の姿勢が目標姿勢に追従する。
次に、上述した安定化フィルタ３２の設計手順について図を参照して説明する。
まず、舵制御系に含まれる速度飽和要素Ｎ（ａ，ω）を、記述関数法を用いてモデル化する。舵の速度飽和の発生状況は、周波数と振幅に依存する。そこで、本実施形態では、周波数領域に応じて、速度飽和しない場合、１周期のうちの一部において速度飽和する場合、１周期の全域において速度飽和する場合の３つの場合に区分し、それぞれの周波数領域における速度飽和要素の記述関数を定義する。
まず、舵制御系に含まれる速度飽和要素Ｎ（ａ，ω）を、記述関数法を用いてモデル化する。舵の速度飽和の発生状況は、周波数と振幅に依存する。そこで、本実施形態では、周波数領域に応じて、速度飽和しない場合、１周期のうちの一部において速度飽和する場合、１周期の全域において速度飽和する場合の３つの場合に区分し、それぞれの周波数領域における速度飽和要素の記述関数を定義する。
具体的には、周波数ωがオンセット周波数ωonset未満の場合には、図２に示すように、舵角及び速度は、舵角指令及び舵角速度指令にそれぞれ一致して変化し、速度飽和は生じない。従って、以下の（１）式のように記述関数を定義する。なお、図２において図２（ａ）は角度の時間的変化、図２（ｂ）は速度の時間的変化を示している。
また、周波数ωがオンセット周波数ωonset以上完全飽和周波数ωg未満の場合には、図３に示すように、１周期のうちの一部（図３では、τ１からτ２の期間以外）で速度飽和が生ずることから、（２）式のように記述関数を定義する。図３において図３（ａ）は角度の時間的変化、図３（ｂ）は速度の時間的変化を示している。
上記（２）式において、τ１は速度飽和が発生している状態から発生していない状態へ切り替わる時刻、τ２は速度飽和が発生していない状態から発生する状態へ切り替わる時刻である。また、オンセット周波数ωonset及び完全飽和周波数ωgは、以下の（３）式、（４）式で定義される。（４）式において、ＶＬはアクチュエータの最大速度、ａはアクチュエータに入力される舵角指令の振幅である。
また、周波数ωが完全飽和周波数ωg以上の場合には、図４に示すように、１周期の全域で速度飽和が生ずることから、（５）式のように記述関数を定義する。図４において図４（ａ）は角度の時間的変化、図４（ｂ）は速度の時間的変化を示している。
次に、上記各周波数領域における記述関数を用いて、図５に示すような船体の姿勢制御系の開ループ伝達関数を算出する。このとき、舵制御系は、速度飽和要素（非線形要素）を含むものとして取り扱われる。図５に示した船体運動制御系の開ループ伝達関数は、例えば、以下の（６）式で与えられる。
（５）式においてＧＰＩＤは、ＰＩＤ制御部２３の伝達関数、ＧＰは船体モデル、ＧＳＶは舵１０の線形モデルである。また、Ｎ（ａ，ω）は舵１０の速度飽和要素であり、対象となる周波数領域に応じて上記（１）式、（２）式、（５）式で表わされる。
次に、上記（６）式の開ループ伝達関数を用いて安定判定を行う。この安定判定は、（６）式の開ループ伝達関数を用いて、入力の振幅と周波数を変化させたときのナイキスト線図に基づいて行われる。具体的には、入力の振幅が最大となるベクトル軌跡が座標（−１，０）を左に見る場合には安定、左に見ない場合には不安定と判定する。
具体的には、（６）式の開ループ伝達関数において、舵１０の振幅（舵の動作舵角）を下限値から上限値まで離散的に変化させたときのナイキスト線図を作成する。図６及び図８は、舵１０の振幅の上限値を１００％とし、舵１０の振幅を３％、１４％、７１％、１００％にそれぞれ変化させたときのナイキスト線図の一例を示している。図６は現行制御時、図８は制御ゲインを現行制御の１．５倍としたときのものである。
図６に示したナイキスト線図では、最大振幅１００％のときでも、座標（−１，０）を左に見ているので、制御は安定していると判定される。このため、例えば、図７に示すように、船体ピッチ角（図７（ａ）参照）、舵角（図７（ｂ）参照）、舵角速度（図７（ｃ）参照）の各指令に対する追従性は優れており、制御が安定していることがわかる。
これに対し、図８に示したナイキスト線図では、最大振幅１００％のときに、座標（−１，０）を右に見ているので、制御は不安定であると判定される。このため、例えば、図９に示すように、船体ピッチ角（図９（ａ）参照）、舵角（図９（ｂ）参照）、舵角速度（図９（ｃ）参照）の各指令に対する追従性は極めて悪く、制御が不安定であることがわかる。特に、舵角の速度飽和が発生し、位相遅れが増大しており、船体ピッチ角制御が不安定となっている。
次に、図８に示したように、ナイキスト線図を用いた安定性判定において、制御が不安定であると判定された場合には、安定化フィルタが必要であると判断し、安定化フィルタの作成を行う。なお、速度飽和が発生することが確実に分かっている場合には、上述したナイキスト線図による安定判定は省略することも可能である。
安定化フィルタの設計では、（６）式の開ループ伝達関数を用いてボード線図、すなわち、ゲイン線図と位相線図とを作成する。図１０にゲイン線図の一例を、図１１に位相線図の一例を示す。ゲイン線図及び位相線図から、速度飽和による位相遅れが発生している周波数領域を特定することができる。したがって、位相遅れが発生している周波数領域において、位相が進むような安定化フィルタを設計することで、速度飽和による位相遅れを低減させることができる。
例えば、位相遅れが発生し始める周波数から制御応答させたい周波数の１０倍程度までの位相を進めるような安定化フィルタの時定数を決定する。
ここでは、一例として、周波数ｆｍｉｎ[Ｈｚ]からｆｍａｘ[Ｈｚ]までの位相を進めることとし、以下の（７）式のような位相進み補償要素を設計する。
例えば、位相遅れが発生し始める周波数から制御応答させたい周波数の１０倍程度までの位相を進めるような安定化フィルタの時定数を決定する。
ここでは、一例として、周波数ｆｍｉｎ[Ｈｚ]からｆｍａｘ[Ｈｚ]までの位相を進めることとし、以下の（７）式のような位相進み補償要素を設計する。
上記（７）式で示される位相進み補償要素のゲイン線図を図１２に、位相線図を図１３に示す。
そして、図１４に示すように、上記手順で設計した進み位相補償要素を有する安定化フィルタ３２を舵制御系３０のフィードバックループ３１に設けることで、速度飽和による位相遅れを低減させることが可能となる。なお、図１４に示したブロック線図では、外乱制御部を省略している。
そして、このような安定化フィルタ３２を設けた場合の制御の安定性を再度ナイキスト線図を作成することで確認する。図１５は、安定化フィルタ３２を設けた後のナイキスト線図を示している。このように、舵１０の振幅を最大にした場合でも、座標（−１，０）の点を左に見ることができ、速度飽和要素を含めた制御系の安定化が実現できていることがわかる。
そして、このような安定化フィルタ３２を設けた場合の制御の安定性を再度ナイキスト線図を作成することで確認する。図１５は、安定化フィルタ３２を設けた後のナイキスト線図を示している。このように、舵１０の振幅を最大にした場合でも、座標（−１，０）の点を左に見ることができ、速度飽和要素を含めた制御系の安定化が実現できていることがわかる。
以上、本実施形態に係る制御装置１によれば、舵を制御する舵制御系３０のフィードバックループに位相進み補償要素を有する安定化フィルタ３２を設けたので、速度飽和による位相遅れを低減することができ、船体の姿勢制御系の制御を安定化させることができる。これにより、船体の姿勢制御の速度飽和要素による不安定化の解消しつつ応答性を向上させることが可能となる。
図１６及び図１７は、図２７に示した従来の制御装置５０に、速度飽和が生じる舵の舵角指令を与えた場合の応答性を示した図であり、図１６は舵角指令と実舵角との関係を、図１７は舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。また、図１８及び図１９は、図１に示した本実施形態に係る制御装置１に、速度飽和が生じる舵の制御指令を与えた場合の応答性を示した図であり、図１８は、舵角指令と実舵角との関係を、図１９は舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。
図１６及び図１７に示すように、従来の制御装置５０では、舵角指令、舵角速度指令に対する応答に速度飽和が発生し、１７０ｄｅｇの位相遅れが生じており、追従性が極めて悪いことがわかる。これに対し、図１８及び図１９に示すように、本実施形態に係る制御装置１によれば、舵角指令の位相遅れを５３ｄｅｇにまで低減することができ、また、図１７に示されているような速度飽和も発生していないことがわかる。このように、本実施形態に係る制御装置１によれば、従来に比べて速度飽和に対する不安性を解消するとともに高い応答性を実現することができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図２０に示すように、図１に示した制御装置１の構成に加えて、舵角速度検出部（速度検出手段）３４、判定部（判定手段）３５、及び切替部（切替手段）３６を更に備えている。
次に、本発明の第２実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図２０に示すように、図１に示した制御装置１の構成に加えて、舵角速度検出部（速度検出手段）３４、判定部（判定手段）３５、及び切替部（切替手段）３６を更に備えている。
舵角速度検出部３４は、実舵角φが入力され、この実舵角φを微分することにより、舵角速度を算出する。ここで、舵角速度検出部３４は、帯域制限付きの微分器とされていてもよい。
判定部３５は、舵角速度検出部３４によって検出された舵角速度が、舵１０の動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する。例えば、閾値は、動作速度の上限値の９０％付近に設定される。
切替部３６は、判定部３５によって舵角速度が閾値以上であると判定された場合に、安定化フィルタを挿入したフィードバックループ３１ｂとし、舵角速度が閾値未満であると判定された場合に、安定化フィルタ３２を除いたフィードバックループ３１ａとする。
判定部３５は、舵角速度検出部３４によって検出された舵角速度が、舵１０の動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する。例えば、閾値は、動作速度の上限値の９０％付近に設定される。
切替部３６は、判定部３５によって舵角速度が閾値以上であると判定された場合に、安定化フィルタを挿入したフィードバックループ３１ｂとし、舵角速度が閾値未満であると判定された場合に、安定化フィルタ３２を除いたフィードバックループ３１ａとする。
これにより、例えば、舵角速度が速度飽和が発生しないような速度である場合には、安定化フィルタ３２が設けられていないフィードバックループ３１ａを通じて実舵角φがそのままフィードバックされる。一方、速度飽和が発生するような舵角速度の場合には、安定化フィルタ３２が設けられたフィードバックループ３１ｂを通じて位相補償がなされた実舵角φ´がフィードバックされる。
これにより、舵１０の動作状態に応じて適切な制御系を選択することができ、より一層の制御の安定化を図ることが可能となる。
これにより、舵１０の動作状態に応じて適切な制御系を選択することができ、より一層の制御の安定化を図ることが可能となる。
図２１及び図２２は、図２０に示した本実施形態に係る制御装置に、速度飽和が生じる舵１０の制御指令を与えた場合の応答性を示した図であり、図２１は、舵角指令と実舵角との関係を、図２２は舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。
図２１に示すように、本実施形態に係る制御装置によれば、位相遅れを３９ｄｅｇにまで低減することができた。この結果は、図１６及び図１７に示した従来の制御装置５０の場合に比べて、位相遅れを７７％低減できたこととなる。また、図１８及び図１９に示した第１実施形態に係る制御装置１に比べて、位相遅れを更に低減できていることがわかる。このように、安定化フィルタ３２の切替機能を設けることにより、船体の姿勢制御の応答性向上を更に期待することができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図２３に示すように、図１に示した制御装置１の構成に加えて、舵角速度検出部３４、重み付け取得部３７、及び演算部３８を更に備えている。
次に、本発明の第３実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図２３に示すように、図１に示した制御装置１の構成に加えて、舵角速度検出部３４、重み付け取得部３７、及び演算部３８を更に備えている。
舵角速度検出部３４は、実舵角φが入力され、この実舵角を微分することにより、舵角速度を算出する。
重み付け取得部３７は、舵角速度と重み付け値が関連付けられたテーブルまたは演算式を有しており、舵角速度検出部３４によって検出された舵角速度に対応する重み付け値を取得する。図２４に、重み付けテーブルの一例を示す。図２４において、横軸は舵角速度［％］、縦軸は重み付け値α（０≦α≦１）である。重み付け値αは、舵１０が追従可能な最大速度、換言すると、速度飽和が生ずる舵角速度を１００％としたときに、その５０％から徐々に重み付けが０から１に向けて比例増加するように設定されている。
重み付け取得部３７は、舵角速度と重み付け値が関連付けられたテーブルまたは演算式を有しており、舵角速度検出部３４によって検出された舵角速度に対応する重み付け値を取得する。図２４に、重み付けテーブルの一例を示す。図２４において、横軸は舵角速度［％］、縦軸は重み付け値α（０≦α≦１）である。重み付け値αは、舵１０が追従可能な最大速度、換言すると、速度飽和が生ずる舵角速度を１００％としたときに、その５０％から徐々に重み付けが０から１に向けて比例増加するように設定されている。
演算部３８は、重み付け取得部３７によって取得された重み付け値αを用いて、安定化フィルタ３２が設けられたフィードバックループ３１ｂと、安定化フィルタ３２が設けられていないフィードバックループ３１ａとに重み付けをし、それぞれのフィードバックループの出力を加算した値を舵制御系３０ｂのフィードバック値とする。具体的には、安定化フィルタ３２の出力φ´に重み付け値αを乗じた値αφ´と、実舵角φに（１−α）を乗じた値（１−α）φとを加算した値（＝αφ´＋（１−α）φ）を舵制御系３０の差分演算部３３にフィードバックする。
これにより、例えば、舵角速度が速度飽和が発生する舵角速度の５０％未満であるときには、実舵角φが差分演算部３３にフィードバックされ、舵角速度が速度飽和が発生する舵角速度であった場合（すなわち、１００％以上の場合）には、安定化フィルタ３２を経由することにより位相進み補償のなされた舵角φ´が差分演算部３３にフィードバックされる。また、舵角速度が速度飽和が発生する舵角速度の５０％以上から１００％未満である場合には、安定化フィルタ３２を経由した舵角φ´と安定化フィルタ３２を経由していない実舵角φとが舵角速度に応じた重み付け値で重み付けされ、それらを加算した値が差分演算部３３にフィードバックされる。このとき、舵角速度が大きいほど安定化フィルタを経由した舵角φ´の配分が大きくなるように調整される。
このように、舵角速度に応じて重み付けを行うことで、安定化フィルタを有していないフィードバックループ３１ａと安定化フィルタ３２を有しているフィードバックループ３１ｂとの切り替えを緩やかに行うことが可能となる。これにより、フィードバックループの切替に伴う不安定要素を排除することが可能となる。
図２５及び図２６は、図２３に示した本実施形態に係る制御装置に、速度飽和が生じる舵の制御指令を与えた場合の応答性を示した図であり、図２５は、舵角指令と実舵角との関係を、図２６は舵角速度指令と実舵角速度との関係を示した図である。
図２５及び図２６に示すように、位相遅れを４０ｄｅｇにまで低減することができた。この結果は、図１６及び図１７に示した従来の制御装置５０の場合に比べて、位相遅れを７６％低減できたこととなる。また、図２１及び図２２に示した第２実施形態に係る制御装置１に比べて、スイッチ切替に伴う舵角速度のチャタリングを解消できていることがわかる。このように、安定化フィルタ３２を有しないフィードバックループ３１ａと安定化フィルタ３２を有するフィードバックループ３１ｂとの切替を緩やかに行うことにより、船体の姿勢制御の応答性向上が期待できるとともに舵のチャタリングを抑制することができる。
１ 制御装置
２ 船体
１０ 舵
２０ 船体の姿勢制御系
２１、３１ フィードバックループ
２２、２５、３３ 差分演算部
２３ ＰＩＤ制御部
２４ 外乱制御部
３０ 舵制御系
３２ 安定化フィルタ
３４ 舵角速度検出部
３５ 判定部
３６ 切替部
３７ 重み付け取得部
３８ 演算部
２ 船体
１０ 舵
２０ 船体の姿勢制御系
２１、３１ フィードバックループ
２２、２５、３３ 差分演算部
２３ ＰＩＤ制御部
２４ 外乱制御部
３０ 舵制御系
３２ 安定化フィルタ
３４ 舵角速度検出部
３５ 判定部
３６ 切替部
３７ 重み付け取得部
３８ 演算部
Claims (6)
- 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前記アクチュエータの制御指令を生成する前記制御対象の運動制御系と、前記アクチュエータの制御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アクチュエータの制御系とを備える制御装置であって、
前記アクチュエータの制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
前記アクチュエータの出力である操作量の速度を検出する速度検出手段と、
前記速度検出手段によって検出された速度が前記アクチュエータの動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって、前記速度が前記閾値以上であると判定された場合に、前記安定化フィルタを挿入したフィードバックループとし、前記速度が前記閾値未満であると判定された場合に前記安定化フィルタを除いたフィードバックループとする切替手段と
を具備する制御装置。 - 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前記アクチュエータの制御指令を生成する前記制御対象の運動制御系と、前記アクチュエータの制御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アクチュエータの制御系とを備える制御装置であって、
前記アクチュエータの制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
前記アクチュエータの出力である操作量の速度を検出する速度検出手段と、
前記アクチュエータの出力である操作量の速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、
前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記アクチュエータの制御系のフィードバック値とする演算手段と
を具備する制御装置。 - 前記安定化フィルタは、
前記アクチュエータの制御系に含まれる速度飽和要素を、記述関数法を用いてモデル化し、
記述関数を含めた前記アクチュエータの制御系で、前記制御対象の運動制御系の開ループ伝達関数を算出し、
前記開ループ伝達関数のボード線図を作成し、
前記ボード線図における周波数応答に基づいて作成される請求項１または請求項２に記載の制御装置。 - 前記アクチュエータの制御系に含まれる速度飽和要素を示す前記記述関数は、周波数領域に対応付けて、速度飽和しない場合、１周期のうちの一部において速度飽和する場合、１周期の全域において速度飽和する場合の３つの記述関数が設定されている請求項３に記載の制御装置。
- 舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、
前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
舵角速度を検出する舵角速度検出手段と、
前記舵角速度検出手段によって検出された舵角速度が前記舵の動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって、前記舵角速度が前記閾値以上であると判定された場合に、前記安定化フィルタを挿入したフィードバックループとし、前記舵角速度が前記閾値未満であると判定された場合に、前記安定化フィルタを除いたフィードバックループとする切替手段と
を備える制御装置。 - 舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、
前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
舵角速度を検出する速度検出手段と、
舵角速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された前記舵角速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、
前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記舵制御系のフィードバック値とする演算手段と
を具備する制御装置。
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