JP6253835B1 - 発進から巡航に移行する際に船速を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶のエンジン速度を制御するための加速プロファイルを船舶の操縦者が選択することを許容する加速制御システムを提供する。【解決手段】船舶の速度を制御するための方法は、発進コマンドに応答して船舶を加速することを含む。方法は、次に、制御器がフィードバック制御を使用することにより、船速を所望の船速に維持することを含む。制御器は、以下の条件が真であると決定することに応答して、フィードバック制御の微分項を段階的に導入する。（ａ）船速が、所望の船速の所与の範囲内である。（ｂ）船舶の加速率が、所与の値よりも小さい。【選択図】図６

Description

本開示は、舶用推進システムによって推進される船舶の速度を制御するためのシステム及び方法に関する。

参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，２１４，１１０号、及び第７，３６１，０６７号は、初期の開始速度から最終的な所望の速度までの船舶のエンジン速度を制御するための加速プロファイルを、船舶の操縦者が選択することを許容する加速制御システムを開示する。ウェイクボード及び水上スキーのようなトーイングスポーツと関連して使用される場合、加速プロファイルの使用は、水上スキーヤが、静止位置からフルスピード状態に加速する期間中、一貫した性能を提供する。

本概要は、詳細な説明において以下にさらに説明される概念の抜粋を紹介するよう提供されている。本概要は、特許請求されている主題の主な、又は必須の特徴を特定することを意図されておらず、又は、特許請求されている主題の範囲を限定する補助として用いられることも意図されていない。

本開示の一例において、船舶の速度を制御するための方法は、発進コマンドに応答して船舶を加速することを含む。方法は、次に、制御器がフィードバック制御を使用することにより、船速を所望の船速に維持することを含む。制御器は、以下の条件が真であると決定することに応答して、フィードバック制御の微分項を段階的に導入する。（ａ）船速が、所望の船速の所与の範囲内である。（ｂ）船舶の加速率が、所与の値よりも小さい。

本開示の別の例において、船舶の推進制御器が、発進モードから巡航制御モードに移行するときに船舶の速度を制御するための方法が開示される。方法は、推進制御器が、いつ、発進モードから巡航制御モードに移行されたのかを決定すること、及び、船舶の加速率が、いつ、所与の値よりも小さいのかを決定することを含む。推進制御器が発進モードから巡航制御モードへ移行すること、及び、加速率が所与の値よりも小さいことに応答して、方法は、巡航制御モードにおける船速を制御するべく、推進制御器が使用するフィードバック制御アルゴリズムに微分項を段階的に導入することを含む。その後、方法は、巡航制御モードにおける船舶の所望の速度を、推進制御器で維持することを含む。

一例において、船舶の速度を制御するためのシステムも、開示される。第１のフィードバック制御器は、船舶が発進モードに従って加速している間、船速を制御する。第２のフィードバック制御器は、船舶が、巡航制御モードに従って所望の速度を維持している間、船速を制御する。推進デバイスは、第１のフィードバック制御器及び第２のフィードバック制御器からの入力を受け付け、発進モード又は巡航制御モードのそれぞれにおいて船舶を推進させるように、当該入力に従って動作する。第２のフィードバック制御器は、システムが、発進モードから巡航制御モードへ移行したという決定に応答して、及び、船舶の加速率が、所与の値よりも小さいという決定に応答して、微分項を段階的に導入する。

船舶を制御するためのシステム及び方法の例が、以下の図に関連して説明される。同様の特徴及び同様のコンポーネントを参照するべく、図の全体にわたって同一の番号が用いられる。

本開示に係る例示的な加速プロファイルを例示する。

本開示の方法を実行するためのシステムの概略図を例示する。

例示的な加速プロファイルに従って、所望の船速をオーバーシュートするためのパラメータを示している例示的な表である。

いくつかの例示的な加速プロファイルを例示する。

先行技術の方法に係る船舶の加速をプロットするグラフを例示する。

本開示に係る船舶を加速するための方法の一例を示す。

本開示に係る船舶を加速するための方法の別の例を示す。

本開示の方法に係る船舶の加速をプロットするグラフを例示する。

本説明においては、簡潔性、明瞭性、及び理解のために特定の用語が用いられている。そのような用語は、説明の目的のみに用いられ、且つ、広く解釈されることを意図しているので、不必要な限定が、そこから先行技術の要件を超えて示唆されるべきではない。本明細書で説明される種々のシステム及び方法は、単独で用いられてよく、又は、他のシステム及び方法と組み合わせて用いられてよい。様々な均等物、代替物、及び変更形態が、添付の特許請求の範囲内で可能である。「のための手段」又は「のための段階」という用語が各限定において明示的に列挙されている場合のみに、添付の特許請求の範囲における各限定は、米国特許法第１１２条（ｆ）項の下で解釈を援用することが意図される。

図１は、船舶の例示的な加速プロファイル１０のグラフ表示である。加速プロファイル１０は、船速を時間の関数として例示し、第１のセグメント１２、及び第２のセグメント１４を備える。第１のセグメント１２は、第１の期間１６と関連付けられ、第２のセグメント１４は、第２の期間１８と関連付けられる。加速プロファイル１０の第１のセグメント１２は、初期の船速２０から船速２２に至り、船速２２は、破線２４によって表される所望の船速又は最終的な船速に実質的に等しい。加速プロファイル１０の第１のセグメント１２は、船舶及びその推進制御器の発進モードに該当する。加速プロファイル１０の第２のセグメント１４は、破線２６によって表わされる第１の期間１６の終了時に生じる点２２の当該所望の船速から、所望の最終的な速度２４より幾分か大きい速度に至る。このより大きい船速は、図１において、破線２８によって識別される。より大きい速度２８は、寸法３０で例示される予め選択された大きさだけ、所望の最終的な船速２４より大きい大きさである。第２のセグメント１４は、矢印３２で識別される期間中、加速部分を備え得、矢印３４で表わされる期間中、減速部分を備え得ることが分かる。加速部分と減速部分との両方は、第２の期間１８中に生じる。点３６で終了する第２の期間１８の後、操縦者が、所望の最終的な船速２４で巡航することを希望する限り、船速は、その速度に維持されることができる。従って、破線２６以降の期間は、船舶及びその推進制御器の巡航制御モードに該当する。

図２は、本開示の一例が典型的に使用され得る環境の概略図である。破線ボックス３８は、エンジン４２を含む舶用推進デバイス４０が、船舶３８の舶用推進を提供する船舶を表わす。手動で制御可能なスロットルメカニズム４４は、エンジン４２の動作速度を制御することにより、船舶の操縦者が、船速を制御することを許容する。エンジン制御モジュールのような推進制御器４６は、手動で制御可能なスロットルメカニズム４４のスロットルハンドル４８の位置から受信した信号に準じて、エンジン４２の動作速度を制御する。図２にさらに示されるのは、船舶３８の操縦者が、追加の情報を制御器４６に提供することを許容する制御パネル５０である。地理的な位置信号を制御器４６に提供するＧＰＳデバイス５２も、船舶３８上に設けられる。ＧＰＳデバイス５２は、船速の１つの測定を成し所与の期間に移動した距離として計算される対地速度（ＳＯＧ）の測定値も制御器４６に提供し得る。しかしながら、ＧＰＳデバイス５２は、本開示の全ての実施形態においては必要とされず、速度計、ピトー管、外輪等が、船舶の速さを測定するための代替物であることが理解されるべきである。

図１及び図２に関連して、制御パネル５０は、船舶の操縦者が、典型的に、潜在的プロファイルのポートフォリオから加速プロファイルを選択すること、及び、開始コマンド信号が受信された場合、将来的な適用のために当該選択を制御器４６に提供することを許容する。開始コマンドは、手動で制御可能なスロットルメカニズム４４から制御器４６によって受信され得る。開始コマンドは、中立位置又はアイドル速度位置から、最高速度又は最高速度近傍の速度のような、より高速のコマンドへのスロットルハンドル４８の突然の動きによって始動され得る。

引き続き図１及び図２に関連して、本開示の一例のいくつかの特性が観察され得る。例えば、第１の期間１６中、加速プロファイル１０の第１のセグメント１２は、おおむね一定である。図１におけるグラフ表示は、点２０から点２２で船速が変化するとき、僅かに増加している加速率を表わすものとして、この第１のセグメント１２を示す。しかしながら、この加速率は、図１で示されるより遥かに一定であり得る。換言すると、加速プロファイルの第１のセグメント１２は、事実上、点２０と点２２との間に至る直線であり得る。第１の期間１６の満了後、オーバーシュート状態が意図的に設けられるが、必須ではない。点２２で所望の最終的な船速２４を達成後、船速は、当該所望の船速２４を超えて増加し、寸法３０で表わされるオーバーシュートを達成する。これは、破線２８で表わされる速度の達成をもたらす。この継続した加速が、矢印３２で識別される期間において生じる。次に、予め選択された手順に従って、船速は、期間３４中、図１の点３６で達成される所望の最終的な船速２４まで減速する。

一例において、加速プロファイルに関する情報は、５つの潜在的な加速プロファイルのそれぞれに関して３つのパラメータで表わされる。本開示の範囲を限定しない例示的な情報が、図３において示される。図３のこの例示的な表において、５つの技術レベルが表わされる。レベル毎に、Δキロメートル毎時毎秒（ΔＫＰＨ／Ｓ）として表わされる加速の率が、関係するオーバーシュートの大きさの割合と共に格納される。オーバーシュートの大きさの割合は、図１の寸法３０で表わされる大きさ対、図１の矢印３３で表わされる大きさの割合に相当する。最終的な所望の船速が、２０キロメートル毎時の場合、例えば、図３におけるレベル３のプロファイルは、図１の寸法３０で表わされる差分となる１０％のオーバーシュート、又は２キロメートル毎時を規定するであろう。図３において、レベル毎のオーバーシュートの持続時間も格納される。オーバーシュートの持続時間は、加速プロファイル毎に、秒単位で測定される矢印１８の大きさを表す。ここで、レベル３のプロファイルについて、オーバーシュートは、３．０秒続くであろう。制御パネル５０を使用して、船舶の操縦者は、開始信号を提供する前に、プロファイル（例えば、１から５）を選択するであろう。それは、上記で述べられるように、操縦者が、手動で操作されるスロットルハンドル４８を初期の速度位置からより高速の位置へと急速に動かす場合に生じる。図３で示される表は、制御器４６のメモリ内に加速プロファイルをプログラムする唯一の手法ではなく、方程式、又は他の種類の入出力マップが使用されてよいことに留意されたい。

図４は、いくつかの加速プロファイルのグラフ表示である。線９０は、最高船速コマンドの割合として、左軸に対して測定されたスロットルハンドル４８の位置を表わす。加えて、図４において、５つの加速プロファイルが、右軸に対して示される。示されるように、本開示のこの特定の実施形態は、線９０で表わされるように、比較的短期間における速度コマンドゼロから速度コマンド１００％へのスロットルハンドル４８の急速な動きに応答する。スロットルハンドル４８のこの急速な動きが制御器４６によって検出されると、例示される加速プロファイルのうちの１つが続く。図４において、５つのプロファイルが同時に示されるが、制御パネル５０を介した操縦者の前の選択に従って、１つのプロファイルのみが適用されるであろうことが理解されるべきである。図４において、加速プロファイル９１は、図３におけるレベル１のプロファイルに一般に一致し、図４における加速プロファイル９２は、図３において示されるレベル２のプロファイルに一般に一致し、以下同様である。

図示されるように、各加速プロファイル９１から９５は、船舶の発進に該当する初期の加速部分、又は第１のセグメント１２と、船舶の巡航制御の始まりに該当する任意選択のオーバーシュート部分、又は第２のセグメント１４と、船舶の巡航制御の継続に該当する定常状態部分、又は第３のセグメント１５とを備える。オーバーシュート部分は、静止位置から「平面」位置又は「急上昇」位置（平面上と平面上から外れた間）に、より堅牢な又は力強い開始として、操縦者に認識される。これは、船舶３８によって課された負荷に起因して、船速が、エンジン速度より遅れることによる結果である。図４において示されるように、５つの加速プロファイル９１から９５の全ては、同一の初期の船速で始まり、同一の所望の最終的な船速で巡航することによって終了するが、第１のセグメント１２の加速率、及び第２のセグメント１４のオーバーシュートに関しては、著しく異なる。

図２において示される制御器４６が船速を制御するプロセスは、適用によって異なることができる。典型的な適用において、加速プロファイルの第１のセグメント１２中、及び、開始コマンドに続いて、制御器４６は、エンジン４２のスロットルプレートの開口部を増加することによって、速さの漸増を反復してスケジューリングするであろう。スロットルプレートの動きの率の調整は、発進強度レベル（Δキロメートル毎時毎秒）の関数として成されるであろう。この関数は、加速プロファイルの第１のセグメント１２中に、継続して実施されるであろう。次に、例えば、図３の表を用いて、加速プロファイルの第２のセグメント１４のための任意選択のオーバーシュートの所望の割合を決定した後、図１と関連して上記に述べられるように、制御器４６は、加速プロファイルの所望の形状を達成するべく、一般に類似した関数を実施するであろう。代替的に、制御器４６は、直接噴射エンジン内のようなエンジン４２のシリンダ内に噴射される燃料を変動させ、加速プロファイルの期間中の各時点で、所望の船速を達成することができる。エンジン制御の当業者は、任意の特定の時点で、船速を制御するために周知である多くの代替的なプロセスを有することが理解されるべきである。これらのプロセスは、加速プロファイルの期間にわたって各時点で実施され、所望の加速プロファイルを達成することができる。

再度図２を参照すると、本明細書で上記に言及されるように、本開示のシステムは、制御器４６を含む。制御器４６は、処理システム、ストレージシステム、ソフトウェア、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェースを含むコンピューティングシステムを含み得る。処理システムは、ストレージシステムから船舶発進のソフトウェアアプリケーションモジュールを含むソフトウェアをロード及び実行する。コンピューティングシステムによって実行される場合、船舶発進ソフトウェアアプリケーションモジュールは、本明細書に説明されるように動作して船舶の発進方法を実行するよう処理システムに指示する。

コンピューティングシステムは、１又は多数のアプリケーションモジュール及び１又は複数のプロセッサを含んでよく、これらは通信可能に接続され得る。処理システムは、マイクロプロセッサ、及びストレージシステムからソフトウェアを読み出して実行する他の回路を備え得る。処理システムは、単一の処理デバイス内に実装されてよいが、既存のプログラム命令で協働する複数の処理デバイス又はサブシステムにわたって分散されていてもよい。処理システムの非限定的な例は、汎用の中央演算処理装置、アプリケーション固有のプロセッサ及びロジックデバイスを含む。

ストレージシステムは、処理システムにより読み取り可能であり、かつ、ソフトウェアを格納することが可能な任意の記憶媒体を備え得る。ストレージシステムは、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータのような情報を記憶するための任意の方法又は技術で実装される、揮発性及び不揮発性の、取り外し可能及び取り外し不可能な媒体を含み得る。ストレージシステムは、単一のストレージデバイスとして、又は、複数のストレージデバイス又はサブシステムにわたって実装され得る。ストレージシステムは、処理システムと通信することが可能な制御器のような付加要素をさらに含み得る。記憶媒体の非限定的な例は、ランダムアクセスメモリ、リードオンリメモリ、磁気ディスク、光ディスク、フラッシュメモリ、仮想メモリ及び非仮想メモリ、磁気セット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ若しくは他の磁気ストレージデバイス、又は、所望の情報を格納するために用いることができ、命令実行システムによりアクセスされ得る任意の他の媒体を含む。記憶媒体は、非一時的記憶媒体又は一時的記憶媒体であり得る。

さらに図２を参照すると、船舶発進ソフトウェアアプリケーションモジュールは、船舶３８が発進モードに従って加速している間、船速を制御する第１のフィードバック制御器５４、及び、船舶が、巡航制御モードに従って所望の速度を維持している間、船速を制御する第２のフィードバック制御器５６を含み得る。第１のフィードバック制御器５４及び第２のフィードバック制御器５６は、制御器４６とは別個であり得、又は、制御器４６内の制御部であり得る。別の例において、フィードバック制御器５４及びフィードバック制御器５６は、異なるコンポーネント又は別個の制御部では全くなく、制御器４６のメモリにソフトウェアコードとして格納される。それは、既存の条件に応じて、何れかのフィードバック制御アルゴリズムを実行するべくプログラムされる。第１のフィードバック制御器５４及び第２のフィードバック制御器５６のそれぞれは、船速を制御するために異なるフィードバック制御アルゴリズムを使用できる。例えば、フィードバック制御アルゴリズムが比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムである場合、ＰＩＤゲイン及び／又はフィードバック制御器５４及びフィードバック制御器５６のそれぞれの限度は、異なってよい。推進デバイス４０は、第１のフィードバック制御器５４及び第２のフィードバック制御器５６からの入力を受け付け、発進モード又は巡航制御モードのそれぞれにおいて船舶３８を推進させるように、当該入力に従って動作する。２つの異なるフィードバック制御器５４及び５６からの異なる制御パラメータの使用は、有用である。それは、船舶３８が加速している場合、スクリューは接続されておらず（すなわち、空転している）、従って船舶３８に対する負荷及び負荷の変化は、船舶３８が巡航制御モードにおいて自体の速度を維持している場合とは、大きく異なるからである。異なる制御パラメータの第１のＰＩＤフィードバック制御器５４及び第２のＰＩＤフィードバック制御器５６を使用することは、各制御器の別個の較正を許容する。それは、今度は、発進中に発生する非定常状態にわたって、カスタマイズされた制御を許容し、巡航制御モードの間に発生する比較的定常である状態にわたって、カスタマイズされた制御を許容する。別の例においては、発進モードと巡航制御モードの両方において、１つのフィードバック制御器のみが、船舶を制御するために使用され、特定の条件が真となるまで、微分項が段階的に導入されない。この条件は、本明細書で下記に、より詳細に説明される。

研究及び開発を通して、本発明者らは、船舶３８の発進中のＰＩＤ制御に、微分項が必須ではないことを発見した。それは、非定常状態中に、微分項の安定及び制動効果は、必要とされないからである。一方、巡航制御モードの間、エンジン速度の増加と船速の応答性の増加との間の時間のずれによって生じる比例項のオーバーシュート及びアンダーシュート効果を制動させるべく、微分項は必須であった。しかしながら、本発明者らは、システムが発進モードから巡航制御モードへ移行する際、第２のフィードバック制御器５６から微分項が即座に存在することは、設定値の跳ね上がり及び不安定性を生じさせることを認識した。例えば、図５は、上段のグラフにおいて、船速対時間のプロットを示し、中段のグラフにおいて、（ここで、０＝発進モード、１＝巡航制御モード）モード対時間のプロットを示し、下段のグラフにおいて、ＰＩＤ項対時間のプロットを示す。矢印５００で示されるように、およそ１２秒において、予め定められた方法に従って、モードが発進から巡航制御（０から１）へ切り替わる。この時間において、５０２で示される船舶の実際の速度は、５０４で示される所望の船速を下回るので、Ｐ‐項５０６は、正値で始まり、船速が設定値に近づくとき、ゼロまで降下する。Ｄ‐項５０８は、しかしながら、矢印５１０で段階的変化によって示されるように、設定値に向けての加速の率に起因して、モードの移行後、ほぼ即座に下がり、エンジンからの出力を低減し、急速な減速及び短時間のオーバーシュートを引き起こし、第２のフィードバック制御器５６において不安定にさせる。しかしながら、５１２で示されるように、これは、実際の船速５０２が、所望の船速５０４をアンダーシュートすることを生じさせる。およそ１５秒で始まり、Ｐ‐項５０６及びＤ‐項５０８は、その後、所望の船速５０４を達成するための試みで互いを追い、これらの継続的なオーバーシュート及びアンダーシュートを生じさせる。

従って、本発明者らは、そのような段階的変化、及び所望の船速のオーバー／アンダーシュートを防止するべく、微分項を段階的に導入するためのアルゴリズムを開発した。アルゴリズムは、所望の船速の所与の範囲内に、実際の船速が一旦達する場合のみ、微分項を段階的に導入する。本発明者らは、この基準を船舶の加速率が、微分項が段階的に導入されるであろうより前の所与の値よりも小さくなるという要件と組み合わせ、これにより、さらに、操縦者によって感じられ得る段階的変化の可能性を低下させる。本明細書で下記にさらに説明されるように、第２のフィードバック制御器５６は、従って、（ａ）システムが、発進モードから巡航制御モードへ移行したという決定に応答して、及び、（ｂ）船舶３８の加速率が所与の値よりも小さいという決定に応答して、自体のＰＩＤ制御の微分項を段階的に導入する。

図６を参照すると、船舶の速度を制御するための方法は、１００で示されるように、発進コマンドに応答して、船舶を加速することを含む。発進コマンドは、操縦者がスロットルハンドル４８を突然前方に動かす場合のように、上記で説明されるように発生されることができ、所与の加速プロファイルが、制御パネル５０を介して予め選択される必要があってよい。次に、１０２で示されるように、方法は、船速が、所望の（目標の）船速の所与の範囲内であるかを決定することを含む。否の場合、船速は、所望の船速の所与の範囲内に達する前に、さらに増加しなければならないので、方法は、ボックス１１０に戻る。ボックス１０２で是の場合、１０４で示されるように、方法は、所望の船速を予め定められた量だけオーバーシュートすることを任意選択で含む。１０６で示されるように、方法は、次に、船舶を所望の船速まで減速することを任意選択で含む。段階１０４及び１０６は、図１、図３及び図４に関して、本明細書で上記に説明されるように遂行される。オーバーシュート状態が提供されない場合、船速は、代わりに、直接的に所望の船速まで加速されることに留意されたい。その後、ボックス１０８で示されるように、方法は、制御器がフィードバック制御を使用することにより、船速を所望の船速に維持することを含む。簡潔に図２を参照すると、船舶３８は、ここで巡航制御モードであり、制御器４６は、測定された船速（ボックス５８を参照）と所望の船速（ボックス６０を参照）との間の差分を使用して、第２のフィードバック制御器５６によって用いられる制御パラメータを計算する。

図６に戻ると、１１０で示されるように、制御器４６は、船舶の加速率が、所与の値よりも小さいかどうかも決定する。是の場合、１１２で示されるように、制御器４６は、フィードバック制御の微分項を段階的に導入する。１１０での決定が否の場合、つまり所与の値よりも小さい値に船速の変化（すなわち、加速）をもたらすであろうより前に、エンジン速度がさらに低下しなければならないので、方法は、オーバーシュート状態が提供されていた場合、ボックス１０６に戻り得、又は、オーバーシュート状態が提供されていなかった場合、ボックス１０８に戻り得る。

１０２での第１の条件に関して、一例において、所与の範囲（実際の船速が、所望の船速のうちの範囲内でなければならない範囲）は、所望の船速の大きさに比例して異なる。例えば、所与の範囲は、０キロメートル毎時から１０キロメートル毎時までの何れかの範囲であってよい。例示により、レベル１の加速プロファイルで動作している船舶は、微分項を段階的に導入するための第１の条件が満たされる前に、所望の船速まで到達すること（すなわち、所望の船速から０キロメートル毎時までの所与の範囲内であること）が必要とされ得る。一方、より高い所望の速度の設定値に関して、船速はエンジン速度よりさらに遅れるので、レベル５の加速プロファイルは、大規模なオーバーシュートを防止するべく、第１の条件が満たされる前に、実際の船速が所望の船速の僅か１０キロメートル毎時内であることを必要とし得る。レベル２からレベル４は、本例において、０キロメートル毎時と１０キロメートル毎時との間の所与の範囲に関連付けられるであろう。

１１０での第２の条件に関して、一例において、船舶の加速率は、測定値である。例えば、加速率は、ＧＰＳデバイス５２からの対地速度の測定値の微分として計算され得る。他の例において、加速は、速度計又は他の速度測定デバイスからの速度測定値の微分として計算され得る。一例において、所与の値（第２の条件が満たされる前に、加速率がそれ未満に下がらなければならない値）は、実質的にゼロである。そのため、船舶が、オーバーシュートを引き起こすべく加速することを中断し、所望の船速に向けて減速することを始めるときに非常に近似する場合、第２の条件は、真になる。例えば、所与の値は、０．０５キロメートル毎時毎秒±１０％であり得る。発進の加速率が、１キロメートル毎時毎秒から４キロメートル毎時毎秒までの範囲に及ぶ別の例において、所与の値は、およそ１％からおよそ５％までの発進加速率の範囲に及び得、所与の加速プロファイルに一致させるべく較正され得る。アルゴリズムは、加速率が実質的に０キロメートル毎時毎秒で移行するまで待つので、これは、微分項もゼロから開始することを保証し、加速率の急峻な変化に応答してそうでなければ生じるであろう段階的変化を防止する。

一般に、船速は、加速率が所与の値よりも小さいときより前に、所望の船速の所与の範囲内に達するであろうことに留意されたい。これは、加速プロファイルが、船舶が、所望の船速まで戻って減速するより前に、所望の船速に到達し、オーバーシュートするであろうようにプログラムされるからである。従って、微分項を段階的に導入する２つの条件は、同時に真にならなくてもよい。しかしながら、船舶が過負荷である場合、所望の船速に到達することができないかもしれず、その場合、発進アルゴリズムは、微分項が段階的に導入されることをそれにもかかわらず許容するべく、いくつかの手法のうちの１つでプログラムされ得る。例えば、実際の船速が、船舶がさらに加速することが不可能であるときまでに、設定値の所与の範囲内であろうように、所与の範囲は、それが所望の船速から十分遠くの範囲に及ぶように較正され得る。別の例において、船舶がさらに加速することが不可能あると、一旦、制御器４６が決定すると、おそらく一時的に設定値付近に所与の範囲を拡張することによって、発進モードから巡航制御モードへシステムが移行することを許容するべく、制御器４６は、第１の決定を真に設定し得る。

制御器４６は、種々の手法で微分項を段階的に導入することができる。一例において、第２のフィードバック制御器５６は、微分項を予め定められた率で漸増させる。換言すると、第２のフィードバック制御器５６は、計算された増分で微分項を漸増させ得る。これは、誤差の微分で完全な微分ゲインを乗算する前に、予め定められた率で微分ゲインを漸増させることにより行われ得る。例えば、第２のフィードバック制御器５６によって計算される微分ゲインの合計が１００であり、且つ、較正される漸増率が１０に設定される場合、それは、１００の完全な値まで増加するには１０個のタイムスタンプを必要とする。微分項を決定するべく、誤差の微分で完全な微分ゲインを乗算する前に、第２のフィードバック制御器５６は、各タイムスタンプ中、微分ゲインを０‐１０‐２０‐３０等へ漸増させるであろう。これは、次に、段階的変化を防止する制動を提供するタイムスタンプ毎に、微分項の一部のみを含める。段階的変化は、実質的にゼロから完全な微分ゲインまで、微分ゲインを漸増させる第２のフィードバック制御器５６によって、さらに防止され得る。いくつかの例において、微分ゲインは、非線形に漸増させられ得る。いくつかの例において、微分項は、律速されている微分ゲインに対向して、律速され得る。何れの場合であっても、微分項の制動は、エンジン速度の変化と、結果として得られる船速の変化との間の応答における遅延を制動することに役立つことに留意されたい。

図７に示されるように、船舶３８の推進制御器４６が、発進モードから巡航制御モードに移行するときに船舶３８の速度を制御するための別の方法が開示される。２００で示されるように、方法は、制御器４６が、いつ、発進モードから巡航制御モードに移行されたのかを決定することを含む。例えば、制御器４６は、船速が所望の船速の所与の範囲内である場合、発進モードから巡航制御モードに移行し得る。本明細書で上記に述べられるように、所与の範囲は、所望の船速の大きさに比例して異なり得る。２０４で示されるように、方法は、船舶３８の加速率が、いつ、所与の値よりも小さいのかを決定することも含み得る。一例において、本明細書で上記に説明されるように、所与の値は、実質的にゼロである。

制御器４６が発進モードから巡航制御モードに移行すること、及び、加速率が所与の値よりも小さいことに応答して、方法は、２０６で示されるように、巡航制御モードにおける船速を制御するべく、制御器４６が使用するフィードバック制御アルゴリズムに微分項を段階的に導入することを含み得る。一例において、本明細書で上記に説明されるように、方法は、制御器４６で予め定められた率で、フィードバック制御アルゴリズムに微分項を漸増させることを備える。方法は、制御器４６が、発進モードから巡航制御モードに移行することに応答して、且つ微分項を段階的に導入する前に、微分項を実質的にゼロに設定することも含み得る。これは、本明細書で上記に述べられるように、段階的変化を防止する。２０８で示されるように、方法は、その後、巡航制御モードにおける船舶３８の所望の速度を、制御器４６で維持することを含み得る。本明細書で上記に述べられるように、制御器４６は、船舶の加速を制御するべく、発進モードの間、第１のフィードバック制御アルゴリズムを使用してよく、船速を所望の船速に維持するべく、巡航制御モードの間、異なる第２のフィードバック制御アルゴリズムを使用してよい。

船舶３８が巡航制御モードにある、と一旦制御器４６が決定すると、制御器４６は、比例項、積分項、及び微分項のうち１又は複数が、計算される誤差に比例して異なるゲインスケジューリングを使用してよい。これは、船速を維持する間、より少ないオーバーシュート又はアンダーシュート、及び、より少ない定常状態の誤差で、船速に関してさらに調整された制御を許容する。

従って、図２に戻って参照すると、本開示に係るシステムは、制御パネル５０を介して、船舶の発進のために選択される加速プロファイルに関する入力を受け付けるであろう。制御器４６は、次に、手動で制御可能なスロットルメカニズム４４で、スロットルハンドル４８の突然の動きに応答して開始コマンドを受信するであろう。制御器４６は、次に、ボックス６０で示されるように、所望の船速、加速率、任意選択のオーバーシュート、及びオーバーシュートの持続時間を含む、適切な加速プロファイルの特性を検索する。一例において、所望の最終的な船速は、スロットルレバーの１００％の動きに該当する最高船速であり得る。別の例において、所望の最終的な船速は、スロットルハンドル４８の１００％の動きよりも小さい終了位置に該当し得る。本明細書で上記に述べられるように、加速率、オーバーシュート、及びオーバーシュートの持続時間は、図３で示されるような表を用いて決定され得る。一旦所望の船速が分かると、この値は、加算器６２に伝えられる。一方、ＧＰＳデバイス５２は、ボックス５８で示されるように、実際の船速を読み取ってよく、これも加算器６２に伝えられる。

加算器６２によって決定される、所望の船速と実際の船速との間の差分は、船舶３８が発進モードで動作している間、発進ＰＩＤ制御器（第１のフィードバック制御器）５４に伝えられる。第１のフィードバック制御器５４の出力は、ボックス６４で示されるように、エンジン４２でスロットル位置及び／又は燃料噴射のパルス幅を調整するべく使用される。ＧＰＳデバイス５２によって読み取られる実際の船速は、次に、エンジン速度の変化に応答して変化し、瞬間的な船速の設定値は、図３の表から決定される加速率に従って増加し、第１のフィードバック制御器５４は、エンジンの動作特性に対する調整を再計算するであろう。これは、船速が所望の船速の所与の範囲内に達するまで、既知のＰＩＤ制御技術を介して遂行される。例えば、ここで図８を参照すると、線８１０によって示されるように、当該制御は、船舶が、およそ１から２キロメートル毎時毎秒の間で加速するとき、並びに、比例項８０４及び積分項８０６が補正作用を提供するとき、実際の船速８００が、所望の船速８０２に近づくことをもたらす。制動は、この非定常状態中、必要ないので、微分項８０８は、この時間中、ゼロのままとなる。

およそ１４秒に該当する図８の破線８１６で、ＧＰＳデバイス５２によって読み取られる実際の船速８００は、所望の船速８０２の所与の範囲内に達する。ここで、所与の範囲はゼロであり、実際の船速８００が、所望の船速８０２と等しい場合、条件は真になる。制御器４６は、従って、矢印８１２でモードが０から１に切り替わることによって示されるように、モードが、発進から巡航制御に切り替わったことを決定する。図２及び図８の両方を参照すると、制御器４６は、その後、加算器６２からの出力を第２のフィードバック制御器５６に提供するべく、切り替わる。加算器６２からの誤差は、ボックス６６に提供される。ここで、誤差は比例ゲインで乗算され、規定されるオーバーシュートパラメータに従って船舶を加速するべく、低下する負数であるＰ‐項８０４を決定する。累積誤差は、ボックス６８に提供される。ここで、誤差は、積分ゲインで乗算され、発進から巡航制御へのモードの変化に応答して、８１４で示されるように、エンジン速度（加えて任意選択のオフセット）に再設定されているＩ‐項８０６を決定する。

Ｄ‐項を段階的に導入するべく、本開示の一例において、第２のフィードバック制御器５６は、Ｄ‐項を計算する前に、ボックス７０で示されるように、許容できる微分ゲインを最初に計算する。許容できる微分ゲインは、ゼロであってよく、又は、完全な微分ゲイン若しくは先の微分ゲインに許容できる段階を加えたもののうち小さい方であってよい。許容できる微分ゲインは、図６のボックス１０２及び１１０に関して、本明細書で上記に説明されるように、Ｄ‐項を段階的に導入するための２つの条件が、未だ満たされていない場合、ゼロになるであろう。例えば、再度図８を参照すると、（ａ）破線８１６で生じる実際の船速８００が、所望の船速８０２の所与の範囲内である、及び、（ｂ）加速率８１０が、所与の値よりも小さい、両方の場合まで、Ｄ‐項８０８は、ゼロのままである。ここで、所与の値は、０．０５キロメートル毎時毎秒（又は、実質的にゼロ）であり、破線８１８が加速率８１０と交差する箇所（矢印８２０を参照）によって示されるように、加速率８１０は、１８．５秒付近のこの所与の値よりも小さくなる。許容できる微分ゲインは、完全な微分ゲイン、又は、先の微分ゲインに許容できる段階を加えたもののうち小さい方であろう。これで、Ｄ‐項を段階的に導入するための２つの条件は満たされた。微分ゲインは、本明細書で上記に説明されるように、開始値ゼロから完全な微分ゲインまで漸増させられるであろう。

ボックス７０で、許容できる微分ゲインが計算された後、それは、Ｄ‐項を決定するべく、船速の誤差の変化率で乗算され得る。巡航制御モードにおいて、所望の船速は、一定である。定数の微分がゼロであることを思い起こすと、船速の誤差の変化率は、以下の通りに単純化できる。

ここで、ＤＳは、所望の船速（定数）であり、ＡＳは、実際の船速である。実際の速度の微分は、定義上は加速であるので、ボックス７２で示されるように、Ｄ‐項は、従って、ボックス７０からの微分ゲインを船舶の加速率の逆で乗算することによって決定され得る。

ボックス６６、６８及び７２からの出力のそれぞれは、次に、加算器７４で加算される。加算器７４の出力は、次に、ボックス６４で示されるように、スロットル位置及び／又はパルス幅を調整するべく、エンジン４２に送信される。エンジンの動作条件が調整された後、船速は、ボックス５８で再度読み取られ、所望の船速からの差分を決定するべく、加算器６２に提供される。差分は、船舶が巡航制御モードのままである限り変化しないであろう。前と同様に、Ｐ計算及びＩ計算が実施される。微分ゲインは、漸増率及び完全な微分ゲインの値に従って、変化するであろう。新たに計算される微分ゲインは、Ｄ‐項を決定するべく、船舶の加速率の逆で再度乗算されるであろう。Ｄ‐項は、次に、加算器７４に送信される。このプロセスは、微分ゲインが完全な微分ゲインまで増加するまで継続し、次に、それは、その後、船舶が巡航制御モードのままである間、使用される。これは、本明細書で上記に説明されるように、微分ゲインが、開始値であるゼロから完全な微分ゲインへ漸増するとき、破線８１８からおよそ２２．５秒までのＤ‐項８０８における比較的着実な上昇によって示される。Ｄ‐項を段階的に導入すること、又はＤ‐項を漸増させることは、矢印８２２で示されるように、所望の船速８０２のアンダーシュートを防止することに留意されたい。代わりに、実際の船速８００は、所望の船速８０２に向けて徐々に減速する。

所望の船速が、スロットルハンドル４８の動きに応答して、任意の点で変化する場合、ボックス６０で新しい設定値が決定される。所望の船速が変化する前に微分ゲインが完全に漸増したかどうかに応じて、適宜、完全な微分ゲイン、又は、限定的な微分ゲインのうちの何れかが、ボックス７０で決定されるように使用されるであろう。例えば、およそ２２．５秒以降、船舶は、スロットルハンドル４８を引き戻すことに応答して、迅速に減速する。Ｄ‐項は、完全に漸増する時間を与えられていたので、それは、推進システムの応答を制動するべく、比較的より高い率で増加することによって、応答し得る。

上記の説明においては、簡潔性、明瞭性、及び理解のために特定の用語が用いられている。そのような用語は、説明の目的のみに用いられ、且つ、広く解釈されることを意図しているので、不必要な限定が、そこから先行技術の要件を超えて示唆されるべきではない。本明細書で上記に説明される種々のシステム及び方法は、単独で用いられてよく、又は、他のシステム及び方法と組み合わせて用いられてよい。様々な均等物、代替物、及び変更形態が、添付の特許請求の範囲内で可能である。方法の請求項のそれぞれは、特定の制御システム機能を遂行するための具体的な一連の段階を含む一方、本開示の範囲は、本明細書で説明される段階のリテラル順序又はリテラル内容により縛られることを意図したものではなく、非実質的な違い又は変更例が、依然として本開示の範囲内に含まれる。

Claims (20)

1. 船舶の船速を制御するための方法であって、前記方法は、
   発進コマンドに応答して前記船舶を加速する段階と、
   制御器がフィードバック制御を使用することにより、前記船速を所望の船速に維持する段階と、を備え、
   前記制御器は、
   ａ．前記船速が、前記所望の船速の所与の範囲内であること、及び、
   ｂ．前記船舶の加速率が、所与の値よりも小さいこと、
   の条件が真であると決定することに応答して、前記フィードバック制御の微分項を段階的に導入する、方法。
2. 前記所与の範囲は、前記所望の船速の大きさに比例して異なる、請求項１に記載の方法。
3. 前記所与の値は、実質的にゼロである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記所望の船速を予め定められた量だけオーバーシュートする段階と、続いて、前記船舶を前記所望の船速まで減速する段階とをさらに備える、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記制御器で予め定められた率で、前記微分項を漸増させる段階をさらに備える、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
6. 第１のフィードバック制御アルゴリズムを使用する前記制御器で、前記船舶の加速を制御する段階と、
   異なる第２のフィードバック制御アルゴリズムを使用する前記制御器で、前記船速を前記所望の船速に維持する段階とをさらに備える、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
7. 前記第２のフィードバック制御アルゴリズムにおいて使用される制御項を計算するべく、前記制御器は、測定された船速と前記所望の船速との間の差分を使用する、請求項６に記載の方法。
8. 船舶の推進制御器が、発進モードから巡航制御モードに移行するときに前記船舶の船速を制御するための方法であって、前記方法は、
   前記推進制御器が、いつ、前記発進モードから前記巡航制御モードに、移行されたのかを決定する段階と、
   前記船舶の加速率が、いつ、所与の値よりも小さいのかを決定する段階と、
   前記推進制御器が前記発進モードから前記巡航制御モードに移行すること、及び、前記加速率が前記所与の値よりも小さいことに応答して、前記推進制御器が、前記巡航制御モードにおいて、前記船速を制御するべく使用するフィードバック制御アルゴリズムに微分項を段階的に導入する段階と、
   その後、前記巡航制御モードにおける前記船舶の所望の速度を、前記推進制御器で維持する段階とを備える方法。
9. 前記船速が、前記所望の船速の所与の範囲内である場合、前記推進制御器は、前記発進モードから前記巡航制御モードに移行する、請求項８に記載の方法。
10. 前記所与の範囲は、前記所望の船速の大きさに比例して異なる、請求項９に記載の方法。
11. 前記所与の値は、実質的にゼロである、請求項８から１０の何れか一項に記載の方法。
12. 前記推進制御器で予め定められた率で、前記フィードバック制御アルゴリズムに前記微分項を漸増させる段階をさらに備える請求項８から１１の何れか一項に記載の方法。
13. 前記推進制御器は、前記発進モードの間、第１のフィードバック制御アルゴリズムを使用し、前記推進制御器は、前記巡航制御モードの間、異なる第２のフィードバック制御アルゴリズムを使用する請求項８から１２の何れか一項に記載の方法。
14. 前記推進制御器が、前記発進モードから前記巡航制御モードに移行することに応答して、且つ前記微分項を段階的に導入する前に、前記微分項を実質的にゼロに設定する段階をさらに備える、請求項８から１３の何れか一項に記載の方法。
15. 船舶の船速を制御するためのシステムであって、前記システムは、
    発進モードに従って前記船舶が加速している間、前記船速を制御する第１のフィードバック制御器と、
    前記船舶が、巡航制御モードに従って所望の速度を維持している間、前記船速を制御する第２のフィードバック制御器と、
    前記発進モード、又は前記巡航制御モードのそれぞれにおいて、前記第１のフィードバック制御器、及び前記第２のフィードバック制御器からの入力を受け付け、前記入力に従って、前記船舶を推進させるように動作する、推進デバイスと、を有し、
    前記システムが前記発進モードから前記巡航制御モードに移行したと決定すること、及び、前記船舶の加速率が所与の値よりも小さいことを決定することに応答して、前記第２のフィードバック制御器は、微分項を段階的に導入する、システム。
16. 前記船速が前記所望の船速の所与の範囲内であることに応答して、前記システムは、前記発進モードから前記巡航制御モードに移行する、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記所与の範囲は、前記所望の船速の大きさに比例して異なる、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記所与の値は、実質的にゼロである、請求項１５から１７の何れか一項に記載のシステム。
19. 前記第２のフィードバック制御器は、実質的にゼロから完全な微分項まで、前記微分項を漸増させる、請求項１５から１８の何れか一項に記載のシステム。
20. 前記第２のフィードバック制御器は、計算された増分で前記微分項を漸増させる、請求項１９に記載のシステム。

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