JP6632497B2 - Ship automatic steering system - Google Patents
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Description
本発明は、推定器を有する船舶用自動操舵装置に関する。 The present invention relates to an automatic steering device for a ship having an estimator.
船舶用自動操舵装置は、一定の設定方位にジャイロセンサから検出される船首方位を追従させるために船舶の舵を制御する装置であり、保針と変針との機能をもち、その保針制御系は、PD制御を行う状態フィードバック制御器と、状態推定及び外乱除去を行う推定器とから構成されるフィードバック制御器により制御される。 An automatic steering device for a ship is a device that controls the rudder of a ship so that a heading direction detected by a gyro sensor follows a fixed set direction, and has a function of holding a hand and changing a course of a hand. Is controlled by a feedback controller composed of a state feedback controller for performing PD control and an estimator for performing state estimation and disturbance elimination.
船舶用自動操舵装置による制御対象としての船体モデルは、載荷の変化によるノミナル値のパラメータ不確かさをもち、そのため、ノミナル値のモデルベースで構成される推定器はパラメータ不確かさによって推定値に誤差を生じる。この誤差によって、推定値の状態フィードバックによる閉ループ安定性が劣化し、船体を蛇行航行させるヨーイングが引き起こされるおそれがある。 The hull model to be controlled by the automatic marine vessel steering system has a parameter uncertainty of the nominal value due to a change in the load. Occurs. This error may degrade the closed-loop stability due to the state feedback of the estimated value, and may cause yawing to meander the hull.
このような推定値の誤差に対して、本発明者らは、特許文献1において、船体パラメータのノミナル値のパラメータ不確かさを積極的に考慮することによって、該パラメータ不確かさに起因する推定誤差を低減させる船舶用自動操舵装置及びその設計方法を提案している。ここでは、λe2を波浪モデルを省略した船体モデルの状態量を推定するための特性多項式とし、ζe,ωeをそれぞれ状態量を推定するための減衰係数、固有周波数として、推定器の特性多項式を
With respect to such an error of the estimated value, the inventors of the present application disclose in
とし、ωe=ρωfを操舵系周波数ωfのρ倍(ρ>1で推定係数と呼ぶ)に設定し、ζeを1/√2に設定するように推定器を設計している。これによって、パラメータ不確かさによる推定角速度の推定誤差が低減される。
The estimator is designed so that ω e = ρω f is set to ρ times the steering system frequency ω f (referred to as an estimation coefficient when ρ> 1), and e e is set to 1 / √2. Thereby, the estimation error of the estimated angular velocity due to the parameter uncertainty is reduced.
更に、この特許文献1では、船体モデルと波浪モデル及び舵角オフセットモデルの2つの外乱モデルとからなる制御対象に対して、推定誤差が船体モデルのみのときの推定誤差と等価となるように、推定器の固有周波数を外乱モデル特性から修正することが提案される。これによれば、推定器の制御対象が等価的に船体モデルのみとなり、外乱モデルを無視することができる。
Further, in this
また、本発明者らは、特許文献2において、推定係数ρ=ωe/ωfを、操舵ループの代表根に着目し、代表根の減衰係数とパラメータ不確かさとの関係から制御ゲインを設計している。ここでは、推定器がない閉ループ系と推定器がある閉ループ系とに基づいてパラメータ不確かさの影響を見積もることにより、推定器の固有周波数と操舵系の固有周波数とを関係付ける推定係数ρを設定している。
Also, in
また、本発明者らは、特許文献3において、2つの外乱モデルを含んだ推定器を含む閉ループの特性多項式に基づき、この特性多項式に船体パラメータのパラメータ不確かさΔを加味したときの特性多項式Dc Δから、パラメータ不確かさΔが第1仕様値(Δspec)のときに、Dc Δ(s)の特性根から得られる減衰係数のうち最小の減衰係数ζをζe *とし、このζe *が第2仕様値(ζspec)の値を満足する推定係数ρを求め、推定器の船体モデルの固有周波数ωeを設定することにより、閉ループ安定性を増加させた船舶用自動操舵装置を提案している。 In addition, based on a closed-loop characteristic polynomial including an estimator including two disturbance models in Patent Document 3, the inventors of the present invention have proposed a characteristic polynomial D when a parameter uncertainty Δ of a hull parameter is added to this characteristic polynomial. From c Δ , when the parameter uncertainty Δ is the first specification value (Δ spec ), the smallest attenuation coefficient の う ち among the attenuation coefficients obtained from the characteristic root of D c Δ (s) is e e *, and this ζ e * is determined the estimated coefficient ρ satisfying the value of the second specification value (zeta spec), estimator by setting the natural frequency omega e hull model, marine autopilot with increased loop stability Has been proposed.
更に、この特許文献3では、パラメータ不確かさΔを、船体パラメータの旋回力ゲインと時定数との比の不確かさ(Δb)とすることによって、閉ループ安定性に及ぼす影響の高いパラメータ不確かさに起因する推定根を考慮して従来よりも信頼性を向上させることが提案されている。 Further, in this Patent Document 3, the parameter uncertainty Δ is defined as the uncertainty (Δ b ) of the ratio between the turning force gain of the hull parameter and the time constant, so that the parameter uncertainty having a high effect on the closed-loop stability is obtained. It has been proposed to improve the reliability more than before in consideration of the estimated root caused.
また、水流を噴射するノズルによって推進力を得るウォータージェット推進船として、ノズルが左右に対で設けられるものがあり、これらのノズルを傾けることによって変針を行う。ウォータージェット推進船の変針において、ノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもち、この不感帯を修正するために、一対のノズルの動作位置を不感帯に対応した修正角であるノズルオフセット分だけ、ハの字形状となるように外方に傾け、これによって不感帯を等価的に相殺する技術が知られている。 Further, as a water jet propulsion ship that obtains propulsion by a nozzle that injects a water flow, there is a water jet propulsion ship in which nozzles are provided in a pair on the left and right. In changing the course of a water jet propulsion ship, the nozzle has a dead zone within a predetermined angle inclined right and left from the straight traveling direction of the ship. There is known a technique in which a nozzle is inclined outward by a certain nozzle offset so as to have a C-shape, thereby equivalently canceling out the dead zone.
上述した船舶用自動操舵装置による制御システムは、小型船から大型船までの様々な船体を対象としているが、この制御システムを上述のウォータージェット推進船に適用した場合、このウォータージェット推進船の旋回力ゲインが半減するために、推定係数を求める過程で不具合を生じてしまうことが確認された。つまり、上述の船舶用自動操舵装置によれば、ウォータージェット推進船に限らず、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができない、という問題がある。 The above-described control system using the automatic steering device for ships targets various hulls from small boats to large ships, but when this control system is applied to the above-described water jet propulsion ship, the turning of the water jet propulsion ship It has been confirmed that a problem occurs in the process of obtaining the estimation coefficient because the force gain is reduced by half. That is, according to the above-mentioned automatic steering device for a boat, there is a problem that it is not possible to cope with a hull having a small turning force gain, not limited to a water jet propulsion boat.
本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができる船舶用自動操舵装置を提供することを目的とする。 An embodiment of the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its object to provide an automatic steering device for a boat that can cope with a hull having a small turning force gain.
上述した課題を解決するため、本実施形態の船舶用自動操舵装置は、参照方位に船首方位を追従させるように船体と操舵機とを含む制御対象を制御する船舶用自動操舵装置であって、前記参照方位と前記船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、前記フィードバック制御器は、前記参照方位と前記船首方位との偏差と前記命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、前記推定偏差に対して所定の第1仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKPを乗じるとともに、前記推定角速度に対して前記比例ゲインKPの値に依存する微分ゲインKDを乗じて前記命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備え、前記推定器と前記状態フィードバック制御器から構成される閉ループの特性多項式は、添字hが方位制御、添字eが推定器、修飾〜がノミナル値をそれぞれ表すとともに、sをラプラス演算子、D(s)を特性多項式、ζを減衰係数、ωを固有角周波数、ζeh=ζh,ωe=ρ2ωeh、ρ2を2次推定係数、Krを旋回力ゲイン、Trを船体時定数、Tr3を舵感度時定数、Δb,Δb’,dbをそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量として、
In order to solve the above-described problems, the automatic steering device for a marine vessel of the present embodiment is an automatic steering apparatus for a marine vessel that controls a control target including a hull and a steering device so as to make the heading follow the reference direction, A feedback controller that outputs a command steering angle based on the reference direction and the heading direction to the control target, wherein the feedback controller is based on a deviation between the reference direction and the heading direction and the command steering angle. An estimator that outputs an estimated deviation and an estimated angular velocity as an estimated value; multiplies the estimated deviation by a proportional gain K P set to a predetermined first specified gain value; and outputs the proportional gain to the estimated angular velocity. multiplied by the derivative gain K D that depends on the value of K P and a state feedback controller for outputting the command steering angle, configuration from the state feedback controller and the estimator Closed loop characteristic polynomial is the subscript h azimuth control, subscript e is the estimator, with modifications - represent respectively the nominal value, Laplace operator and s, D (s) the characteristic polynomial, the ζ damping coefficient, omega the natural angular frequency, ζ eh = ζ h, ω e =
で表され、
前記状態フィードバック制御器は、前記微分ゲインKDの値が負値である場合、前記第1仕様ゲイン値より大きく設定された第2仕様ゲイン値を前記比例ゲインKPに設定し、前記推定器は、前記第2仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKPと所定値に設定されたパラメータ不確かさΔb’とに基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記推定係数ρ2を算出することを特徴とする。
Represented by
The state feedback controller, the case where the value of the derivative gain K D of a negative value, setting the second specification gain value that is larger than said first specification gain value to the proportional gain K P, the estimator Calculates the estimation coefficient ρ 2 by the closed-loop characteristic polynomial based on the proportional gain K P set to the second specification gain value and the parameter uncertainty Δ b ′ set to a predetermined value. Features.
本発明の実施形態によれば、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to cope with a hull having a small turning force gain.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 船舶用自動操舵装置
1.1 全体構成
まず、本発明の船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図1は、実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。
1 Automatic Steering Device for Ship 1.1 Overall Configuration First, a system including the automatic steering device for ship of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating a system including the automatic steering device for a boat according to the embodiment.
図1に示すように、本実施形態におけるシステムは、船舶用自動操舵装置1とその制御対象である船舶2とを含む。ここで船舶2は、操舵機21、船体22及び船体22の船首方位ψ―を検出するジャイロコンパス23を合わせたものである。船舶用自動操舵装置1は、設定方位ψRに船首方位ψ―を追従させる命令舵角δCを操舵機21へ出力するフィードバック制御器10を備える。
As shown in FIG. 1, the system according to the present embodiment includes an
1.2 フィードバック制御器
フィードバック制御器の構成について説明する。図2は、フィードバック制御器の構成を示すブロック図である。
1.2 Feedback Controller The configuration of the feedback controller will be described. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the feedback controller.
図2に示すように、フィードバック制御器10は、状態フィードバック制御器11と推定器12とを備える。推定器12は、設定方位ψRと推定方位ψ^との偏差ψeとフィードバック制御器10の出力である命令舵角δCとに基づいて、推定偏差ψe^及び推定角速度r^を出力する。状態フィードバック制御器11は、推定偏差ψe^に比例ゲインKpを乗算し、推定角速度r^に微分ゲインKdを乗算し、これらを加算して命令舵角δCを出力する。
As shown in FIG. 2, the
2 制御対象
ここで、制御対象について説明する。制御対象は船体モデルと外乱モデルから構成されるが本実施形態においては外乱モデルについては省略する。船体モデルは、野本の応答モデルを改良した本発明者による応答モデルを用いて、
2. Control target Here, the control target will be described. The control target is composed of a hull model and a disturbance model, but the disturbance model is omitted in the present embodiment. The hull model uses the response model of the present inventor who improved Nomoto's response model,
に定める。ここでsはラプラス演算子、Δc(s)、δcは命令舵角を示し、Krは旋回力ゲイン、Trは船体時定数、Tr3は舵感度時定数を示す。この船体モデルは野本の船体モデルと比較して、Tr3を有するという特徴をもつ。
Set forth in Where s is the Laplace operator, Δ c (s), δ c represents a command steering angle, K r is the turning force gain, T r hull time constant, T r3 denotes a steering sensitivity time constant. This hull model has a feature that it has Tr3 as compared with the hull model of Nomoto.
3 設計
船体運動特性は操縦性指数、または船体運動パラメータ(船体パラメータ)に基づく。船体パラメータは、Kr,Tr,Tr3とし、これらの値は図示しない公知の同定器より得られる。ここで、簡単化のため、Tr≫Tr3,Tr3≒0とする。小型船、特に後述する不感帯修正したウォータージェット推進船の場合、Kr,Trの両者が共に小さくなり、方位制御ループの微分ゲインは小さくなり、その値が負になる場合がある。負の微分ゲイン自体は問題にならないが、微分ゲインが負になることによって推定係数を算出する際に問題が生じる。
3 Design Hull motion characteristics are based on maneuverability index or hull motion parameters (hull parameters). Hull parameter, and K r, T r, T r3 , these values obtained from the known identifier which is not shown. Here, for simplicity, and T r »T r3, T r3 ≒ 0. In the case of a small boat, especially a water jet propulsion boat whose dead zone has been corrected as described later, both Kr and Tr are small, and the differential gain of the azimuth control loop is small, and the value may be negative. Although the negative differential gain itself does not matter, the negative differential gain causes a problem when calculating the estimation coefficient.
推定ゲインk(k1,k2)は、図3に示すように推定器12において用いられ、特許文献3に開示されるように、パラメータ不確かさの影響を調整する値で、後述する特性多項式から算出する。微分ゲインが正のとき、特性多項式の係数はすべて正になる。一方、微分ゲインが負のとき、その係数の一部が負になり、特性多項式の性質が変化する。そのため、この性質の変化に対応する必要がある。
The estimated gain k (k 1 , k 2 ) is used in the
3.1 微分ゲインの特性
微分ゲインはTr3=0とすれば
3.1 Differential gain characteristics If the differential gain is Tr3 = 0,
になる。ここでKPは比例ゲイン、KDは微分ゲイン、ζhは減衰係数、ωhは固有角周波数、添字hは方位制御を示し、設計パラメータは、KP≧1,ζh=1/√2になる。
become. Here K P is a proportional gain, K D is the differential gain, zeta h is an attenuation coefficient, omega h the natural angular frequency, subscript h indicates the orientation control, the design parameters, K P ≧ 1, ζ h = 1 / √ It becomes 2.
微分ゲインは上式より、設計パラメータに関してはζh,√KPに比例するという傾向をもち、船体パラメータに関しては√(Kr/Tr),1/Krに比例するという傾向をもつ。よって、微分ゲインは比例ゲインを大きくすると大きくなる。次に、微分ゲインの符号が特性多項式に与える影響を説明する。 From the above equation, the differential gain has a tendency to be proportional to h h , √K P for the design parameters, and to √ (K r / T r ), 1 / K r for the hull parameters. Therefore, the differential gain increases as the proportional gain increases. Next, the effect of the sign of the differential gain on the characteristic polynomial will be described.
3.2 特性多項式の特性
方位制御ループは外乱成分を含めると7次系になるが、簡単化のため制御対象から外乱成分を除くと4次になる。4次の方位制御ループは、特許文献3に開示されるように、閉ループ制御系の基本的特性を把握でき、2次系の船体運動モデルとその推定器からなる。この閉ループの特性多項式は、
3.2 Characteristics of Characteristic Polynomial The azimuth control loop becomes a seventh-order system when a disturbance component is included, but becomes a fourth-order system when the disturbance component is removed from the control target for simplification. As disclosed in Patent Document 3, the fourth-order azimuth control loop can grasp the basic characteristics of the closed-loop control system, and includes a secondary-system hull motion model and its estimator. The characteristic polynomial of this closed loop is
で与えられる。ここでsはラプラス演算子、D(s)は特性多項式、添字eは推定器を意味し、
Given by Where s is a Laplace operator, D (s) is a characteristic polynomial, subscript e is an estimator,
ここで修飾〜は船体22の旋回の度に同定器により同定され更新されるノミナル値を示し、ζeh=ζh,ωe=ρ2ωehであり、ρ2は2次推定係数を示す。Δb,Δb’,dbはそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量を示し、Tr3=0の場合はf1=KP,f2=KD,CT3=1。なお、不確かさパラメータを船体パラメータの旋回力ゲインと時定数との比のパラメータ不確かさ(Δb)とする点については、特許文献3を参照されたい。
Here, the modification 〜 indicates a nominal value that is identified and updated by the identifier every time the
(2)式のb1,b0の係数を調べる。推定ゲインk1,k2は推定係数が下記条件を満たすとすれば、 Check the coefficients of b 1 and b 0 in the equation (2). Assuming that the estimated coefficients satisfy the following conditions, the estimated gains k 1 and k 2 are as follows:
になる。これよりb0<0になり、b1の符号はf2に依存する。すなわち
become. From this, b 0 <0, and the sign of b 1 depends on f 2 . Ie
になる。上式よりf2≦‐f1(k1/k2)<0になるから、b1の符号変化をf2=0の基準によって判定すればよい。さらにその基準は推定係数を含んだk1,k2を用いないので、簡単に実現できる。よって、特性多項式は
become. Since f 2 ≦ −f 1 (k 1 / k 2 ) <0 from the above equation, the sign change of b 1 may be determined on the basis of f 2 = 0. Further, since the criterion does not use k 1 and k 2 including the estimation coefficient, it can be easily realized. Therefore, the characteristic polynomial is
と置き換えることができる。上式でΔbが一定ならば、f2≦0の特性多項式はf2>0のそれに比べて係数が負になっているため、不安定根を生じやすい。
Can be replaced by If the above equation with delta b is constant, the characteristic polynomial of f 2 ≦ 0 Since coefficients than that of
上式の根軌跡は図4に示すように漸近線が変化し、またゼロ点の符号も同様に変化する。すなわち The asymptote of the root locus of the above equation changes as shown in FIG. 4, and the sign of the zero point also changes. Ie
になる。ここでzはゼロ点を示す。よって、(2)式の根軌跡の一例は図5に示すように、不安定根の特性が異なることを確認できる。
become. Here, z indicates a zero point. Therefore, it can be confirmed that the example of the root locus of the equation (2) has different characteristics of the unstable root as shown in FIG.
3.3 パラメータ不確かさの仕様
パラメータ不確かさの仕様を
3.3 Parameter uncertainty specifications Parameter uncertainty specifications
とする。なお、f1=μ−1CT3KD,μ>0,CT3>0の関係より、f2をKDに置き換えても良い。上式からパラメータ不確かさのマージンが半分となるが、船舶用自動操舵装置1は制御対象とする対象船が限定されるので、パラメータ変動は小さいとするためである。
And Incidentally, f 1 = μ -1 C T3 K D, μ> 0, the relationship of C T3> 0, may be replaced by f 2 to K D. Although the parameter uncertainty margin is halved from the above formula, the parameter variation is small because the target ship to be controlled is limited in the automatic marine
4 推定係数算出処理
次に、推定係数算出処理について説明する。図6は、推定係数算出処理の動作を示すフローチャートである。この推定係数算出処理は、船舶の航行中、推定器において適切な2次推定係数ρ2を算出するために、フィードバック制御器において船体パラメータが更新される毎に実行される処理である。
4. Estimation coefficient calculation processing Next, the estimation coefficient calculation processing will be described. FIG. 6 is a flowchart illustrating the operation of the estimation coefficient calculation process. The estimation coefficient calculation process, during navigation of the ship, in order to calculate the appropriate secondary estimation coefficient [rho 2 in the estimator, a process of the hull parameter in the feedback controller is executed each time it is updated.
図6に示すように、まず、状態フィードバック制御器11は、予め設定された第1仕様ゲイン値を比例ゲインKPにセットし(S101)、(1)式により微分ゲインKDを算出し(S102)、微分ゲインKDの値が正であるか否かを判定する(S103)。
6, first, the
微分ゲインKDの値が正である場合(S103,YES)、推定器12は、パラメータ不確かさΔb’に予め設定された第1仕様値をセットし(S104)、(2)式の特性多項式により2次推定係数ρ2を算出する(S105)。
If the value of the derivative gain K D of a positive (S103, YES), the
一方、微分ゲインKDの値が負である場合(S103,NO)、第1仕様ゲイン値より大きな値に設定された第2仕様ゲイン値を比例ゲインKPにセットし(S106)、この比例ゲインKPに基づいて(1)式により微分ゲインKDを算出し(S107)、微分ゲインKDの値が正であるか否かを判定する(S108)。 On the other hand, when the value of the derivative gain K D of a negative (S103, NO), the second specification gain value set to a value greater than the first specification gain value set in the proportional gain K P (S106), the proportional gain K based on the P (1) equation by calculating the derivative gain K D (S107), determines whether the value of the derivative gain K D of a positive (S108).
微分ゲインKDの値が正である場合(S108,YES)、推定器12は、パラメータ不確かさΔb’に第1仕様値をセットし(S109)、(2)式の特性多項式により2次推定係数ρ2を算出する(S105)。
If the value of the derivative gain K D of a positive (S108, YES), the
一方、微分ゲインKDの値が負である場合(S103,NO)、第1設計値より小さな値に設定された第2設計値をパラメータ不確かさΔb’にセットし(S110)、(2)式の特性多項式により2次推定係数ρ2を算出する(S105)。 On the other hand, when the value of the derivative gain K D of a negative (S103, NO), sets the second design value set to a value smaller than the first design value to the parameter uncertainty Δ b '(S110), ( 2 ) the characteristic polynomial of equation to calculate the second order estimation coefficient [rho 2 (S105).
なお、2次推定係数ρ2の算出は、(2)式の特性多項式の特性根から得られる減衰係数のうち最小の減衰係数ζeが仕様ζΔを満足するように、この2次推定係数ρ2により推定器12の船体モデルの固有周波数ωeが設定される。なお、推定係数ρの算出方法の詳細については、特許文献3を参照されたい。
The calculation of the secondary estimation coefficient ρ 2 is performed so that the minimum attenuation coefficient e e among the attenuation coefficients obtained from the characteristic roots of the characteristic polynomial of the equation (2) satisfies the specification ζ Δ. The natural frequency ω e of the hull model of the
5 検証
制御対象に不感帯修正が適用されたウォータージェット推進船として数値検証をする。ウォータ―ジェット推進船は一対のノズルを含むウォータージェット推進機を有し、これらのノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもつ。この不感帯を修正するため、一対のノズルの動作位置を、不感帯に対応した修正角であるノズルオフセット分だけ、ハの字形状となるように外方に傾けられ、これによって不感帯が等価的に相殺されるようになっている。ウォータージェット推進船の船体パラメータを
とする。ここでTr3は初期値。
5 Verification Numerical verification will be performed for a water jet propulsion ship with dead zone correction applied to the control target. A water-jet propulsion ship has a water-jet propulsion device including a pair of nozzles, and these nozzles have a dead zone within a predetermined angle inclined right and left from a straight traveling direction in which the ship goes straight. To correct this dead zone, the operating positions of the pair of nozzles are tilted outward by a nozzle offset, which is a correction angle corresponding to the dead zone, so as to form a C-shape, thereby equivalently canceling out the dead zone. Is to be done. Hull parameters of the water jet propulsion ship
And Here, Tr3 is an initial value.
本船の微分ゲインを以下の表1に示す。微分ゲインは同表より不感帯修正時は負になる。ただし、Tr他は不感帯修正の前後で不変とする。 Table 1 shows the differential gain of this ship. According to the table, the differential gain becomes negative when the dead zone is corrected. However, Tr and the like remain unchanged before and after the dead zone correction.
(7)式、KP=1.5,KD=−4.9を用いて、推定係数ρ2に関してb1,b0,z及び代表根のω,ζを計算した結果を図7に示す。図7より、ρ2≧4でb1>0,z>0になり、ζ,ωは不確かさパラメータdbに対して、それぞれほぼ反比例、比例し、ρ2≧4でほぼ一定値になる。この際、仕様db=2を満足できない。図8はρ2=4の代表根の根軌跡を示す。図8(b)は、0≦Δb≦2Kr/Trで、Δb=2Kr/Trまたはdb=2のときζ≒0.2になり、図7(d)の結果とほぼ一致する。よって、本船のノミナル値を FIG. 7 shows the results of calculating b 1 , b 0 , z and ω, の of the representative root with respect to the estimation coefficient ρ 2 using the equation (7), K P = 1.5, K D = −4.9. Show. 7 that becomes b 1> 0, z> 0 in [rho 2 ≧ 4, zeta, against ω is uncertainty parameter d b, inverse proportion, respectively, in proportion, approximately constant value [rho 2 ≧ 4 . At this time, we can not meet the specifications d b = 2. FIG. 8 shows the root locus of the representative root of ρ 2 = 4. FIG. 8 (b), at 0 ≦ Δ b ≦ 2K r / T r, becomes Δ b = 2K r / T r or d b = 2 when zeta ≒ 0.2, results and 7 of (d) Almost match. Therefore, the nominal value of the ship
に見積もると、本船の2次推定係数をρ2≒4にすれば、ζ≒0.4になり仕様を満足することができる。
If the secondary estimation coefficient of the ship is ρ 2 ≒ 4, it will be ζ ≒ 0.4, which satisfies the specifications.
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The embodiments of the present invention have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These new embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.
1 船舶用自動操舵装置
10 フィードバック制御器
11 状態フィードバック制御器
12 推定器
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記参照方位と前記船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、
前記フィードバック制御器は、前記参照方位と前記船首方位との偏差と前記命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、前記推定偏差に対して所定の第1仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKPを乗じるとともに、前記推定角速度に対して前記比例ゲインKPの値に依存する微分ゲインKDを乗じて前記命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備え、
前記推定器と前記状態フィードバック制御器から構成される閉ループの特性多項式は、添字hが方位制御、添字eが推定器、修飾〜がノミナル値をそれぞれ表すとともに、sをラプラス演算子、D(s)を特性多項式、ζを減衰係数、ωを固有角周波数、ζeh=ζh,ωe=ρ2ωeh、ρ2を2次推定係数、Krを旋回力ゲイン、Trを船体時定数、Tr3を舵感度時定数、Δb,Δb’,dbをそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量として、
前記状態フィードバック制御器は、前記微分ゲインKDの値が負値である場合、前記第1仕様ゲイン値より大きく設定された第2仕様ゲイン値を前記比例ゲインKPに設定し、
前記推定器は、前記微分ゲインK D の値が正値である場合、所定の第1仕様値に設定されたパラメータ不確かさΔ b ’に基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記2次推定係数ρ 2 を算出し、前記微分ゲインK D の値が負値である場合、前記第2仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKPと所定値に設定されたパラメータ不確かさΔb’とに基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記2次推定係数ρ2を算出することを特徴とする船舶用自動操舵装置。 An automatic steering device for a ship that controls a controlled object including a hull and a steering gear so as to make the heading follow the reference heading,
A feedback controller that outputs a command steering angle based on the reference direction and the heading direction to the control target,
An estimator configured to output an estimated deviation and an estimated angular velocity as an estimated value based on the deviation between the reference azimuth and the heading and the command steering angle; with multiplying the set proportional gain K P to specifications gain value, and a state feedback controller for outputting the command steering angle is multiplied by a derivative gain K D that depends on the value of the proportional gain K P to the estimated angular velocity With
In the closed-loop characteristic polynomial composed of the estimator and the state feedback controller, the suffix h represents the azimuth control, the suffix e represents the estimator, the modification 〜 represents the nominal value, s represents the Laplace operator, and D (s ) Is a characteristic polynomial, ζ is a damping coefficient, ω is a natural angular frequency, e eh = ζ h , ω e = ρ 2 ω eh , ρ 2 is a second-order estimation coefficient, K r is a turning force gain, and Tr is a hull. constant, T r3 steering sensitivity time constant, delta b, delta b ', a d b a scalar quantity parameter uncertainty respectively,
The state feedback controller, the case where the value of the derivative gain K D of a negative value, setting the second specification gain value that is larger than said first specification gain value to the proportional gain K P,
The estimator, when the value of the derivative gain K D of a positive value, based on the parameters uncertainty which is set to a predetermined first specified value delta b ', the secondary estimation coefficient by the characteristic polynomial of the closed loop calculating a [rho 2, wherein when the value of the derivative gain K D of a negative value, based on said second specification is set to the gain value proportional gain K P and the parameter uncertainty which is set to a predetermined value delta b ' And calculating the second estimation coefficient ρ2 using the closed-loop characteristic polynomial.
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