JP7114427B2 - Control device, its control method, control program, structure - Google Patents

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Description

本発明は、制御装置、及びその制御方法並びに制御プログラム、構造体に関するものである。 The present invention relates to a control device, its control method, control program, and structure.

水中航走体等の構造体の運動特性は一般的に非線形である。このため、制御精度を向上させるために非線形特性を線形化する必要がある。線形化手法としては、例えば平衡点の近傍で線形近似する方法がある(例えば、特許文献1)。 Motion characteristics of structures such as underwater vehicles are generally nonlinear. Therefore, it is necessary to linearize the nonlinear characteristics in order to improve the control accuracy. As a linearization method, for example, there is a method of linear approximation in the vicinity of the equilibrium point (for example, Patent Document 1).

また、制御対象の非線形特性を近似することなく全領域で線形化する方法として厳密な線形化手法が提案されている(例えば、非特許文献1-4)。厳密な線形化手法を用いることで、制御精度の向上が期待できる。 In addition, a strict linearization method has been proposed as a method of linearizing in the entire region without approximating the nonlinear characteristics of the controlled object (for example, Non-Patent Documents 1 to 4). Using a strict linearization method can be expected to improve control accuracy.

特開2016-78621号公報JP 2016-78621 A

石島辰太郎、島公脩、石動喜久、山下裕、三平満司、渡辺敦著 「非線形システム論」、計測自動制御学会、1993年Tatsutaro Ishijima, Koshu Shima, Yoshihisa Isurugi, Yutaka Yamashita, Mitsuji Mihira, Atsushi Watanabe, "Nonlinear System Theory", The Society of Instrument and Control Engineers, 1993 三平満司著 「厳密な線形化とそのけん引車両の軌道制御への応用」、計測と制御、Vol.31、No.8、1992年Mitsuji Mitsuhira, "Exact Linearization and Its Application to Trajectory Control of Traction Vehicles", Measurement and Control, Vol. 31, No. 8, 1992 山田秀光著 「厳密な線形化手法のオートパイロットへの適用」、関西造船協会論文集、No.235、2001年Hidemitsu Yamada, "Application of Rigorous Linearization Method to Autopilot", Kansai Shipbuilders Association, No. 235, 2001 齊藤健一著 「航空機の非線形方程式の厳密な線形化とその制御」、日本航空宇宙学会誌、Vol.46、No.531、1998年Kenichi Saito, "Strict linearization of nonlinear equations of aircraft and their control", Journal of Japan Aerospace Society, Vol. 46, No. 531, 1998

しかしながら、厳密な線形化手法では、各制御軸に対する指令(例えば、アクチュエータに対する指令)が互いに干渉する場合がある。例えば、水中航走体では、深度に対する指令とピッチ角に対する指令とは互いに干渉関係にあり、深度を変更する際には自動的にピッチ角も変動する。厳密な線形化手法のように、各制御軸に対する指令が互いに干渉する場合には、ある制御軸の指令が飽和すると、干渉する他の制御軸の指令が適切でないものとなる場合がある。例えば、深度用アクチュエータの指令値が深度用アクチュエータの制限値以上の指令となる場合、実際の深度用アクチュエータは制限値を上限として駆動する。一方で、ピッチ角用アクチュエータの指令値は、深度用アクチュエータが指令値(制限値以上の指令)で動作していることを前提として決定される。このため、深度用アクチュエータが指令値通りに動作していないにも関わらず、深度用アクチュエータが指令値通りに動作していることを前提としてピッチ角用アクチュエータが動作するため、ピッチ角が過剰制御となる可能性がある。ピッチ角が過剰制御となる場合には、深度の制御応答性(目標値に対する応答性)が低下する場合もある。 However, in a strict linearization approach, commands for each control axis (eg, commands for actuators) may interfere with each other. For example, in an underwater vehicle, a command for depth and a command for pitch angle interfere with each other, and the pitch angle automatically changes when the depth is changed. If the commands for each control axis interfere with each other, as in the exact linearization approach, saturation of the command for one control axis may result in inappropriate commands for the other interfering control axes. For example, if the command value for the depth actuator is greater than or equal to the limit value of the depth actuator, the actual depth actuator is driven with the limit value as the upper limit. On the other hand, the command value for the pitch angle actuator is determined on the premise that the depth actuator operates with a command value (command equal to or greater than the limit value). Therefore, even though the depth actuator does not operate according to the command value, the pitch angle actuator operates on the premise that the depth actuator operates according to the command value, resulting in excessive pitch angle control. It is possible that If the pitch angle is over-controlled, the depth control response (response to the target value) may decrease.

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、各制御軸間の干渉による過剰制御を抑制することのできる制御装置、及びその制御方法並びに制御プログラム、構造体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 provides a control device, control method, control program, and structure capable of suppressing excessive control due to interference between control axes. With the goal.

本発明の第1態様は、複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の入力値に基づいて前記複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の指令値を算出して制御対象へ出力する変換部と、前記複数の指令値のうちの所定の指令値が所定の閾値以上である場合に、前記所定の指令値と前記閾値との偏差を算出する偏差算出部と、前記閾値以上である前記所定の指令値に対応した前記制御パラメータに対して干渉性を有する他の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つを、前記偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する入力補正部と、を備える制御装置である。 A first aspect of the present invention is a conversion unit that calculates a plurality of command values corresponding to each of the plurality of control parameters based on a plurality of input values corresponding to each of the plurality of control parameters, and outputs the command values to a controlled object. a deviation calculation unit for calculating a deviation between the predetermined command value and the threshold when a predetermined command value among the plurality of command values is equal to or greater than a predetermined threshold; an input correction unit that corrects at least one of the input values corresponding to the other control parameters having coherence with the control parameter corresponding to the command value using a correction value calculated using the deviation; is a control device comprising:

上記のような構成によれば、各制御パラメータに対応した指令値が互いに干渉する場合であっても、指令値と閾値との偏差に基づいて、指令値を算出するための入力値を補正するため、例えば指令値が入力されるアクチュエータ等の駆動量の飽和(制限値)を考慮して、各制御パラメータ間の干渉を抑制することが可能となる。
さらに、上記のような構成によれば、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータに対して干渉性を有する制御パラメータの入力値を補正するため、制御パラメータ間の干渉による影響を抑制することができる。
According to the above configuration, even if the command values corresponding to the respective control parameters interfere with each other, the input value for calculating the command value is corrected based on the deviation between the command value and the threshold value. Therefore, for example, it is possible to suppress the interference between the control parameters by considering the saturation (limit value) of the drive amount of the actuator or the like to which the command value is input.
Furthermore, according to the above configuration, since the input value of the control parameter that has interference with the control parameter corresponding to the command value that is equal to or greater than the threshold is corrected, the influence of the interference between the control parameters can be suppressed. can be done.

例えば、制御パラメータを深度とピッチ角とした場合、深度の指令値が所定の閾値以上であると、深度の指令値は、入力先のアクチュエータ等の対象機器の制限値を超えていることがある。このような場合、対象機器は制限値以上で駆動できず、深度の指令値が完全に反映されない。しかしながら、深度の指令値と干渉があるピッチ角の指令値は、該対象機器の制限値を考慮できないため、深度の指令値で該対象機器が駆動しているものとして指令値が算出される。このため、ピッチ角の指令値が不適切なもの(過剰制御)となる可能性がある。 For example, if the control parameters are depth and pitch angle, and the depth command value is greater than or equal to a predetermined threshold value, the depth command value may exceed the limit value of the target device such as the input actuator. . In such a case, the target device cannot be driven above the limit value, and the depth command value is not fully reflected. However, since the pitch angle command value that interferes with the depth command value cannot consider the limit value of the target device, the command value is calculated assuming that the target device is driven by the depth command value. Therefore, there is a possibility that the pitch angle command value will be inappropriate (excessive control).

そこで、指令値が所定の閾値以上である場合に、指令値と閾値との偏差に基づいて、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値を補正することとした。このため、例えば、対象機器の制限値といった指令値の閾値を考慮して、各制御パラメータの指令値を修正することが可能となる。 Therefore, when the command value is equal to or greater than a predetermined threshold value, the input value corresponding to the control parameter other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold value is corrected based on the deviation between the command value and the threshold value. did. Therefore, for example, it is possible to modify the command value of each control parameter in consideration of the threshold value of the command value, such as the limit value of the target device.

また、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値を補正することとしたため、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータを最大能力で制御しつつ、干渉を受ける他の制御パラメータの指令値を補正することができる。 In addition, since the input value corresponding to the control parameter other than the control parameter corresponding to the command value that is equal to or higher than the threshold is corrected, the control parameter corresponding to the command value that is equal to or higher than the threshold is controlled at the maximum capacity while preventing interference. Command values of other received control parameters can be corrected.

すなわち、各制御パラメータの指令値間に干渉がある場合であっても、応答性を落とさずに、干渉による過剰制御を抑制し、安定性の向上及び消費電力の抑制が可能となる。 That is, even if there is interference between the command values of the control parameters, it is possible to suppress excessive control due to interference without deteriorating responsiveness, thereby improving stability and suppressing power consumption.

上記制御装置において、前記制御対象の非線形特性を厳密に線形化するための線形化フィードバック部を備えており、前記変換部は、前記制御対象の入力側において、前記非線形特性の厳密な線形化のための入力値変換を行うこととしてもよい。 The above control device includes a linearization feedback unit for strictly linearizing the nonlinear characteristics of the controlled object, and the conversion unit performs strict linearization of the nonlinear characteristics on the input side of the controlled object. It is also possible to perform input value conversion for

上記のような構成によれば、厳密な線形化手法を使用することで、制御対象の非線形特性を近似することなく線形化でき、制御精度を向上させることが可能となる。 According to the configuration described above, by using a strict linearization technique, linearization can be performed without approximating the nonlinear characteristics of the controlled object, and control accuracy can be improved.

上記制御装置において、前記入力補正部は、前記閾値以上である前記指令値に対応した前記制御パラメータ以外の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つに対して、前記補正値を減算することとしてもよい。 In the control device, the input correction unit subtracts the correction value from at least one of the input values corresponding to the control parameters other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold. You can do it.

上記のような構成によれば、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値が補正値を減算することで補正されるため、閾値以上となっている指令値に干渉を受けて過剰制御となってしまうことを抑制することができる。 According to the above configuration, since the input value corresponding to the control parameter other than the control parameter corresponding to the command value that is equal to or greater than the threshold is corrected by subtracting the correction value, the command value that is equal to or greater than the threshold It is possible to suppress excessive control due to interference with the

上記制御装置において、前記入力補正部は、前記変換部の入出力特性の逆特性を有しており、前記逆特性を用いて前記偏差に基づく前記補正値を算出することとしてもよい。 In the control device described above, the input correction unit may have characteristics opposite to the input/output characteristics of the conversion unit, and the correction value based on the deviation may be calculated using the characteristics opposite to those of the conversion unit.

上記のような構成によれば、入力値に対応した補正値を算出することができ、より安定的に補正を行うことができる。 According to the configuration as described above, it is possible to calculate the correction value corresponding to the input value, and to perform the correction more stably.

上記制御装置において、前記閾値は、前記指令値が入力される前記制御対象の対象機器の最大定格値に基づいて設定されることとしてもよい。 In the control device described above, the threshold value may be set based on a maximum rated value of the target device to be controlled to which the command value is input.

上記のような構成によれば、指令値が入力される制御対象の対象機器の最大定格値に基づいて閾値を決定することで、閾値以上となっている指令値に干渉を受けて過剰制御となってしまうことを抑制することができる。 According to the above configuration, by determining the threshold value based on the maximum rated value of the target device to be controlled to which the command value is input, the command value exceeding the threshold interferes with excessive control. You can prevent it from happening.

本発明の第2態様は、上記の制御装置を備えた構造体である。 A second aspect of the present invention is a structure comprising the control device described above.

本発明の第3態様は、複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の入力値に基づいて前記複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の指令値を算出して制御対象へ出力する変換工程と、前記複数の指令値のうちの所定の指令値が所定の閾値以上である場合に、前記所定の指令値と前記閾値との偏差を算出する偏差算出工程と、前記閾値以上である前記所定の指令値に対応した前記制御パラメータに対して干渉性を有する他の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つを、前記偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する入力補正工程と、を含む制御方法である。 A third aspect of the present invention is a conversion step of calculating a plurality of command values corresponding to each of the plurality of control parameters based on a plurality of input values corresponding to each of the plurality of control parameters, and outputting the command values to a controlled object. a deviation calculating step of calculating a deviation between the predetermined command value and the threshold when a predetermined command value among the plurality of command values is equal to or greater than a predetermined threshold; an input correction step of correcting at least one of the input values corresponding to the other control parameters having coherence with the control parameter corresponding to the command value using a correction value calculated using the deviation; is a control method including

本発明の第4態様は、複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の入力値に基づいて前記複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の指令値を算出して制御対象へ出力する変換処理と、前記複数の指令値のうちの所定の指令値が所定の閾値以上である場合に、前記所定の指令値と前記閾値との偏差を算出する偏差算出処理と、前記閾値以上である前記所定の指令値に対応した前記制御パラメータに対して干渉性を有する他の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つを、前記偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する入力補正処理と、をコンピュータに実行させるための制御プログラムである。 A fourth aspect of the present invention is a conversion process of calculating a plurality of command values corresponding to each of the plurality of control parameters based on a plurality of input values corresponding to each of the plurality of control parameters and outputting them to a controlled object. a deviation calculation process for calculating a deviation between the predetermined command value and the threshold when a predetermined command value among the plurality of command values is equal to or greater than a predetermined threshold; an input correction process for correcting at least one of the input values corresponding to the other control parameters having coherence with the control parameter corresponding to the command value using a correction value calculated using the deviation; is a control program for causing a computer to execute

本発明によれば、各制御軸間の干渉による過剰制御を抑制することができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is effective in the ability to suppress the excessive control by the interference between each control axis.

本発明の一実施形態に係る制御装置を備えた水中航走体を例示した図である。1 is a diagram illustrating an underwater vehicle provided with a control device according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一実施形態に係る制御装置が備える機能を示した機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram showing functions provided by a control device according to one embodiment of the present invention; 水中航走体の動作の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the motion of the underwater vehicle; 厳密な線形化手法を適用したシステムの例を示す図である。FIG. 2 illustrates an example of a system applying the rigorous linearization technique; 厳密な線形化手法を適用したシステムの伝達関数の例を示す図である。FIG. 4 shows an example of the transfer function of a system applying the exact linearization technique; 厳密な線形化手法を適用したシステムの例を示す図である。FIG. 2 illustrates an example of a system applying the rigorous linearization technique; 本発明の一実施形態に係る制御装置おける深度の時間変化を示した図である。It is the figure which showed the time change of the depth in the control apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る制御装置における深度用アクチュエータの時間変化を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing temporal changes of a depth actuator in a control device according to an embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態に係る制御装置におけるピッチ角の時間変化を示した図である。It is the figure which showed the time change of the pitch angle in the control apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る制御装置におけるピッチ角用アクチュエータの時間変化を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing temporal changes of a pitch angle actuator in the control device according to the embodiment of the present invention; 参考例1における制御系統を例示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a control system in Reference Example 1; 参考例2における制御系統を例示した図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a control system in Reference Example 2; 本発明の一実施形態に係る制御装置におけるピッチ角の時間変化を示した拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view showing the change over time of the pitch angle in the control device according to the embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態に係る制御装置におけるピッチ角用アクチュエータの時間変化を示した拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view showing a change over time of a pitch angle actuator in the control device according to the embodiment of the present invention;

以下に、本発明に係る制御装置、及びその制御方法並びに制御プログラム、構造体の一実施形態について、図面を参照して説明する。制御装置は、複数の制御パラメータによって制御される構造体であれば、幅広く適用できるものであって、以下に説明するような水中航走体のみに限定されるものではない。例えば、制御装置は、航空機やロケット、ドローン等の構造体に適用可能であり、有人及び無人に関わらず適用可能である。 An embodiment of a control device, a control method thereof, a control program, and a structure according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The control device can be widely applied to structures controlled by a plurality of control parameters, and is not limited to underwater vehicles as described below. For example, the control device can be applied to structures such as aircraft, rockets, and drones, regardless of whether it is manned or unmanned.

図1は、本発明の一実施形態に係る制御装置20を備えた水中航走体1を例示した図である。図1に示すように、水中航走体1は、船尾軸線(以下、「x軸」という。)、左右軸線(以下、「y軸」という。)、上下軸線(以下、「z軸」という。)からなる互いに直交する3つの直線軸と、これら各直線軸に対する3つの回転軸とからなる6軸(6自由度)が定義される。そして、x軸方向の速度をu、y軸方向の速度をv、z軸方向の速度をwとする。また、x軸周りの回転角速度pをロール角速度、y軸周りの回転角速度qをピッチ角速度、z軸周りの回転角速度rを方位角速度とする。更に、絶対座標系(地球座標系)におけるx軸周りの回転角度φをロール角、y軸周りの回転角度θをピッチ角、z軸周りの回転角度ψを方位角とする。なお、深度は、絶対座標系(地球座標系)における上下方向(絶対座標系におけるz軸方向)である。機体の運動方程式では、機体座標系での6軸方向の速度が計算され、座標変換されることとで絶対座標系での位置や姿勢となる。 FIG. 1 is a diagram illustrating an underwater vehicle 1 equipped with a control device 20 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an underwater vehicle 1 has a stern axis (hereinafter referred to as "x-axis"), a lateral axis (hereinafter referred to as "y-axis"), and a vertical axis (hereinafter referred to as "z-axis"). ) and three rotational axes for each of these linear axes (six degrees of freedom) are defined. Let u be the velocity in the x-axis direction, v be the velocity in the y-axis direction, and w be the velocity in the z-axis direction. Further, let the rotational angular velocity p about the x-axis be the roll angular velocity, the rotational angular velocity q about the y-axis be the pitch angular velocity, and the rotational angular velocity r about the z-axis be the azimuth angular velocity. Further, let the rotation angle φ about the x-axis in the absolute coordinate system (earth coordinate system) be the roll angle, the rotation angle θ about the y-axis be the pitch angle, and the rotation angle ψ about the z-axis be the azimuth angle. Note that the depth is the vertical direction (the z-axis direction in the absolute coordinate system) in the absolute coordinate system (the earth coordinate system). In the equations of motion of the airframe, the velocities in the six-axis directions in the airframe coordinate system are calculated, and coordinate transformation is performed to obtain the position and attitude in the absolute coordinate system.

制御装置(干渉抑制機能付制御装置)20は、水中航走体1を制御対象30として、水中航走体1の各制御軸(深度、ピッチ角、方位角、ロール角)に対して制御を行う。具体的には、制御装置20は、水中航走体1に設けられた対象機器である深度用アクチュエータ、ピッチ角用アクチュエータ、方位角用アクチュエータ、ロール角用アクチュエータに対して操作量(指令値)を与えることによって各軸方向の制御量を制御する。なお、各アクチュエータは船体に設けられた可動部(例えば、船尾の舵等)を駆動して各制御軸方向に水中航走体1を移動させる駆動装置である。すなわち、制御装置20は、各制御軸(深度、ピッチ角、方位角、ロール角)を制御パラメータとして制御を行う。なお、本実施形態では、深度とピッチ角を制御パラメータとして制御する場合を例示して説明するが、他の制御パラメータについても同様に適用可能である。 A control device (control device with interference suppression function) 20 controls each control axis (depth, pitch angle, azimuth angle, roll angle) of the underwater vehicle 1 with the underwater vehicle 1 as a control target 30. conduct. Specifically, the control device 20 controls the depth actuator, the pitch angle actuator, the azimuth angle actuator, and the roll angle actuator, which are the target devices provided in the underwater vehicle 1, by controlling the operation amount (command value). The amount of control in each axial direction is controlled by giving Each actuator is a driving device that drives a movable part (for example, a rudder at the stern) provided on the hull to move the underwater vehicle 1 in each control axis direction. That is, the control device 20 performs control using each control axis (depth, pitch angle, azimuth angle, roll angle) as a control parameter. In this embodiment, the case where the depth and the pitch angle are used as control parameters will be described as an example, but other control parameters can be similarly applied.

制御装置20は、例えば、図示しないCPU(中央演算装置)、RAM(Random Access Memory)等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等である。 The control device 20 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) (not shown), a memory such as a RAM (Random Access Memory), a computer-readable recording medium, and the like. A series of processes for realizing various functions described later is recorded in the form of a program on a recording medium, etc., and the CPU reads this program into RAM, etc., and executes processing and arithmetic processing of information. Various functions, which will be described later, are realized. The program may be pre-installed in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or delivered via wired or wireless communication means. etc. may be applied. Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, semiconductor memories, and the like.

図2は、制御装置20が備える機能を示した機能ブロック図である。なお、図2に示す制御対象30は水中航走体1であり、制御装置20には含まれない(制御装置20による制御対象である)。図2に示されるように、制御装置20は、深度フィードバック制御部21と、ピッチ角フィードバック制御部22と、入力変換部23と、線形化フィードバック部24と、干渉抑制部25とを備えている。なお、図2において、厳密に線形化されたシステムを線形化システム28として示している。また、本実施形態では、一例として制御パラメータを深度及びピッチ角としているため、図2では、深度フィードバック制御部21及びピッチ角フィードバック制御部22を設けているが、他の制御パラメータについても同様に適用可能である。 FIG. 2 is a functional block diagram showing functions of the control device 20. As shown in FIG. Note that the controlled object 30 shown in FIG. 2 is the underwater vehicle 1 and is not included in the control device 20 (it is controlled by the control device 20). As shown in FIG. 2, the control device 20 includes a depth feedback control section 21, a pitch angle feedback control section 22, an input conversion section 23, a linearization feedback section 24, and an interference suppression section 25. . Note that in FIG. 2 the strictly linearized system is shown as linearized system 28 . In addition, in the present embodiment, depth and pitch angle are used as control parameters as an example, so the depth feedback control section 21 and the pitch angle feedback control section 22 are provided in FIG. Applicable.

深度フィードバック制御部21は、入力された深度の目標値と、制御対象30から検出された深度との差分に基づいて、後述する線形化システム28(厳密に線形化されたシステム)に対する深度に係る入力値を演算する。具体的には、深度フィードバック制御部21には、深度の目標値と、制御対象30より検出された現在の深度との差分が入力される。そして、深度フィードバック制御部21は、差分が低減されるような深度の入力値を算出し、出力する。深度フィードバック制御部21から出力される入力値は、後述するように、制御対象30を厳密に線形化した線形システムに適合した入力である。なお、フィードバック制御部には、例えばPID制御手法等を適宜適用可能である。 Based on the difference between the input target value of depth and the depth detected from the controlled object 30, the depth feedback control unit 21 provides a depth feedback control for a linearization system 28 (strictly linearized system), which will be described later. Calculate the input value. Specifically, the depth feedback control unit 21 receives the difference between the depth target value and the current depth detected from the controlled object 30 . Then, the depth feedback control unit 21 calculates and outputs a depth input value that reduces the difference. The input value output from the depth feedback control unit 21 is an input adapted to a linear system in which the controlled object 30 is strictly linearized, as will be described later. For example, a PID control method or the like can be appropriately applied to the feedback control unit.

なお、線形化システム28とは、非線形要素を備える制御対象30に厳密な線形化手法を適用して、後述する入力変換部23や線形化フィードバック部24等を付加して線形化したシステム(厳密に線形化されたシステム)である。すなわち、制御対象30自体は非線形特性を有していても、線形化システム28全体として見ると線形特性となる。 The linearization system 28 is a linearized system (strict system linearized to ). That is, even if the controlled object 30 itself has non-linear characteristics, the overall linearization system 28 has linear characteristics.

ピッチ角フィードバック制御部22は、深度フィードバック制御部21と同様に、入力されたピッチ角の目標値と、制御対象30から検出されたピッチ角との差分に基づいて、線形化システム28(厳密に線形化されたシステム)に対するピッチ角の入力値を演算する。 Similar to the depth feedback control unit 21, the pitch angle feedback control unit 22 controls the linearization system 28 (strictly speaking, Calculate the pitch angle input for the linearized system).

入力変換部23は、制御対象30の入力側において、制御対象30の非線形特性を厳密に線形化するために、入力変換を行う。換言すると、入力変換部23は、厳密な線形化が適用された線形化システム28に入力される入力値と線形化システム28の制御対象30に入力される指令値との間の入力変換を行う。なお、入力変換部23の詳細については、後述する。 The input conversion unit 23 performs input conversion in order to strictly linearize the nonlinear characteristics of the controlled object 30 on the input side of the controlled object 30 . In other words, the input conversion unit 23 performs input conversion between the input value input to the linearization system 28 to which strict linearization is applied and the command value input to the controlled object 30 of the linearization system 28. . Details of the input conversion unit 23 will be described later.

なお、入力変換部(変換部)23は、複数の制御パラメータにおける各入力値に基づいて各制御パラメータに対応した指令値を算出して制御対象30へ出力する。すなわち、入力変換部23から出力されたある制御パラメータの指令値は、複数の制御パラメータにおける各入力値に基づいて算出されている。すなわち、入力変換部23から出力される各指令値は、互いに干渉性を有している。換言すると入力部から出力される各指令値は、独立に算出されたものではなく、互いに関連性を有しており、ある制御パラメータの影響が他の制御パラメータに現れる。なお、本実施形態では、各制御パラメータの指令値が互いに干渉している場合として厳密な線形化を例として説明しているが、算出された指令値が互いに干渉していれば、厳密な線形化手法における入力変換部23に限らず適用可能である。 Note that the input conversion unit (conversion unit) 23 calculates a command value corresponding to each control parameter based on each input value of a plurality of control parameters, and outputs the command value to the controlled object 30 . That is, the command value of a certain control parameter output from the input converter 23 is calculated based on each input value of a plurality of control parameters. That is, each command value output from the input conversion unit 23 has coherency with each other. In other words, each command value output from the input unit is not calculated independently, but is related to each other, and the influence of one control parameter appears on another control parameter. In the present embodiment, strict linearization is described as an example when the command values of the control parameters interfere with each other. It is applicable not only to the input conversion unit 23 in the conversion method.

線形化フィードバック部24は、制御対象30の非線形特性を厳密に線形化するために、検出された制御対象30の制御量(例えば、深度やピッチ角)に基づいて、制御対象30の入力側へフィードバックを行う。換言すると、線形化フィードバック部24は、制御対象30の制御量に基づいてフィードバックを行うことで、線形化システム28の制御対象30に入力される指令値を補完する。なお、線形化フィードバック部24の詳細については、後述する。 In order to strictly linearize the nonlinear characteristics of the controlled object 30, the linearization feedback unit 24 provides feedback to the input side of the controlled object 30 based on the detected control amount (for example, depth and pitch angle) of the controlled object 30. give feedback. In other words, the linearization feedback unit 24 complements the command value input to the controlled object 30 of the linearization system 28 by performing feedback based on the control amount of the controlled object 30 . Details of the linearization feedback unit 24 will be described later.

干渉抑制部25は、各制御パラメータ間の干渉による過剰制御を抑制するための補正を行う。すなわち、干渉制御部は、各制御パラメータに対応した指令値(アクチュエータに入力される指令値)が互いに干渉している場合に、該干渉に起因する不要な制御(過剰制御)を抑制する。水中航走体1は、図3のように、深度を降下させる場合には自動的に機首が下がることとなる。例えば、ピッチ角を0℃(現状維持)としたまま、深度を降下させる場合、深度を降下させるための指令値が深度用アクチュエータへ出力されると共に、深度降下に伴うピッチ角の変動を抑制するようにピッチ角用アクチュエータの指令値が出力される。このように、深度の指令値と、ピッチ角の指令値とは互いに干渉しており、これらの指令値に基づいて各アクチュエータが駆動されることで、ピッチ角を略0℃(現状維持)としたまま、深度を降下させることが可能となる。 The interference suppression unit 25 performs correction for suppressing excessive control due to interference between control parameters. That is, the interference control unit suppresses unnecessary control (excessive control) caused by the interference when command values (command values input to the actuators) corresponding to each control parameter interfere with each other. As shown in FIG. 3, the underwater vehicle 1 automatically lowers its nose when the depth is lowered. For example, when the depth is lowered while the pitch angle is kept at 0°C (maintaining the current state), a command value for lowering the depth is output to the depth actuator, and fluctuations in the pitch angle accompanying depth descent are suppressed. A command value for the pitch angle actuator is output as follows. In this way, the depth command value and the pitch angle command value interfere with each other, and by driving each actuator based on these command values, the pitch angle is reduced to approximately 0°C (maintaining the current state). It is possible to lower the depth while

しかしながら、指令値が入力される対象機器であるアクチュエータには、動作制限が存在する。動作制限とは、例えば対象機器の最大定格値であり、角度飽和やストローク飽和、電圧飽和等の動作可能な限度を示す制限値である。このため、例えば深度を大きく降下させる場合に、深度用アクチュエータの指令値は、大きな値となり、入力先の深度用アクチュエータの制限値を超えてしまう場合がある。このような場合、指令値が入力された深度用アクチュエータは指令値通りに動作することができず、制限値を限度として動作する。すなわち、実際の深度用アクチュエータが深度の指令値通りに動作しないこととなる。一方で、深度に干渉を受けるピッチ角用アクチュエータの指令値は、深度降下に伴うピッチ角の変動を抑制するような指令値が出力される。すなわち、ピッチ角用アクチュエータの指令値は、深度用アクチュエータが指令値通りに動作した場合における変動を抑制するように出力される。深度が大きく降下することによってピッチ角が大幅に下向きとなると想定して、ピッチ角の指令値は干渉により機首が大きく下向きとなることを打ち消すように上向きの力が発生するように設定される。しかしながら、深度用アクチュエータの制限値によって指令値通りに実際の深度用アクチュエータが動作しない場合には、ピッチ角の指令値に基づいて上向きの力が大きくなり、機首が上向きとなってしまう可能性がある(過剰制御)。これは、互いに干渉する制御パラメータの指令値が、指令値の飽和(対象機器の制限値)を考慮できていないことに起因する。そこで、干渉抑制部25では、対象機器の制限値を考慮して制御パラメータの指令値が出力されるように、入力値を補正する。 However, the actuator, which is the target device to which the command value is input, has operational limitations. The operation limit is, for example, the maximum rated value of the target device, and is a limit value indicating the operable limit such as angle saturation, stroke saturation, voltage saturation, and the like. Therefore, for example, when the depth is greatly lowered, the command value for the depth actuator becomes a large value and may exceed the limit value of the depth actuator to which it is input. In such a case, the depth actuator to which the command value is input cannot operate according to the command value, and operates within the limit value. That is, the actual depth actuator does not operate according to the depth command value. On the other hand, the command value for the pitch angle actuator, which is affected by the depth, is such that the change in pitch angle that accompanies the depth descent is suppressed. In other words, the command value for the pitch angle actuator is output so as to suppress variation when the depth actuator operates according to the command value. Assuming that the pitch angle will be significantly downward due to a large depth descent, the pitch angle command value is set so that an upward force is generated to cancel the large nose downward due to interference. . However, if the actual depth actuator does not operate according to the command value due to the limit value of the depth actuator, the upward force will increase based on the command value of the pitch angle, and there is a possibility that the nose will turn upward. there is (overregulation). This is because the command values of the control parameters that interfere with each other do not take into consideration the saturation of the command values (the limit values of the target equipment). Therefore, the interference suppression unit 25 corrects the input value so that the command value of the control parameter is output in consideration of the limit value of the target device.

このために、干渉抑制部25は、偏差算出部27と、入力補正部26とを有する。本実施形態では、深度用アクチュエータに制限値が設けられており、ピッチ角の入力値を補正する場合について例示して説明するが、他の制御パラメータにおいても同様に適用可能である。干渉抑制部25は、線形化システム28の補償ループ外で補正を行うため、厳密な線形化手法による線形化と独立して補正を行うことができる。 For this reason, the interference suppressor 25 has a deviation calculator 27 and an input corrector 26 . In the present embodiment, the case where the depth actuator is provided with a limit value and the input value of the pitch angle is corrected will be described as an example, but the same can be applied to other control parameters. Since the interference suppressor 25 performs the correction outside the compensation loop of the linearization system 28, the correction can be performed independently of the linearization by the exact linearization method.

偏差算出部27は、指令値が所定の閾値以上である場合に、指令値と閾値との偏差を算出する。具体的には、偏差算出部27には、各制御パラメータの指令値が入力され、各指令値が制御パラメータ毎に設定された閾値以上となっているか否かを判定する。閾値とは、指令値が入力される制御対象30の対象機器(各アクチュエータ)の最大定格値に基づいて設定される。例えば、深度の場合には、深度用アクチュエータを最大定格値(制限値)で動作させるための指令値が閾値(指令飽和値)となる。なお、閾値を、対象機器の最大定格値に所定の余裕度を設けた値で動作させるための指令値をすることとしてもよい。他の対象機器である各アクチュエータにおいても同様に最大定格値(最大操作量)に対応して閾値が設定されているものとする。すなわち、指令値が所定の閾値以上である場合とは、指令値がアクチュエータの最大定格値以上の駆動を要求している場合である。 The deviation calculator 27 calculates the deviation between the command value and the threshold when the command value is equal to or greater than a predetermined threshold. Specifically, the command value of each control parameter is input to the deviation calculator 27, and it is determined whether or not each command value is equal to or greater than a threshold set for each control parameter. The threshold is set based on the maximum rated value of the target device (each actuator) of the controlled object 30 to which the command value is input. For example, in the case of depth, the command value for operating the depth actuator at the maximum rated value (limit value) is the threshold value (command saturation value). It should be noted that the threshold value may be a command value for operating with a value obtained by adding a predetermined margin to the maximum rated value of the target device. It is also assumed that thresholds are similarly set corresponding to the maximum rated values (maximum manipulated variables) for actuators that are other target devices. That is, when the command value is equal to or greater than the predetermined threshold, the command value requests driving equal to or greater than the maximum rated value of the actuator.

そして、偏差算出部27は、指令値が閾値以上であることが判定された場合に、指令値と閾値との偏差を算出する。例えば、深度用アクチュエータの最大定格値に対応した閾値が100%として設定されており、深度の指令値が120%を示している場合には、偏差算出部27は、差分として20%を算出する。 Then, when it is determined that the command value is equal to or greater than the threshold, the deviation calculator 27 calculates the deviation between the command value and the threshold. For example, if the threshold corresponding to the maximum rated value of the depth actuator is set at 100% and the depth command value indicates 120%, the deviation calculator 27 calculates 20% as the difference. .

なお、偏差算出部27は、指令値が所定の閾値未満である場合には、差分を算出せず、所定の基準値(初期値)を出力する。例えば、ピッチ角用アクチュエータの最大定格値に対応した閾値が100%として設定されており、ピッチ角の指令値が50%を示している場合には、偏差算出部27は、初期値として0%を算出する。 When the command value is less than the predetermined threshold value, the deviation calculator 27 does not calculate the difference and outputs a predetermined reference value (initial value). For example, if the threshold value corresponding to the maximum rated value of the pitch angle actuator is set as 100% and the pitch angle command value indicates 50%, the deviation calculator 27 sets the initial value to 0%. Calculate

すなわち、偏差算出部27は、各制御パラメータにおいて指令値と閾値を比較し、閾値以上となっている指令値の制御パラメータについては、指令値と閾値の差分を算出し、閾値未満となっている指令値の制御パラメータについては、指令値の初期値を算出する。このように、偏差算出部27では、各制御パラメータに対応した値を算出し、入力補正部26へ出力する。 That is, the deviation calculation unit 27 compares the command value and the threshold value for each control parameter, calculates the difference between the command value and the threshold value for the control parameter whose command value is equal to or greater than the threshold value, and is less than the threshold value. For the command value control parameter, the initial value of the command value is calculated. Thus, the deviation calculator 27 calculates a value corresponding to each control parameter and outputs it to the input corrector 26 .

入力補正部26は、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値の少なくとも1つを、偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する。具体的には、入力補正部26は、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値の少なくとも1つに対して、補正値を減算する。 The input correction unit 26 corrects at least one of the input values corresponding to the control parameters other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold using the correction value calculated using the deviation. Specifically, the input correction unit 26 subtracts the correction value from at least one of the input values corresponding to the control parameters other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold.

入力補正部26は、入力変換部23の入出力特性の逆特性を有しており、逆特性を用いて偏差に基づく補正値を算出する。入力変換部23では、各制御パラメータの入力値に基づいて各制御パラメータの指令値を算出する。本実施形態では、入力変換部23は厳密な線形化手法に基づいて入出力変換を行うため、入力値と指令値の次元が異なる。このため、入力補正部26は、偏差算出部27から出力された各制御パラメータに対応した値に基づいて、入力変換部23の入出力特性の逆特性を用いて入力値に対応した次元の補正値を換算し出力する。 The input correction unit 26 has the inverse characteristics of the input/output characteristics of the input conversion unit 23, and uses the inverse characteristics to calculate a correction value based on the deviation. The input conversion unit 23 calculates the command value of each control parameter based on the input value of each control parameter. In this embodiment, the input conversion unit 23 performs input/output conversion based on a strict linearization method, so the dimensions of the input value and the command value are different. Therefore, the input correction unit 26 corrects the dimension corresponding to the input value using the inverse characteristic of the input/output characteristic of the input conversion unit 23 based on the value corresponding to each control parameter output from the deviation calculation unit 27. Convert the value and output.

そして、入力補正部26は、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値に対して、算出した補正値を減算する。例えば、深度の指令値が飽和している場合に、深度の入力値を補正すると、深度用アクチュエータを最大能力以下の能力で運用することとなり、深度軸方向の制御の応答性が低下する可能性がある。例えば、深度を降下させる場合には、深度の降下速度が遅くなり、深度が目標値へ達するまでの時間が遅延してしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータに対して干渉性を有する制御パラメータに対応する入力値に対して補正を行う。具体的には、深度の指令値が閾値以上となっている場合には、深度と干渉を有するピッチ角の入力値に対して、補正を行う。このため、閾値以上となっている指令値に対応した制御軸上の応答性能の低下を抑制しつつ、干渉を受ける制御軸上の過剰制御を抑制することが可能となる。 Then, the input correction unit 26 subtracts the calculated correction value from the input values corresponding to the control parameters other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold. For example, when the depth command value is saturated, if the depth input value is corrected, the depth actuator will be operated at a capacity below the maximum capacity, which may reduce the responsiveness of the control in the direction of the depth axis. There is For example, when descending the depth, the depth descending speed becomes slow, and there is a possibility that the time until the depth reaches the target value will be delayed. Therefore, in the present embodiment, the input value corresponding to the control parameter having interference with the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold value is corrected. Specifically, when the depth command value is equal to or greater than the threshold value, the pitch angle input value that interferes with the depth is corrected. Therefore, it is possible to suppress excessive control on the control axis that is subject to interference while suppressing deterioration in response performance on the control axis corresponding to the command value that is equal to or greater than the threshold.

例えば、入力補正部26に偏差算出部27から深度に係る値として20%、ピッチ角に係る値として0%が入力された場合には、入力補正部26は、入力変換部23から出力される深度の指令値が20%、ピッチ角の指令値が0%となるような深度及びピッチ角の入力値を補正値として算出する。そして、ピッチ角に係る補正値を用いて、ピッチ角の入力値を補正する。すなわち、ピッチ角の入力値からピッチ角の補正値を減算することによって入力値を補正し、補正後の入力値を入力変換部23へ入力する。このように、深度の指令値が飽和していることに伴ってピッチ角の指令値が過剰指令となっている場合に、ピッチ角の入力値から補正値を減算するため、ピッチ角の指令値が過剰指令となることを抑制することが可能となる。 For example, when 20% as a value related to depth and 0% as a value related to pitch angle are input to the input correction unit 26 from the deviation calculation unit 27, the input correction unit 26 outputs from the input conversion unit 23 Input values of depth and pitch angle are calculated as correction values so that the command value of depth is 20% and the command value of pitch angle is 0%. Then, the pitch angle input value is corrected using the pitch angle correction value. That is, the input value is corrected by subtracting the correction value of the pitch angle from the input value of the pitch angle, and the corrected input value is input to the input conversion unit 23 . In this way, when the pitch angle command value is excessive due to the saturation of the depth command value, since the correction value is subtracted from the pitch angle input value, the pitch angle command value becomes an excessive command.

次に、厳密な線形化手法について説明する。
厳密な線形化手法は、制御対象の非線形特性を示した非線形モデルを用いて、近似を行うことなく、特性の全領域において線形化する手法である。すなわち、制御対象の入力と出力の間を線形化する。
Exact linearization techniques are now described.
A strict linearization method is a method of performing linearization in the entire characteristic range without approximation using a nonlinear model that indicates the nonlinear characteristics of the controlled object. That is, linearization is performed between the input and output of the controlled object.

制御対象への指令値を入力Δ、制御対象から検出される制御量を出力Yとすると、水中航走体1において、入力Δ及び出力Yは、以下となる。 Assuming that the command value to the controlled object is the input Δ and the control amount detected from the controlled object is the output Y, the input Δ and the output Y in the underwater vehicle 1 are as follows.

Figure 0007114427000001
Figure 0007114427000001

なお、(1)式において、δ1は深度用アクチュエータに対する指令値(操作指令)であり、δ2はピッチ角用アクチュエータに対する指令値(操作指令)であり、δ3は方位角用アクチュエータに対する指令値(操作指令)であり、δ4はロール角用アクチュエータに対する指令値(操作指令)である。また、(2)式において、zは深度の制御量、θはピッチ角の制御量、ψは方位角の制御量、φはロール角の制御量である。すなわち、制御対象に対して指令値を与えると、各アクチュエータが駆動され、各制御軸方向の現在の値が制御量としてセンサ等によって出力される。 In equation (1), δ1 is the command value (operation command) for the depth actuator, δ2 is the command value (operation command) for the pitch angle actuator, and δ3 is the command value (operation command) for the azimuth actuator. command), and δ4 is a command value (operation command) for the roll angle actuator. In equation (2), z is the depth control amount, θ is the pitch angle control amount, ψ is the azimuth angle control amount, and φ is the roll angle control amount. That is, when a command value is given to an object to be controlled, each actuator is driven, and the current value in each control axis direction is output by a sensor or the like as a control amount.

(2)式における出力である制御量に対して時間微分を行うと、例えば、2階微分時に(1)式の入力が表れ、このときの非線形運動方程式は以下のようになる。 When time differentiation is performed on the control amount, which is the output in equation (2), the input of equation (1) appears, for example, at the time of the second order differentiation, and the nonlinear equation of motion at this time is as follows.

Figure 0007114427000002
Figure 0007114427000002

なお、(3)式において、u、v、wは、それぞれ船体座標系における船尾軸線方向の速度、左右軸線方向の速度、上下軸線方向の速度である。また、p、q、rは、それぞれ船体座標系における船尾軸線周りの角速度、左右軸線周りの角速度、上下軸線周りの角速度である。そして、fz、fθ、fψ、fφは、それぞれ深度に係る関数、ピッチ角に係る関数、方位角に係る関数、ロール角に係る関数である。また、gz1からgz4は深度に係る関数であり、gθ1からgθ4はピッチ角に係る関数であり、gψ1からgψ4は方位角に係る関数であり、gφ1からgψ4はロール角に係る関数であり、行列の各要素である。 In equation (3), u, v, and w are the velocity in the stern axis direction, the velocity in the lateral axis direction, and the velocity in the vertical axis direction, respectively, in the hull coordinate system. Also, p, q, and r are the angular velocity around the stern axis, the angular velocity around the lateral axis, and the angular velocity around the vertical axis, respectively, in the hull coordinate system. fz, fθ, fψ, and fφ are a function related to depth, a function related to pitch angle, a function related to azimuth angle, and a function related to roll angle, respectively. In addition, gz1 to gz4 are functions related to depth, gθ1 to gθ4 are functions related to pitch angles, gψ1 to gψ4 are functions related to azimuth angles, gφ1 to gψ4 are functions related to roll angles, and the matrix is each element of

一般的に、非線形特性を持つ制御対象の出力は、1階または複数階微分することによって、(3)式に示されるように入力が表れる。すなわち、出力の1階または複数階微分と、入力の一次式とを等式で表すことができる。(3)式では2階微分の例を示しているが、制御対象によって微分の階数は異なり、1階微分や2階微分以外であっても同様に適用可能である。 In general, the output of a controlled object having nonlinear characteristics appears as the input as shown in Equation (3) by first-order or multiple-order differentiation. That is, the first-order or multi-order differentiation of the output and the linear expression of the input can be represented by an equation. Equation (3) shows an example of second-order differentiation, but the order of differentiation varies depending on the controlled object, and other than first-order differentiation and second-order differentiation are similarly applicable.

ここで、(3)式の左辺である出力の2階微分をνとし、定数項(入力Δにかからない項)をFとし、入力Δにかかる項をGとすると、(3)式は以下のように整理される。 Here, let ν be the second derivative of the output, which is the left side of equation (3), let F be the constant term (the term that does not apply to the input Δ), and let G be the term that applies to the input Δ. are arranged as follows.

Figure 0007114427000003
Figure 0007114427000003

(4)式は、入力Δに対して変形することにより、以下の式となる。 (4) becomes the following formula by transforming it with respect to the input Δ.

Figure 0007114427000004
Figure 0007114427000004

(5)式の関係より、νを新たな入力とし、Fをフィードバック変換とし、1/Gを入力変換とすることによって、制御対象の入出力関係(入力Δ-出力Y)を図4に示すような入出力関係(入力ν-出力Y)に変換することができる。なお、Fのフィードバック変換が図2における線形化フィードバック部24に対応し、1/Gの入力変換が図2の入力変換部23に対応している。図4の厳密に線形化されたシステムに対する入力νと出力Yの関係は、以下である。 From the relationship of equation (5), ν is the new input, F is the feedback conversion, and 1/G is the input conversion. can be converted into an input-output relationship (input ν-output Y). Note that the feedback conversion of F corresponds to the linearization feedback section 24 in FIG. 2, and the input conversion of 1/G corresponds to the input conversion section 23 in FIG. The relationship between input ν and output Y for the exact linearized system of FIG.

Figure 0007114427000005
Figure 0007114427000005

(6)式の関係を伝達関数で示すと図5のような入出力関係となる。すなわち、制御対象の非線形特性は、厳密な線形化手法を適用することによって、2次の積分要素を対角成分に持つ対角行列に変換することができる。なお、対角行列の積分要素の次数は、出力Yの微分の階数と対応して変化する。このように、フィードバック変換と入力変換を制御対象に付加して線形化システムを構成することによって、入出力間を厳密に線形化することができる。 When the relationship of the equation (6) is shown by a transfer function, the input/output relationship is as shown in FIG. That is, the nonlinear characteristics of the controlled object can be converted into a diagonal matrix having quadratic integral elements as diagonal components by applying a strict linearization technique. Note that the order of the integral elements of the diagonal matrix changes in accordance with the order of differentiation of the output Y. In this way, by adding feedback transformation and input transformation to the controlled object to form a linearization system, it is possible to linearize strictly between input and output.

すなわち、非線形特性を有する制御対象30の出力(制御量)の1階または複数階微分と、入力(指令値)の一次式との等式において、入力の一次式の定数項を入力変換とし、一次の項の係数をフィードバック変換とすると、新たな入力(出力を微分したもの)と出力との間の特性は厳密に線形化される。 That is, in an equation between the first-order or multiple-order differentiation of the output (controlled variable) of the controlled object 30 having nonlinear characteristics and the linear expression of the input (command value), the constant term of the input linear expression is used as the input conversion, If the coefficients of the first-order terms are feedback transforms, the characteristic between the new input (differentiated output) and the output is exactly linearized.

このように、厳密な線形化とは、制御対象30の出力を1階または複数階微分したものが入力となると仮定した場合に、制御対象30を含む線形システムの入力から制御対象30に対する指令値を算出可能なように入力変換部23及び線形化フィードバック部24を付加することである。入力変換部23及び線形化フィードバック部24が付加された制御対象30は、線形化システム28全体として見た場合に、出力を1階または複数階微分したものが入力となる関係となっているため、線形化システム28全体として線形化されたこととなる。 In this way, rigorous linearization refers to the command value is to add an input conversion unit 23 and a linearization feedback unit 24 so as to be able to calculate . Since the controlled object 30 to which the input conversion unit 23 and the linearization feedback unit 24 are added has a relationship where the input is the one or more orders of differentiation of the output when viewed as the whole linearization system 28. , the linearization system 28 as a whole is linearized.

なお、線形化フィードバック部24の構成、及び入力変換部23の構成は、上記に限らず適用できる。例えば、上記の例では、Fをフィードバック変換とし、1/Gを入力変換としたが、(5)式を変形して、図6に示すように、F/Gをフィードバック変換とし、1/Gを入力変換とすることとしてもよい。また、上記の例では、入出力間の厳密な線形化について説明したが、状態線形化についても同様に適用可能である。 The configuration of the linearization feedback unit 24 and the configuration of the input conversion unit 23 are not limited to those described above and can be applied. For example, in the above example, F is the feedback transform and 1/G is the input transform, but by modifying the equation (5), as shown in FIG. may be used as the input conversion. Also, in the above example, strict linearization between input and output was described, but state linearization is similarly applicable.

次に、上述の制御装置20の効果について図7-10を参照して説明する。なお、図7-10では、時刻T0において深度の目標値を変更した場合の特性を例として説明する。なお、図7-10において、厳密な線形化制御等を使用せず各制御パラメータが独立して制御される場合(例えば、図11)を参考例1としている。すなわち、参考例1では、深度の指令値及びピッチ角の指令値は互いに独立して決定される場合の例である。また、図7-10において、制御対象に対して厳密な線形化制御は適用し干渉抑制部25を用いない場合(例えば、図12)を参考例2としている。すなわち、参考例2では、干渉抑制部25によって入力の補正を行うことなく、単に制御対象30に対して厳密な線形化を適用した場合の例である。 Next, the effect of the control device 20 described above will be described with reference to FIGS. 7-10. Note that in FIGS. 7-10, the characteristics when the target depth value is changed at time T0 will be described as an example. 7 to 10, reference example 1 is the case where each control parameter is controlled independently without using strict linearization control or the like (for example, FIG. 11). That is, the reference example 1 is an example in which the depth command value and the pitch angle command value are determined independently of each other. 7 to 10, reference example 2 is the case where strict linearization control is applied to the controlled object and the interference suppression unit 25 is not used (for example, FIG. 12). That is, Reference Example 2 is an example in which strict linearization is simply applied to the controlled object 30 without correcting the input by the interference suppression unit 25 .

図7では、深度の目標値を変更した場合における深度の時間変化を示した図である。図8は、深度の目標値を変更した場合における深度用アクチュエータの時間変化を示した図である。図9は、深度の目標値を変更した場合におけるピッチ角の時間変化を示した図である。図10は、深度の目標値を変更した場合におけるピッチ角用アクチュエータの時間変化を示した図である。なお、図7-10において、参考例1の特性を点線L1で示しており、参考例2の特性を一点鎖線L2で示しており、本実施形態の特性を線L3(連続線)で示している。 FIG. 7 is a diagram showing changes in depth over time when the target depth value is changed. FIG. 8 is a diagram showing changes over time of the depth actuator when the target depth value is changed. FIG. 9 is a diagram showing changes over time in the pitch angle when the target depth value is changed. FIG. 10 is a diagram showing the change over time of the pitch angle actuator when the target depth value is changed. 7-10, the characteristics of Reference Example 1 are indicated by a dotted line L1, the characteristics of Reference Example 2 are indicated by a dashed-dotted line L2, and the characteristics of the present embodiment are indicated by a line L3 (continuous line). there is

参考例1(点線L1)では、図7のように、時刻T0において深度の目標値が変更されると、深度を目標値に一致させるために深度用アクチュエータに対する指令値が出力される(図8)。なお、指令値は閾値以上であるものとする。指令値が入力された深度用アクチュエータは、制限値(-100%)の最大能力で動作する。一方で、図9に示すように、深度の変化に伴ってピッチ角が変動するため、該変動を抑制するように、ピッチ角用アクチュエータが駆動される。参考例1では、各制御パラメータに対して独立に制御系が設計されており、各制御パラメータの指令値は互いに独立している。このため、深度の指令値は現在の深度に基づいて決定され、ピッチ角の指令値は現在のピッチ角に基づいて決定される。すなわち、参考例1において、ピッチ角の指令値は、深度の指令値の飽和に依存することなく決定されるため、図7に示すように、深度の目標値への応答性が良い。しかしながら、参考例1では、各制御パラメータに対して独立に制御系が設計されており、制御対象30が厳密に線形化されていないため、制御精度が低い。図9におけるピッチ角の時間変化を縦軸方向に拡大した図を図13に示す。また、図10におけるピッチ角用アクチュエータの時間変化を縦軸方向に拡大した図を図14に示す。図13、14に示されるように各アクチュエータが細かく変動し、消費電力の増加を招く可能性がある。 In Reference Example 1 (dotted line L1), as shown in FIG. 7, when the target depth value is changed at time T0, a command value for the depth actuator is output to match the depth with the target value (see FIG. 8 ). It is assumed that the command value is equal to or greater than the threshold. The depth actuator to which the command value is input operates at the maximum capacity of the limit value (-100%). On the other hand, as shown in FIG. 9, the pitch angle fluctuates as the depth changes, so the pitch angle actuator is driven so as to suppress the fluctuation. In Reference Example 1, the control system is designed independently for each control parameter, and the command values for each control parameter are independent of each other. Therefore, the depth command value is determined based on the current depth, and the pitch angle command value is determined based on the current pitch angle. That is, in Reference Example 1, the command value of the pitch angle is determined without depending on the saturation of the command value of the depth, so as shown in FIG. 7, the responsiveness to the target value of the depth is good. However, in Reference Example 1, the control system is designed independently for each control parameter, and the controlled object 30 is not strictly linearized, so the control accuracy is low. FIG. 13 shows an enlarged view along the vertical axis of the time change of the pitch angle in FIG. FIG. 14 is an enlarged view of the change over time of the pitch angle actuator in FIG. 10 along the vertical axis. As shown in FIGS. 13 and 14, each actuator may finely fluctuate, leading to an increase in power consumption.

参考例2(一点鎖線L2)では、図7のように、時刻T0において深度の目標値が変更されると、深度を目標値に一致させるために深度用アクチュエータに対する指令値が出力される(図8)。なお、指令値は閾値以上であるものとする。指令値が入力された深度用アクチュエータは、制限値(-100%)の最大能力で動作する。一方で、図10に示すように、参考例2では、ピッチ角の指令値が、深度用アクチュエータが閾値よりも大きな指令値に基づいて駆動しているものとして算出されるため、ピッチ角用アクチュエータが大きく駆動され、図9に示すようにピッチ角が大きく変動している。参考例2では、制御対象30の非線形特性が厳密な線形化手法により線形化されており、各制御パラメータの指令値は互いに干渉している。しかしながら、厳密な線形化手法では、制御対象30を精度高く線形化し、制御精度を向上させることができるものの、各制御パラメータの指令値の飽和を考慮することができないため、深度の大きな変更に伴って、ピッチ角が大きく制御されてしまう(過剰制御)ため、機首が上向きとなり深度が上昇する方向に力が作用してしまい、図7のように応答性(目標値まで到達するのに要する時間)が低下してしまう。 In Reference Example 2 (one-dot chain line L2), as shown in FIG. 7, when the target depth value is changed at time T0, a command value for the depth actuator is output to match the depth with the target value (see FIG. 7). 8). It is assumed that the command value is equal to or greater than the threshold. The depth actuator to which the command value is input operates at the maximum capacity of the limit value (-100%). On the other hand, as shown in FIG. 10, in Reference Example 2, the pitch angle command value is calculated assuming that the depth actuator is driven based on a command value larger than the threshold value. is largely driven, and the pitch angle fluctuates greatly as shown in FIG. In Reference Example 2, the nonlinear characteristics of the controlled object 30 are linearized by a strict linearization method, and the command values of the respective control parameters interfere with each other. However, in the strict linearization method, although the controlled object 30 can be linearized with high accuracy and the control accuracy can be improved, the saturation of the command value of each control parameter cannot be considered. As a result, the pitch angle is controlled to a large extent (excessive control), and the force acts in the direction in which the nose is turned upward and the depth increases. time) will decrease.

そこで、本実施形態(線L3)では、制御対象30を厳密な線形化手法により線形化すると共に、指令値の飽和を考慮して各制御パラメータの入力値を補正することとした(干渉抑制部25)。このため、本実施形態では、時刻T0において深度の目標値が変更されると、深度を目標値に一致させるために深度用アクチュエータに対する指令値が出力される(図8)。なお、指令値は閾値以上であるものとする。指令値が入力された深度用アクチュエータは、制限値(-100%)の最大能力で動作が行われる。一方で、図10に示すように、本実施形態では、深度の指令値の飽和が考慮されてピッチ角の指令値が算出されるため、ピッチ角用アクチュエータの駆動変動が抑えられ、図9に示すようにピッチ角の変動が抑制されている。本実施形態では、指令値の飽和を考慮して過剰制御を抑制しているため、図7に示すように、応答性が高い。また、厳密な線形化手法を適用し、各制御パラメータ間で互いに関連して制御されている(各制御パラメータが独立して制御されていない)ため、図13、14に示されるように各アクチュエータが細かく変動することを抑制し、消費電力の増加を抑制している。すなわち、本実施形態では、応答性を損なうことなく、各制御パラメータ間の干渉を抑制し、制御の安定化及び低消費電力化を達成することが可能となる。 Therefore, in the present embodiment (line L3), the controlled object 30 is linearized by a strict linearization method, and the input value of each control parameter is corrected in consideration of the saturation of the command value (interference suppression unit 25). Therefore, in the present embodiment, when the target depth value is changed at time T0, a command value is output to the depth actuator to match the depth with the target value (FIG. 8). It is assumed that the command value is equal to or greater than the threshold. The depth actuator to which the command value is input operates with the maximum capacity of the limit value (-100%). On the other hand, as shown in FIG. 10, in the present embodiment, the saturation of the depth command value is taken into consideration when calculating the pitch angle command value. As shown, variations in pitch angle are suppressed. In this embodiment, since excessive control is suppressed in consideration of saturation of the command value, responsiveness is high as shown in FIG. In addition, since a strict linearization method is applied and each control parameter is controlled in relation to each other (each control parameter is not independently controlled), each actuator This suppresses fine fluctuations in the power consumption, thereby suppressing an increase in power consumption. That is, in the present embodiment, it is possible to suppress interference between control parameters and achieve stable control and low power consumption without impairing responsiveness.

以上説明したように、本実施形態に係る制御装置20、及びその制御方法並びに制御プログラム、構造体によれば、各制御パラメータに対応した指令値が互いに干渉する場合であっても、指令値と閾値との偏差に基づいて、指令値を算出するための入力値を補正するため、例えば指令値が入力されるアクチュエータ等の駆動量の飽和(制限値)を考慮して、各制御パラメータ間の干渉を抑制することが可能となる。 As described above, according to the control device 20, its control method, control program, and structure according to the present embodiment, even if the command values corresponding to the respective control parameters interfere with each other, the command value and the In order to correct the input value for calculating the command value based on the deviation from the threshold, for example, considering the saturation (limit value) of the drive amount of the actuator etc. to which the command value is input, between each control parameter Interference can be suppressed.

例えば、制御パラメータを深度とピッチ角とした場合、深度の指令値が所定の閾値以上であると、深度の指令値は、入力先のアクチュエータ等の対象機器の制限値を超えていることがある。このような場合、対象機器は制限値以上で駆動できず、深度の指令値が完全に反映されない。しかしながら、深度の指令値と干渉があるピッチ角の指令値は、該対象機器の制限値を考慮できないため、深度の指令値で該対象機器が駆動しているものとして指令値が算出される。このため、ピッチ角の指令値が不適切なもの(過剰制御)となる可能性がある。 For example, if the control parameters are depth and pitch angle, and the depth command value is greater than or equal to a predetermined threshold value, the depth command value may exceed the limit value of the target device such as the input actuator. . In such a case, the target device cannot be driven above the limit value, and the depth command value is not fully reflected. However, since the pitch angle command value that interferes with the depth command value cannot consider the limit value of the target device, the command value is calculated assuming that the target device is driven by the depth command value. Therefore, there is a possibility that the pitch angle command value will be inappropriate (excessive control).

そこで、指令値が所定の閾値以上である場合に、指令値と閾値との偏差に基づいて、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値を補正することとした。このため、例えば、対象機器の制限値といった指令値の閾値を考慮して、各制御パラメータの指令値を修正することが可能となる。 Therefore, when the command value is equal to or greater than a predetermined threshold value, the input value corresponding to the control parameter other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold value is corrected based on the deviation between the command value and the threshold value. did. Therefore, for example, it is possible to modify the command value of each control parameter in consideration of the threshold value of the command value, such as the limit value of the target device.

また、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータ以外の制御パラメータに対応する入力値を補正することとしたため、閾値以上である指令値に対応した制御パラメータを最大能力で制御しつつ、干渉を受ける他の制御パラメータの指令値を補正することができる。 In addition, since the input value corresponding to the control parameter other than the control parameter corresponding to the command value that is equal to or higher than the threshold is corrected, the control parameter corresponding to the command value that is equal to or higher than the threshold is controlled at the maximum capacity while preventing interference. Command values of other received control parameters can be corrected.

すなわち、各制御パラメータの指令値間に干渉がある場合であっても、応答性を落とさずに、干渉による過剰制御を抑制し、安定性の向上及び消費電力の抑制が可能となる。 That is, even if there is interference between the command values of the control parameters, it is possible to suppress excessive control due to interference without deteriorating responsiveness, thereby improving stability and suppressing power consumption.

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention.

例えば、制御対象を水中航走体とし、制御パラメータを深度、ピッチ角、方位角、ロール角とする場合を例示して説明したが、制御対象は構造体であれば幅広く適用できるものであって、適用した構造体によって制御パラメータは適宜設定される。 For example, the control object is an underwater vehicle, and the control parameters are depth, pitch angle, azimuth angle, and roll angle. , the control parameters are appropriately set by the applied structure.

1 :水中航走体
20 :制御装置
21 :深度フィードバック制御部
22 :ピッチ角フィードバック制御部
23 :入力変換部
24 :線形化フィードバック部
25 :干渉抑制部
26 :入力補正部
27 :偏差算出部
28 :線形化システム
30 :制御対象
1: underwater vehicle 20: control device 21: depth feedback control unit 22: pitch angle feedback control unit 23: input conversion unit 24: linearization feedback unit 25: interference suppression unit 26: input correction unit 27: deviation calculation unit 28 : Linearization system 30 : Control object

Claims (8)

複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の入力値に基づいて前記複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の指令値を算出して制御対象へ出力する変換部と、
前記複数の指令値のうちの所定の指令値が所定の閾値以上である場合に、前記所定の指令値と前記閾値との偏差を算出する偏差算出部と、
前記閾値以上である前記所定の指令値に対応した前記制御パラメータに対して干渉性を有する他の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つを、前記偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する入力補正部と、
を備える制御装置。
a conversion unit that calculates a plurality of command values corresponding to each of the plurality of control parameters based on a plurality of input values corresponding to each of the plurality of control parameters, and outputs the command values to a controlled object;
a deviation calculation unit that calculates a deviation between the predetermined command value and the threshold when a predetermined command value among the plurality of command values is equal to or greater than a predetermined threshold;
At least one of the input values corresponding to the other control parameters having interference with the control parameter corresponding to the predetermined command value that is equal to or greater than the threshold is a correction value calculated using the deviation. an input correction unit that corrects using
A control device comprising:
前記制御対象の非線形特性を厳密に線形化するための線形化フィードバック部を備えており、
前記変換部は、前記制御対象の入力側において、前記非線形特性の厳密な線形化のための入力値変換を行う請求項1に記載の制御装置。
A linearization feedback unit for strictly linearizing the nonlinear characteristics of the controlled object,
2. The control device according to claim 1, wherein the conversion unit performs input value conversion for strict linearization of the nonlinear characteristics on the input side of the controlled object.
前記入力補正部は、前記閾値以上である前記指令値に対応した前記制御パラメータ以外の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つに対して、前記補正値を減算する請求項1または2に記載の制御装置。 3. The input correction unit subtracts the correction value from at least one of the input values corresponding to the control parameters other than the control parameter corresponding to the command value equal to or greater than the threshold. The control device according to . 前記入力補正部は、前記変換部の入出力特性の逆特性を有しており、前記逆特性を用いて前記偏差に基づく前記補正値を算出する請求項1から3のいずれか1項に記載の制御装置。 4. The input correction unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the input correction unit has an inverse characteristic of the input/output characteristic of the conversion unit, and calculates the correction value based on the deviation using the inverse characteristic. controller. 前記閾値は、前記指令値が入力される前記制御対象の対象機器の最大定格値に基づいて設定される請求項1からのいずれか1項に記載の制御装置。 The control device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the threshold value is set based on a maximum rated value of the target device to be controlled to which the command value is input. 請求項1からのいずれか1項に記載の制御装置を備えた構造体。 A structure comprising a control device according to any one of claims 1 to 5 . 複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の入力値に基づいて前記複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の指令値を算出して制御対象へ出力する変換工程と、
前記複数の指令値のうちの所定の指令値が所定の閾値以上である場合に、前記所定の指令値と前記閾値との偏差を算出する偏差算出工程と、
前記閾値以上である前記所定の指令値に対応した前記制御パラメータに対して干渉性を有する他の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つを、前記偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する入力補正工程と、
を含む制御方法。
a conversion step of calculating a plurality of command values corresponding to each of the plurality of control parameters based on a plurality of input values corresponding to each of the plurality of control parameters and outputting them to a controlled object;
a deviation calculation step of calculating a deviation between the predetermined command value and the threshold when a predetermined command value among the plurality of command values is equal to or greater than a predetermined threshold;
At least one of the input values corresponding to the other control parameters having interference with the control parameter corresponding to the predetermined command value that is equal to or greater than the threshold is a correction value calculated using the deviation. an input correction step of correcting using
Control method including.
複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の入力値に基づいて前記複数の制御パラメータのそれぞれに対応した複数の指令値を算出して制御対象へ出力する変換処理と、
前記複数の指令値のうちの所定の指令値が所定の閾値以上である場合に、前記所定の指令値と前記閾値との偏差を算出する偏差算出処理と、
前記閾値以上である前記所定の指令値に対応した前記制御パラメータに対して干渉性を有する他の前記制御パラメータに対応する前記入力値の少なくとも1つを、前記偏差を用いて算出した補正値を用いて補正する入力補正処理と、
をコンピュータに実行させるための制御プログラム。
a conversion process of calculating a plurality of command values corresponding to each of the plurality of control parameters based on a plurality of input values corresponding to each of the plurality of control parameters and outputting them to a controlled object;
a deviation calculation process for calculating a deviation between the predetermined command value and the threshold when a predetermined command value among the plurality of command values is equal to or greater than a predetermined threshold;
At least one of the input values corresponding to the other control parameters having interference with the control parameter corresponding to the predetermined command value that is equal to or greater than the threshold is a correction value calculated using the deviation. Input correction processing to correct using
A control program that causes a computer to execute
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