JP7177117B2 - 船体位置保持装置 - Google Patents
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Description
まず、本実施形態に係る船体位置保持装置を含むシステムについて説明する。図1は、船体位置保持装置と制御対象とを含むシステム全体のブロック図である。図2は、フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。図3は、船体位置保持装置の動作を示す図である。
船体モデルについて説明する。図4は、船体モデルを示す図である。
推進機モデルについて説明する。
外乱モデルについて説明する。図6は、船体速度と潮流成分とを示す図である。
・uc,vcは図6に示すように対地速度成分であり、船体を移動させて航路誤差を発生させる。
・rmomは風力などがyaw周りに作用してモーメントを発生させ、それを角速度換算したものであり、方位誤差を発生させる。
・波浪成分は白色ノイズが入力された狭帯域フィルタの出力である。xw,ywはそれぞれsurge,sway方向の船体位置に換算し,ψwはyaw軸まわりの方位に換算したものである。波浪成分はいずれも検出信号に混入して無効信号を発生させる。
制御システムについて説明する。図7は、連成要素の干渉化を示す図である。
連成モデルを次式とする。
状態フィードバックを
(3.2.1 分割化された制御対象)
surgeモデル、swayモデル、yawモデルは同じ構成に分割化され、
yawモデルの閉ループ制御系について示す。制御対象は船体モデルと外乱モデルから
フィードバックゲインは(44)式に示す拡張化したものを定める。状態フィードバックを
F(太字)uを設定する。(49)式の特性多項式は
F(太字)rを設定する。surgeモデルの場合を参照する。(49)式の特性多項式は
F(太字)vを設定する。swayモデルの場合を参照すると、f13は
フィードバックゲインをそれぞれの推定器の状態量に対応させるため、拡張すると、
状態推定器(推定器)を設定するために必要な推定ゲインを求める。推定器はyawモデルの場合を(44)式に示す。なお、surgeモデル、swayモデルの場合も同様であるため説明を省略する。なお、推定ゲインの導出については後述する。
(4.1 参照信号生成部)
参照信号生成部の構成について説明する。図11は、参照信号生成部の構成を示すブロック図である。図12は、surge参照信号を示す図である。図13は、参照信号のシーケンスを示す図である。
参照信号はsurge方向、sway方向、yaw周りのものが生成される。ここでは、代表してsurge方向の参照信号xRの場合について説明する。なお、簡単化のため、xRの初期値はゼロとする。その動作条件は経路順序が終了するまで保持され、
参照信号の時間について説明する。surge方向の参照信号xRの場合を以下に示す。xRはランプ入力後に一定入力を経過した出力になる。xRの時間txは図に示すように、ランプ時間trと一定時間tcとの合計tx=tr+trになる。
ランプ入力の時間trは、その入力が目標値xIに達するまでの時間になるから、
一定状態は、時刻trのランプ状態に一定入力を与えた場合である。そのときの参照信号xr s(t)の時間応答は
(5.推定ゲインの導出)
補足として、推定ゲインの導出について説明する。
状態推定器(推定器)は、(44)式の制御対象の状態量を推定する。推定した状態量はフィードバックゲインF(太字)ψを乗じて、制御量θrになる。推定ゲインは推定器の特性多項式を仕様のものに一致させることによって求める。特性多項式はその行列式に相当し、
推定ゲインを導出する。推定器の特性多項式は(69)式の右辺を展開すると
本提案法をシミュレーションによって検証し、その有効性を確認する。
シミュレーションの条件について説明する。
フィードバック制御部により外乱が補償されていることを確認する。図14~図17は、それぞれ、シミュレーション結果における船体位置、方位及びこれらの誤差、船体位置航跡、制御量、推進機出力を示す図である。なお、図14~図17においては、フィードバック制御部による効果を示すため、時間的に重複して参照信号が入力されている。
タイミングをずらした参照信号の生成が推進機の飽和対策と船体移動に有効であることを確認する。図18~図21は、それぞれ、シミュレーション結果における船体位置、方位及びこれらの誤差、船体位置航跡、制御量、推進機出力を示す図である。
3 船体
4 推進駆動装置
5 センサ類
11 参照信号生成部
13 フィードバック制御部
Claims (7)
- surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船体位置保持装置であって、
surge方向の参照位置と時刻とが対応付けられた時系列信号を第1参照信号として生成するsurge信号生成部と、
sway方向の参照位置と時刻とが対応付けられた時系列信号を第2参照信号として生成するsway信号生成部と、
参照方位と時刻とが対応付けられた時系列信号を第3参照信号として生成するyaw信号生成部と、
前記surge信号生成部により生成された前記第1参照信号にsurge方向の船体位置を追従させるsurge制御部と、
前記sway信号生成部により生成された前記第2参照信号にsway方向の船体位置を追従させるsway制御部と、
前記yaw信号生成部により生成された前記第3参照信号に船首方位を追従させるyaw制御部と
を備える船体位置保持装置。 - 前記surge制御部は、前記船舶の船体モデルにおけるsurgeモデルに基づく状態フィードバック制御を行い、
前記sway制御部は、前記船体モデルにおけるswayモデルに基づく状態フィードバック制御を行い、
前記yaw制御部は、前記船体モデルにおけるyawモデルに基づく状態フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の船体位置保持装置。 - 前記船体モデルは、前記surgeモデルと、swayとyawとの連成モデルとにより構成され、
前記swayモデル及び前記yawモデルは、swayとyawとの連成モデルを非干渉化することにより分割されたモデルであることを特徴とする請求項2に記載の船体位置保持装置。 - 前記surge信号生成部、前記sway信号生成部、前記yaw信号生成部に対して互いに異なる時間帯に前記第1参照信号、前記第2参照信号、及び前記第3参照信号を生成させる生成制御部を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の船体位置保持装置。
- 前記第1参照信号、前記第2参照信号、及び前記第3参照信号は、目標位置における船首方位、surge方向の船体位置、sway方向の船体位置である目標値に漸近するランプ信号と該ランプ信号直後の一定信号とを含む誘導信号に基づいて生成されることを特徴とする請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の船体位置保持装置。
- 前記第1参照信号、前記第2参照信号、及び前記第3参照信号は、前記誘導信号をローパスフィルタに通過させて生成されることを特徴とする請求項5に記載の船体位置保持装置。
- 前記第1参照信号、前記第2参照信号、及び前記第3参照信号は、surge方向の船体位置と前記目標値との差が所定の閾値以下である場合に前記誘導信号に基づいて生成されることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の船体位置保持装置。
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