JPH09226689A - Automatic steering device for ship - Google Patents

Automatic steering device for ship

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JPH09226689A
JPH09226689A JP3679696A JP3679696A JPH09226689A JP H09226689 A JPH09226689 A JP H09226689A JP 3679696 A JP3679696 A JP 3679696A JP 3679696 A JP3679696 A JP 3679696A JP H09226689 A JPH09226689 A JP H09226689A
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JP
Japan
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automatic steering
control
generalized
controller
steering device
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Application number
JP3679696A
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Japanese (ja)
Inventor
Fuyuki Hane
冬希 羽根
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Tokimec Inc
Original Assignee
Tokimec Inc
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure stable control of an automatic steering system by combining a general control object with uncertainty with an auto-pilot reach a H ∞ control problem so that a H ∞ norm for transmitting property from a disturbance to an estimation amount is not more than a specification. SOLUTION: When a set course ≃c is input, a deviation between the set cource ≃c and a stem azimuth ϕ is found by the first adder 11 and an instructed steering angle Uc is output from an auto-pilot 12 in accordance with the deviation and supplied to the second adder 13. The adder 13 subtracts a disturbance (d) converted into an angle from the instructed steering angle Uc and outputs the result to a control object 14. The third adder 15 subtracts a disturbance dv detected by a stem azimuth detector from an output signal ϕ0 from the control object 14 to produce a stem azimuth ϕ. That is, a general control object containing a hull and an azimuth detector is combined with the auto-pilot to reach a H ∞control problem so that a H ∞ norm for transmitting property from a disturbance to an estimation amount is not more than a specification.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は船舶用自動操舵装置
の制御系に関し、より詳細には、H∞制御理論に基づい
た制御系に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control system for an automatic steering system for ships, and more particularly to a control system based on the H∞ control theory.

【0002】[0002]

【従来の技術】図6に従来の船舶用自動操舵装置の制御
系のブロック図を示す。斯かる制御系を以下に単に自動
操舵系と称する。自動操舵系は自動操舵装置即ちオート
パイロット120と操舵機16と船体14−1と船首方
位検出器14−2とを含む。
2. Description of the Related Art FIG. 6 shows a block diagram of a control system of a conventional marine vessel automatic steering system. Hereinafter, such a control system will be simply referred to as an automatic steering system. The automatic steering system includes an automatic steering device, that is, an autopilot 120, a steering device 16, a hull 14-1, and a heading detector 14-2.

【0003】自動操舵装置は設定針路φC 及び船首方位
φを入力し、命令舵角UC を出力する。この命令舵角U
C は操舵機16に供給される。操舵機16は命令舵角U
C を入力して舵角Uを出力する。操舵機16は舵角Uを
命令舵角UC に迅速に追従させるためのサーボ機構を有
し、1次遅れ要素に相当する。
The automatic steering device inputs a set course φ C and a heading φ, and outputs a command rudder angle U C. This command steering angle U
C is supplied to the steering gear 16. The steering gear 16 has a command steering angle U
Input C and output steering angle U. The steering gear 16 has a servo mechanism for causing the rudder angle U to quickly follow the command rudder angle U C , and corresponds to a first-order lag element.

【0004】船体14−1には風、波浪等の外乱dが作
用する。加算器13は操舵機16の出力信号である舵角
Uに角度換算した外乱dを加算する。船体14−1は船
舶の方位軸周りに回転する運動系であると考えることが
できる。船体14−1は加算器13の出力信号U+dを
入力して船首方位の角速度dφ/dtを出力する。
A disturbance d such as wind and waves acts on the hull 14-1. The adder 13 adds the disturbance d converted into an angle to the steering angle U which is the output signal of the steering device 16. The hull 14-1 can be considered as a motion system that rotates around the azimuth axis of the ship. The hull 14-1 inputs the output signal U + d of the adder 13 and outputs the angular velocity dφ / dt in the bow direction.

【0005】船首方位検出器14−2は船首方位の角速
度dφ/dtより船首方位φを演算する。船首方位検出
器14−2はジャイロコンパス、磁気コンパス等を含む
ものであってよい。斯かる船首方位φはオートパイロッ
ト120にフィードバックされる。こうして安定な閉ル
ープが構成され、船首方位φは設定針路φC に追従す
る。
The heading detector 14-2 calculates the heading φ from the angular velocity dφ / dt of the heading. The heading detector 14-2 may include a gyro compass, a magnetic compass, or the like. Such a heading φ is fed back to the autopilot 120. In this way, a stable closed loop is formed, and the heading φ follows the set course φ C.

【0006】自動操舵装置即ちオートパイロット120
の構成及び動作を説明する。オートパイロット120は
2つの加算器120−1、120−4、比例ゲインKP
及び微分ゲインTD をそれぞれ有する2つの係数器12
0−2、120−3及びカルマンフィルタ120−5を
有する。
Automatic steering device or autopilot 120
The configuration and operation of will be described. The autopilot 120 has two adders 120-1, 120-4 and a proportional gain K P.
And two coefficient multipliers 12 each having a differential gain T D
It has 0-2, 120-3 and a Kalman filter 120-5.

【0007】第1の加算器120−1はカルマンフィル
タ120−5より出力された船首方位の推定値φE と設
定方位φC の偏差ERR=φC −φE を演算する。オー
トパイロット120の機能はこの偏差ERRをゼロにす
ることである。
The first adder 120-1 calculates the deviation ERR = φ C −φ E between the estimated value φ E of the bow direction output from the Kalman filter 120-5 and the set direction φ C. The function of autopilot 120 is to reduce this deviation ERR to zero.

【0008】第1の加算器120−1から出力された偏
差ERRは比例ゲインKP の係数器120−2を経由し
て第2の加算器120−4に供給される。カルマンフィ
ルタ120−5より出力された旋回角速度dφ/dtの
推定値(dφ/dt)E は微分ゲインTD の係数器12
0−3を経由して第2の加算器120−4に供給され
る。第2の加算器120−4は2つの出力信号を加算し
て命令舵角UC を演算する。命令舵角UC は操舵機16
及びカルマンフィルタ120−5に供給される。
The deviation ERR output from the first adder 120-1 is supplied to the second adder 120-4 via the coefficient unit 120-2 of the proportional gain K P. The estimated value (dφ / dt) E of the turning angular velocity dφ / dt output from the Kalman filter 120-5 is the coefficient unit 12 of the differential gain T D.
It is supplied to the second adder 120-4 via 0-3. The second adder 120-4 adds the two output signals to calculate the command steering angle U C. Commanded steering angle U C is steering gear 16
And the Kalman filter 120-5.

【0009】カルマンフィルタ120−5は船首方位φ
と命令舵角UC を入力して、船首方位φの推定値φE
旋回角速度の推定値(dφ/dt)E を演算する。
The Kalman filter 120-5 has a heading φ
And the command steering angle U C are input to calculate an estimated value φ E of the heading φ and an estimated value (dφ / dt) E of the turning angular velocity.

【0010】カルマンフィルタ120−5は制御対象
(ここでは船体14−1と船首方位検出器14−2から
なる。)のモデルを有し、また状態量として船首方位の
推定値φE 及び旋回角速度の推定値(dφ/dt)E
有する。カルマンフィルタ120−5は船首方位の推定
値φE が船首方位φに一致するようなフィードバック機
構を有し、船首方位φに含まれるノイズ成分を除去した
値として船首方位の推定値φE を演算して出力する。更
に、直接的に求めることができない旋回角速度dφ/d
tとして、状態量である旋回角速度の推定値(dφ/d
t)E を演算して出力する。カルマンフィルタ120−
5に命令舵角UC が入力されているのは、制御対象のモ
デルに適合させるためである。
The Kalman filter 120-5 has a model of an object to be controlled (here, it is composed of a hull 14-1 and a heading detector 14-2), and the estimated value φ E of the heading and a turning angular velocity are included as state quantities. It has an estimated value (dφ / dt) E. The Kalman filter 120-5 has a feedback mechanism such that the estimated heading φ E matches the heading φ, and calculates the estimated heading φ E as a value from which noise components included in the heading φ have been removed. Output. Furthermore, the turning angular velocity dφ / d that cannot be directly obtained
As t, an estimated value (dφ / d) of the turning angular velocity which is the state quantity
t) E is calculated and output. Kalman filter 120-
The reason why the command steering angle U C is input to 5 is to match the model of the controlled object.

【0011】ノイズ成分の除去特性は、カルマンフィル
タ定数によって定められる。カルマンフィルタ120−
5の具体的説明及びカルマンフィルタ定数の求め方は制
御工学の分野にて周知であるため詳細な説明は省略す
る。
The noise component removal characteristic is determined by the Kalman filter constant. Kalman filter 120-
Since the detailed description of No. 5 and the method of obtaining the Kalman filter constant are well known in the field of control engineering, detailed description will be omitted.

【0012】次に自動操舵装置120の制御ゲインであ
る比例ゲインKP 及び微分ゲインT D について説明す
る。一般に制御ゲインは次のような評価関数JAPを最小
化する最適制御則に基づいて計算される。
Next, the control gain of the automatic steering device 120 is
Proportional gain KPAnd differential gain T DExplain about
You. Generally, the control gain is the following evaluation function JAPThe minimum
It is calculated based on the optimal control law.

【0013】[0013]

【数1】JAP=∫0 (φ2 +λUc 2 )dt[Equation 1] J AP = ∫ 02 + λU c 2 ) dt

【0014】ここで、∫0 は時間tに関する0から∞ま
での積分、φは船首方位、UC は命令舵角、λは重みで
ある。
Here, ∫ 0 is the integral from 0 to ∞ with respect to time t, φ is the heading of the boat, U C is the command steering angle, and λ is the weight.

【0015】評価関数JAPは、船首方位φと命令舵角U
C の釣り合いを設定することができるから、自動操舵系
の経済面の評価にも利用することができる。この数1の
式を解くことによって比例ゲインKP 及び微分ゲインT
D を求めることができる。この解法は例えば以下の文献
(1)に示されている。
The evaluation function J AP is calculated from the heading φ and the command rudder angle U
Since the balance of C can be set, it can also be used for economic evaluation of automatic steering systems. The proportional gain K P and the differential gain T can be obtained by solving the equation (1).
You can ask for D. This solution is shown in the following document (1), for example.

【0016】自動操舵装置即ちオートパイロット120
は一般に、変針モードと保針モードとによって作動され
る。変針モードは、前の設定状態と異なる設定針路φC
が入力される変針時に対応し、保針モードは、前の設定
状態を保持し続ける保針時に対応する。
Automatic steering device or autopilot 120
Are generally operated in a needle change mode and a needle hold mode. The needle change mode is different from the previous setting, and the set course φ C
Corresponds to the time when the needle is changed, and the needle keeping mode corresponds to the time when the needle is kept to keep the previous setting state.

【0017】変針モードでは応答性を良くするためにオ
ートパイロット120に積分動作が含まれない。一方、
保針モードでは、外乱dに含まれるバイアス成分に起因
した船首方位φの誤差を除去するために積分動作が含ま
れる。上述の図6を参照して説明したオートパイロット
120は変針モード用のものである。
In the variable needle mode, the autopilot 120 does not include an integral operation in order to improve the responsiveness. on the other hand,
In the needle keeping mode, an integration operation is included in order to remove an error in the bow direction φ caused by the bias component included in the disturbance d. The autopilot 120 described with reference to FIG. 6 above is for the needle changing mode.

【0018】図7を参照して保針モード用の自動操舵装
置即ちオートパイロット120’の構成及び動作を説明
する。本例のオートパイロット120’は、図6に示し
た変針モード用のオートパイロット120と比較して、
積分時定数TI を有する積分器120−6が付加されて
いる点が異なり、それ以外は同様な構成である。
The construction and operation of the automatic steering device for the needle keeping mode, that is, the autopilot 120 'will be described with reference to FIG. Compared with the autopilot 120 for the needle changing mode shown in FIG.
The configuration is similar except that an integrator 120-6 having an integration time constant T I is added.

【0019】第1の加算器120−1より出力された偏
差ERRは積分器120−6を経由して第2の加算器1
20−4に供給される。積分器120−6の出力信号は
外乱dに含まれるバイアス成分に対応する。従って第2
の加算器120−4より出力される命令舵角UC には、
外乱dに含まれるバイアス成分を打ち消す成分が含まれ
るので、船首方位φは設定方位φC に定常的に一致す
る。
The deviation ERR output from the first adder 120-1 is passed through the integrator 120-6 to the second adder 1
20-4. The output signal of the integrator 120-6 corresponds to the bias component included in the disturbance d. Therefore the second
The command steering angle U C output from the adder 120-4 of
Since the component that cancels the bias component included in the disturbance d is included, the bow direction φ consistently matches the set direction φ C.

【0020】図6及び図7を参照して説明したオートパ
イロット120、120’は対象船を考慮して設計され
るが、実際の船舶の特性が設計時の特性と異なったり、
積み荷による影響等のために特性が変化することがあ
り、実際の船舶では設計性能を発揮することができない
場合がある。
Although the autopilots 120 and 120 'described with reference to FIGS. 6 and 7 are designed in consideration of the target ship, the characteristics of the actual ship may differ from those at the time of designing.
The characteristics may change due to the influence of cargo, etc., and the actual ship may not be able to exhibit the designed performance.

【0021】図8に従来のオートパイロットの変針応答
特性を示す。縦軸は(方位角)変針量、横軸は時間であ
る。保針時の設定針路φC をゼロとし、変針開始時点t
=0にてオートパイロットにステップ状の設定針路路φ
C が入力され、命令舵角UCが出力されたものとする。
この命令舵角UC は操縦機16に供給されそれによって
船体14−1の船首方位φは変化する。
FIG. 8 shows a needle change response characteristic of a conventional autopilot. The vertical axis represents the (azimuth angle) needle change amount, and the horizontal axis represents time. The set course φ C at the time of keeping the needle is set to zero, and the time point t
= 0, auto-pilot stepwise set course φ
It is assumed that C is input and the command steering angle U C is output.
This command rudder angle U C is supplied to the control unit 16 and the heading φ of the hull 14-1 changes accordingly.

【0022】直線125は設定針路φC を表し、実線の
曲線126は設計上のの応答特性を示し、破線127、
点線128及び一点鎖線129は実際の応答特性を表
す。曲線126と曲線127、128、129とを比較
すると明らかなように、実際の応答特性は設計上の応答
特性とかなり異なることがわかる。
The straight line 125 represents the set course φ C , the solid curve 126 represents the designed response characteristics, and the broken line 127,
A dotted line 128 and a chain line 129 represent actual response characteristics. As is clear from comparison between the curve 126 and the curves 127, 128, and 129, it can be seen that the actual response characteristic is considerably different from the designed response characteristic.

【0023】このような場合、操船者は上記の制御ゲイ
ンTI 、KP 、TD とカルマンフィルタ定数を現実の船
舶の特性に適合するように調節している。この調節作業
は保針時でも可能だが、保針時では変針時に比べて船首
方位φの変化量が少ないため主として変針時に行う。こ
の調節作業は時間と手数がかかり、且つ熟練を要する。
In such a case, the operator adjusts the above-mentioned control gains T I , K P and T D and the Kalman filter constant so as to match the actual characteristics of the ship. This adjustment work is possible even when the needle is held, but it is mainly performed when the needle is changed because the amount of change in the bow direction φ is smaller when the needle is held than when the needle is changed. This adjustment work is time consuming, troublesome, and requires skill.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】従来のオートパイロッ
ト120、120’は、次のような課題を有する。 (1)制御対象である船舶の特性を考慮する場合、特性
の変化を設計仕様に明確に組み込んでいない。
The conventional autopilots 120 and 120 'have the following problems. (1) When considering the characteristics of the ship to be controlled, changes in the characteristics are not explicitly incorporated in the design specifications.

【0025】(2)制御ゲイン及びカルマンフィルタ定
数を設定するとき、制御対象の特性変化、即ち、パラメ
ータの変化を陽に取り込むことができない。
(2) When setting the control gain and the Kalman filter constant, the characteristic change of the controlled object, that is, the parameter change cannot be explicitly taken in.

【0026】(3)制御ゲイン及びカルマンフィルタ定
数を独立的に設定するため、オートパイロットの性能を
明確に把握することができない。
(3) Since the control gain and the Kalman filter constant are set independently, the performance of the autopilot cannot be clearly understood.

【0027】本発明はこれらの点に鑑み、船舶の特性の
変化を考慮し且つ外乱に対する性能を明確にしたオート
パイロットを提供することを目的とする。
In view of these points, it is an object of the present invention to provide an autopilot that considers changes in the characteristics of a ship and has a clear performance against disturbance.

【0028】本発明はこれらの点に鑑み、自動操舵装置
の課題をH∞制御問題に帰着させることによって解決す
ることを目的とする。
In view of these points, the present invention has an object to solve the problem of the automatic steering device by reducing it to the H ∞ control problem.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】本発明によると、設定針
路に対する船首方位の偏差を指示する信号を入力して命
令舵角を出力する自動操舵装置によって閉ループ制御す
るように構成された船舶用自動操舵装置において、上記
命令舵角を入力とし上記船首方位を出力とし船体と方位
検出器からなる制御対象を不確かさを有する一般化制御
対象として取扱い、上記一般化制御対象と上記自動操舵
装置とを組み合わせてH∞制御問題に帰着させ、上記一
般化制御対象の外乱から評価量までの伝達特性のH∞制
御ノルムを仕様以下にし、上記不確かさを有する一般化
制御対象を定数εを用いてスケール化した一般化制御対
象に変換してH∞制御問題に帰着させたことを特徴とす
る。
According to the present invention, an automatic marine vessel configured to be closed-loop controlled by an automatic steering device which inputs a signal indicating a deviation of a bow direction with respect to a set course and outputs a commanded steering angle. In the steering device, the commanded steering angle is input, the heading is output, and the control target consisting of the hull and the azimuth detector is treated as a generalized control target with uncertainty, and the generalized control target and the automatic steering device are handled. Combined to reduce to the H ∞ control problem, the H ∞ control norm of the transfer characteristic from the disturbance of the generalized control target to the evaluation amount is set to be less than the specification, and the generalized control target having the above uncertainty is scaled using a constant ε. It is characterized in that it is converted into a generalized controlled object and reduced to an H∞ control problem.

【0030】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記スケール化した一般化制御対象において、上
記定数εは外乱から評価量までの上記H∞制御ノルムの
伝達特性を最小化するための最適設定値を有することを
特徴とする。
According to the present invention, in the automatic steering system for a ship, the constant ε is an optimum value for minimizing the transfer characteristic of the H∞ control norm from the disturbance to the evaluation amount in the scaled generalized controlled object. It is characterized by having a set value.

【0031】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記自動操舵装置は積分特性を有する保針用制御
器と積分特性を有さないでフィードフォワード制御器を
併設する変針用制御器とを有することを特徴とする。
According to the present invention, in the automatic steering system for a ship, the automatic steering system comprises a needle holding controller having an integral characteristic and a needle changing controller provided with a feedforward controller without the integral characteristic. It is characterized by having.

【0032】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記変針用制御器は上記制御対象と上記フィード
フォワード制御器を組み合わせた一般化制御対象を用い
ることを特徴とする。
According to the present invention, in the automatic steering device for a ship, the controller for changing needle uses a generalized control target in which the control target and the feedforward controller are combined.

【0033】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記保針用制御器は上記制御対象と重み関数及び
積分特性を組み合わせた一般化制御対象を用いることを
特徴とする。
According to the present invention, in the automatic steering system for a ship, the above-mentioned needle keeping controller uses a generalized controlled object which is a combination of the above-mentioned controlled object and a weighting function and integral characteristic.

【0034】尚、以下の文献が参考になろう。詳細は斯
かる文献を参照されたい。 (1)「第3回操縦性シンポジウム」テキスト、日本造
船学会試験水槽委員会、243/279(1982年) (2)「SIC夏期セミナー’92 −新しい制御理論
に基づく自動操舵系設計法−」テキスト、(社)計測自
動制御学会、59/60、1992年、 (3)“構造的と非構造的不確かさを同時にもつシステ
ムの2次安定化補償器の一構成法”、申鉄龍、田村捷
利、計測自動制御学会論文集、vol.29、No.1
0、1171/1175(1993年)
The following documents will be helpful. For details, refer to such a document. (1) "3rd Maneuverability Symposium" textbook, Japan Society for Shipbuilding Test Tank Committee, 243/279 (1982) (2) "SIC Summer Seminar '92 -Automatic steering system design method based on new control theory-" Textbook, Japan Society of Instrument and Control Engineers, 59/60, 1992, (3) "A method of constructing a secondary stabilization compensator for systems with both structural and unstructural uncertainties", Ryu Shintetsu, Koshi Tamura , Institute of Instrument and Control Engineers, vol. 29, no. 1
0, 1171/1175 (1993)

【0035】また、自動操舵系の課題をH∞制御問題に
帰着させて解決した例として本願出願人と同一の出願人
によって平成6年7月29日に出願された特願平6−1
78652号に開示されたものがある。詳細は同出願を
参照されたい。
Further, as an example in which the problem of the automatic steering system is reduced to the H∞ control problem and solved, Japanese Patent Application No. 6-1 filed on July 29, 1994 by the same applicant as the present applicant.
No. 78652 is disclosed. See the same application for details.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下に図1〜図5を参照して本発
明の実施例について説明する。尚図1〜図5において図
6〜図7の対応する部分には同一の参照符号を付してそ
の詳細な説明は省略する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 5, corresponding parts in FIGS. 6 to 7 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0037】図1は本発明による船舶用自動操舵装置の
制御系即ち自動操舵系のブロック図である。本例の自動
操舵系は第1の加算器11と自動操舵装置即ちオートパ
イロット12と第2の加算器13と制御対象14と第3
の加算器15とを含む。制御対象14は図6に示した船
体14−1と船首方位検出器14−2を一体化したもの
である。尚、ここで操舵機16を省略したのは、操舵機
16の応答はこの自動操舵系の応答に比べて1桁程度速
いため、その動特性を無視することができるからであ
る。
FIG. 1 is a block diagram of a control system, that is, an automatic steering system of an automatic steering system for a ship according to the present invention. The automatic steering system of this example includes a first adder 11, an automatic steering device, that is, an autopilot 12, a second adder 13, a controlled object 14, and a third.
And an adder 15 of. The controlled object 14 is the hull 14-1 and the heading detector 14-2 shown in FIG. 6 integrated. The steering gear 16 is omitted here because the response of the steering gear 16 is about one digit faster than the response of the automatic steering system, and the dynamic characteristics thereof can be ignored.

【0038】自動操舵系に入力信号として設定針路φC
が入力される。第1の加算器11は設定針路φC と船首
方位φの偏差ERR=φC −φを求める。自動操舵装置
即ちオートパイロット12はこの偏差ERRを入力して
命令舵角UC を出力する。命令舵角UC は第2の加算器
13に供給される。
Set course φ C as an input signal to the automatic steering system
Is entered. The first adder 11 obtains the deviation ERR = φ C −φ between the set course φ C and the heading φ. The automatic steering device, that is, the autopilot 12 inputs the deviation ERR and outputs the command steering angle U C. The command rudder angle U C is supplied to the second adder 13.

【0039】第2の加算器13は命令舵角UC より角度
換算した外乱dを減算し、その結果UC −dを制御対象
14に出力する。第3の加算器15は制御対象14の出
力信号φ0 より船首方位検出器14−2の検出外乱dV
を減算して、船首方位φ=φ 0 −dV を生成する。船首
方位検出器14−2の検出外乱dV は図6のブロック図
には示されず、ここで新た追加されたものである。
The second adder 13 has a command steering angle UCMore angle
The converted disturbance d is subtracted, and the result UC-D is the control target
It outputs to 14. The third adder 15 outputs the controlled object 14.
Force signal φ0Disturbance d detected by the heading detector 14-2V
To subtract the heading φ = φ 0-DVGenerate bow
Disturbance d detected by the azimuth detector 14-2VIs the block diagram of Figure 6.
It is not shown in, and is newly added here.

【0040】船首方位φは第1の加算器11にフィード
バックされる。第1の加算器11の出力である偏差ER
Rがゼロになるように安定な閉ループが構成される。こ
のとき船首方位φは自動操舵系の出力信号として出力さ
れる。
The heading φ is fed back to the first adder 11. The deviation ER which is the output of the first adder 11
A stable closed loop is constructed so that R is zero. At this time, the heading φ is output as an output signal of the automatic steering system.

【0041】本発明によると、自動操舵系対して、H∞
制御理論に基づいた2次安定化理論(Quadrati
c Stabilization)を用いた設計法が採
用される。2次安定化理論は、船舶のパラメータの不確
かさを、不確かさの変動量によって取り扱うものであ
る。
According to the present invention, for the automatic steering system, H∞
Quadratic stabilization theory based on control theory
c Stabilization) is used. The quadratic stabilization theory deals with the uncertainty of ship parameters by the amount of fluctuation of uncertainty.

【0042】自動操舵装置12は、図7を参照して説明
したように積分器を含む保針用のフィードバック制御器
型と図6を参照して説明したように積分器を含まない変
針用のフィードバック制御器型とがある。本発明の方法
はいずれの制御器を有する閉ループにも適用される。
The automatic steering device 12 is of the feedback controller type for holding the needle which includes the integrator as described with reference to FIG. 7 and for the variable needle which does not include the integrator as described with reference to FIG. There is a feedback controller type. The method of the invention applies to closed loops with either controller.

【0043】H∞制御理論によると、自動操舵装置12
は、最適制御とカルマンフィルタ(状態オブザーバ)を
合わせた機能を有するフィードバック制御器の仕様を満
足するように設計される。後に説明するが、制御対象1
4は船体モデルと船首方位検出器(ジャイロコンパス又
はマグネットコンパス)を合わせたものである。船体モ
デルは、線形化によるモデル誤差、海象の影響、積み荷
の変化、船速の影響等に起因した不確かなパラメータ誤
差を持つ。
According to the H∞ control theory, the automatic steering device 12
Is designed to satisfy the specifications of a feedback controller having a function that combines optimal control and Kalman filter (state observer). As will be described later, controlled object 1
Reference numeral 4 is a combination of a hull model and a heading detector (gyro compass or magnet compass). The hull model has uncertain parameter errors due to model errors due to linearization, the effects of sea conditions, changes in cargo, effects of ship speed, etc.

【0044】H∞制御は、この不確かなパラメータ誤差
を周波数領域にて非構造的変動として間接的に扱い、2
次安定化理論は、この不確かなパラメータ誤差を時間領
域にて構造的不確かさとして直接的に扱う。従って、2
次安定化理論による設計は、制御対象により自然に適合
している。
The H ∞ control indirectly treats this uncertain parameter error as unstructured variation in the frequency domain.
Second-order stabilization theory directly treats this uncertain parameter error as structural uncertainty in the time domain. Therefore, 2
The design based on the secondary stabilization theory naturally fits the controlled object.

【0045】2次安定化理論の特徴は、パラメータの不
確かさをその変動幅によって規定し、定数εによってス
ケール化した一般化制御対象を扱うことにある。また2
次安定化が可能か否かは、リアプノフの不等式を満足す
るようなリカッチ解を求めることができるか否かによっ
て決まる。この不等式の解法はH∞制御の解法と同等で
あるから、H∞制御の手法をそのまま2次安定化理論に
流用することができる。
The feature of the quadratic stabilization theory is that the uncertainty of the parameter is defined by its fluctuation range, and a generalized controlled object scaled by a constant ε is handled. Also 2
Whether or not next-order stabilization is possible depends on whether or not a Riccati solution that satisfies the Lyapunov inequality can be obtained. Since the solution method of this inequality is equivalent to the solution method of H ∞ control, the method of H ∞ control can be applied to the quadratic stabilization theory as it is.

【0046】更に、定数εの最適な設定値は、H∞制御
の求解ループの外側にもうひとつの繰り返しループを追
加することによって一意的に決定される。こうして、2
次安定化された制御系が求められる。
Further, the optimum setting value of the constant ε is uniquely determined by adding another iterative loop outside the solution loop of the H∞ control. Thus, 2
A next-stabilized control system is required.

【0047】本発明では、基礎となるH∞制御として、
LQ形式の時間応答特性に基づく方法を採用した。その
理由は、従来からオートパイロットは2次形式の評価関
数を用いていること、制御器の次数を大きくしないこと
などによる。
In the present invention, as the basic H∞ control,
A method based on the time response characteristic of LQ format was adopted. The reason is that the autopilot has conventionally used a quadratic type evaluation function, and the order of the controller is not increased.

【0048】図2を参照してH∞制御の基本式を求め
る。図2に示すように、H∞制御は一般化制御対象10
0と補償器又は制御器120”とを含む閉ループを取り
扱う。後に説明するが、本発明の場合、制御器120”
はオートパイロット12となる。
The basic equation of H∞ control will be determined with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the H∞ control is a generalized control target 10
It deals with a closed loop including a zero and a compensator or controller 120 ″. As will be explained later, in the case of the present invention, the controller 120 ″.
Is the autopilot 12.

【0049】(1)先ず、評価関数と評価量の式を求め
る。外乱入力wから評価量zまでの閉ループの伝達関数
zw(s)について、H∞制御ノルムは次式のように定
義される。
(1) First, the formulas for the evaluation function and the evaluation amount are obtained. For the closed-loop transfer function T zw (s) from the disturbance input w to the evaluation amount z, the H∞ control norm is defined by the following equation.

【0050】[0050]

【数2】‖z‖2 ≦‖Tzw‖∞・‖w‖2 [Equation 2] ‖z‖ 2 ≦ ‖T zw ‖∞ ・ ‖w‖ 2

【0051】ここで、左辺の‖・‖2 はL2[0,∞] ノル
ム、右辺の‖・‖∞はH∞制御ノルムを示す。伝達関数
zw(s)のH∞制御ノルムを正の定数γによって定め
たものがH∞制御ノルム制限である。これは次のように
表される。
[0051] In this case, the left-hand side of ‖-‖ 2 L 2 [0, ∞] norm, is the right-hand side of ‖ · ‖∞ show the H∞ control norm. The H∞ control norm limit is defined by defining the H∞ control norm of the transfer function T zw (s) by a positive constant γ. This is expressed as:

【0052】[0052]

【数3】‖Tzw‖∞≦γ[Equation 3] ‖T zw ‖∞ ≦ γ

【0053】上述のように本発明は時間応答特性に基づ
くH∞制御の方法を採用する。これは、LQ形式の最適
制御問題と関係し、外乱wに対するLQ型の評価関数を
最小にするような最適制御である。
As described above, the present invention adopts the H∞ control method based on the time response characteristic. This is optimal control that is related to the LQ-type optimal control problem and minimizes the LQ-type evaluation function for the disturbance w.

【0054】[0054]

【数4】 (Equation 4)

【0055】ここで、添え字(・)T は転置行列を示
す。一方、評価量zは次式によって定められる。
Here, the subscript (·) T indicates a transposed matrix. On the other hand, the evaluation amount z is determined by the following equation.

【0056】[0056]

【数5】z=C1x+D12u zTz=xTQx+uTRuEquation 5] z = C 1 x + D 12 u z T z = x T Qx + u T Ru

【0057】ここで係数C1,D12は次の式によって表
される。
Here, the coefficients C 1 and D 12 are expressed by the following equations.

【0058】[0058]

【数6】 (Equation 6)

【0059】またQ,Rはそれぞれ半正定、正定の重み
であり、Q1/2 ,R1/2 は次の式を満たす行列である。
Q and R are semi-definite and positive definite weights, respectively, and Q 1/2 and R 1/2 are matrices satisfying the following equation.

【0060】[0060]

【数7】Q=(Q1/2)T1/2, R=(R1/2)T1/2 (7) Q = (Q 1/2 ) T Q 1/2 , R = (R 1/2 ) T R 1/2

【0061】従って、H∞制御による制御器120”
は、外乱wに対して評価量zを最小にするものである。
Therefore, the controller 120 "by the H∞ control
Is for minimizing the evaluation amount z with respect to the disturbance w.

【0062】(2)次に不確かさを含んだ一般化制御対
象100の式を求める。ここで、パラメータの不確かさ
を不確かさの変動幅によって規定し、重み関数と制御対
象からなる一般化制御対象100を次式によって表す。
(2) Next, the formula of the generalized controlled object 100 including the uncertainty is obtained. Here, the uncertainty of the parameter is defined by the fluctuation range of the uncertainty, and the generalized controlled object 100 including the weighting function and the controlled object is represented by the following expression.

【0063】[0063]

【数8】 (Equation 8)

【0064】ここで、xは状態量、uは操作量、yは検
出量、zは評価量、wは外乱である。A,B1 ,B2
1 ,C2 ,D12,D21はシステム行列である。これら
の変数及び行列は適当な次元をもつ。さらに、tは時
間、ΔA(t) 及びΔB(t) はそれぞれプラント及び入力
の変動幅行列、H,F(t) ,E1 ,E2 は適当な行列で
ある。また、Iは適当な単位行列であり、tが付いた行
列は時変であることを示す。
Here, x is a state quantity, u is an operation quantity, y is a detected quantity, z is an evaluation quantity, and w is a disturbance. A, B 1 , B 2 ,
C 1 , C 2 , D 12 , and D 21 are system matrices. These variables and matrices have appropriate dimensions. In addition, t is time, ΔA (t) and ΔB (t) are plant and input fluctuation width matrices, and H, F (t), E 1 and E 2 are appropriate matrices. I is an appropriate unit matrix, and the matrix with t is time-varying.

【0065】この不確かさを含んだ一般化制御対象10
0に対して、H∞制御を適用することができない。その
代わりに、定数εを用いてスケール化した一般化制御対
象100が用いられる。これは次式によって表される。
Generalized controlled object 10 including this uncertainty
The H∞ control cannot be applied to 0. Instead, the generalized controlled object 100 that is scaled using the constant ε is used. This is expressed by the following equation.

【0066】[0066]

【数9】 [Equation 9]

【0067】[0067]

【0068】[0068]

【数10】 (Equation 10)

【0069】ここで、xK は状態量、AK ,BK ,CK
はシステム行列であり、変数及び行列は適当な次元をも
つ。上記二つの一般化制御対象(数8の式及び数9の
式)に数10の式によって表される制御器を代入する
と、それぞれ次のような閉ループ系が得られる。
Here, x K is the state quantity, A K , B K , C K
Is a system matrix and variables and matrices have appropriate dimensions. Substituting the controller represented by the equation (10) into the two generalized control targets (equation (8) and equation (9)), the following closed loop systems are obtained.

【0070】[0070]

【数11】 [Equation 11]

【0071】ここで、Here,

【0072】[0072]

【数12】 (Equation 12)

【0073】不確かさを含んだ閉ループ系に対して2次
安定化が可能か否かは、次のリカッチ不等式を満足する
対称行列PC の正定解が存在するか否かによる。
Whether or not quadratic stabilization is possible for a closed loop system including uncertainty depends on whether or not there is a positive definite solution of the symmetric matrix P C that satisfies the following Riccati inequality.

【0074】[0074]

【数13】 (Equation 13)

【0075】2つの一般化制御対象から派生した2つの
閉ループ系のリカッチ不等式を調べるに際し、次の関係
を用いる。
In examining the Riccati inequality of two closed-loop systems derived from two generalized controlled objects, the following relation is used.

【0076】[0076]

【数14】 [Equation 14]

【0077】よって、次の関係式が得られる。Therefore, the following relational expression is obtained.

【0078】[0078]

【数15】 (Equation 15)

【0079】この関係式より、数13の式に示す2つの
リカッチ不等式は互いに同値であることが判る。従っ
て、数8の式と数9の式によって表される2つの一般化
制御対象は互いに同値である。よって、H∞制御問題
は、数8の式によって表される不確かさを含む一般化制
御対象の代わりに数9の式によって表されるスケール化
した一般化制御対象を扱えばよい。
From this relational expression, it can be seen that the two Riccati inequalities shown in the equation 13 have the same value. Therefore, the two generalized control targets represented by the equations (8) and (9) have the same value. Therefore, in the H ∞ control problem, the scaled generalized control target represented by the equation 9 may be used instead of the generalized control target including the uncertainty represented by the equation 8.

【0080】(3)次に定数εの最適設定値を求める。
スケール化した一般化制御対象を用いる場合、定数εの
設定が必要になる。先ず次式を定義する。
(3) Next, the optimum set value of the constant ε is obtained.
When using a scaled generalized control target, it is necessary to set a constant ε. First, the following equation is defined.

【0081】[0081]

【数16】 (Equation 16)

【0082】Z(γ)<0とすれば、閉ループ系のH∞
制御ノルム制限は次のように表される。
If Z (γ) <0, then H ∞ of the closed loop system
The control norm limit is expressed as:

【0083】[0083]

【数17】 [Equation 17]

【0084】これは、H∞制御可能であることを意味す
る。ここで、指数(・)-1は逆行列を示す。2次安定化
可能は、H∞制御可能であることを意味する。数13の
式の第2式より定数εについての2次式が得られる。
This means that H∞ control is possible. Here, the exponent (·) −1 indicates an inverse matrix. The possibility of second-order stabilization means that H∞ control is possible. A quadratic equation for the constant ε is obtained from the second equation of the equation (13).

【0085】[0085]

【数18】 (Equation 18)

【0086】この式の左辺は定数εの2次関数であるか
ら、極値をもつ。よって、ε>0,Z(γ)<0である
ことを考慮すれば、次式が成立する。
Since the left side of this equation is a quadratic function of the constant ε, it has an extreme value. Therefore, considering that ε> 0 and Z (γ) <0, the following equation holds.

【0087】[0087]

【数19】γ(ε)=f{(ε−ε0)2 }+γ0 Γ (ε) = f {(ε−ε 0 ) 2 } + γ 0

【0088】ここで、f{・}は関数を示す。これはε
=ε0 のとき、定数γは最小値γ0になることを表して
いる。従って、定数εの設定値は一意的に決定され且つ
そのときH∞制御ノルム制限の値γは最小となる。
Here, f {•} indicates a function. This is ε
= Ε 0 , the constant γ has a minimum value γ 0 . Therefore, the set value of the constant ε is uniquely determined, and then the value γ of the H∞ control norm limit becomes the minimum.

【0089】次に数10の式に示す制御器120”の構
成を説明する。次の3つの条件を満足する対称行列X,
Yが存在すれば、不確かさを含んだ制御対象100は2
次安定化可能である。前記した文献(3)を参照する。
Next, the configuration of the controller 120 "shown in the equation (10) will be described. The symmetric matrix X, which satisfies the following three conditions:
If Y exists, the controlled object 100 including the uncertainty is 2
It can be stabilized next. Reference is made to the above-mentioned document (3).

【0090】(1)リカッチ不等式が準正定解X≧0を
もつ。
(1) The Riccati inequality has the quasi-positive definite solution X ≧ 0.

【0091】[0091]

【数20】 (Equation 20)

【0092】(2)リカッチ不等式が準正定解Y≧0を
もつ。
(2) The Riccati inequality has a quasi-positive definite solution Y ≧ 0.

【0093】[0093]

【数21】 (Equation 21)

【0094】(3)スペクトル半径が1以下である。(3) The spectrum radius is 1 or less.

【0095】[0095]

【数22】λmax(XY)<1[Equation 22] λ max (XY) <1

【0096】この3つの条件は、H∞制御の解の存在条
件である。このとき、制御器120”は以下のように与
えられる。
These three conditions are the existence conditions of the solution of H∞ control. At this time, the controller 120 ″ is given as follows.

【0097】[0097]

【数23】 (Equation 23)

【0098】ここで次の関係がある。Here, there is the following relationship.

【0099】[0099]

【数24】 (Equation 24)

【0100】図3を参照して制御器120”の制御ゲイ
ンの計算を説明する。図3は制御器120”の計算のフ
ローを示す。制御器120”は次のようなステップを含
む流れによって制御ゲインを計算する。
Calculation of the control gain of the controller 120 ″ will be described with reference to FIG. 3. FIG. 3 shows a flow of calculation of the controller 120 ″. The controller 120 "calculates the control gain by a flow including the following steps.

【0101】101 不確かさを含む制御対象を状態空
間表現で表わす。 102 設計仕様を評価量z又は重み関数によって定義
する。 103 制御対象と評価量z又は重み関数を用いて、不
確かさをもつ一般化制御対象を構築する。
101 A control object including uncertainty is represented by a state space expression. 102 Design specifications are defined by an evaluation amount z or a weighting function. 103 A generalized controlled object having uncertainty is constructed using the controlled object and the evaluation amount z or the weighting function.

【0102】104 不確かさをもつ一般化制御対象を
スケール化した一般化制御対象に変換する。 105 評価量zの重みQ,Rの設定値を与える。 106 定数εの初期値を与える。 107 H∞制御の定数γを求解する。
104 A generalized controlled object having uncertainty is converted into a scaled generalized controlled object. 105 The set values of the weights Q and R of the evaluation amount z are given. 106 The initial value of the constant ε is given. Solving for the constant γ of 107 H ∞ control.

【0103】108 γが最小値であるかを判断する。 (a) 最小値でないとき、定数εを更新して、定数γを求
解する。 (b) 最小値であるとき、定数εを保持する。 110 所定の定数を用いて、制御器のゲインを計算す
る。
It is determined whether 108 γ is the minimum value. (a) When it is not the minimum value, the constant ε is updated and the constant γ is solved. (b) Hold the constant ε when it is the minimum value. 110 Calculate the controller gain using a predetermined constant.

【0104】定数εの最適設定値は、図3に示すよう
に、H∞制御の定数γの求解算法に定数εの繰り返しル
ープを追加することによって得られる。
The optimum set value of the constant ε is obtained by adding an iterative loop of the constant ε to the solution calculation method of the constant γ of the H∞ control as shown in FIG.

【0105】図4を参照して説明する。図4はオートパ
イロット12と制御対象14を含んだ自動操舵系のブロ
ック図である。オートパイロット12は2つの加算器1
2−1、12−4とフィードフォワード制御器12−2
とフィードバック制御器12−3とを有する。オートパ
イロット12は設定針路φC 及び船首方位φ=Ypを入
力し命令舵角UC を出力する。
Description will be made with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram of an automatic steering system including the autopilot 12 and the controlled object 14. Autopilot 12 has two adders 1
2-1, 12-4 and feedforward controller 12-2
And a feedback controller 12-3. The autopilot 12 inputs the set course φ C and heading φ = Yp and outputs the command rudder angle U C.

【0106】制御対象14は船体モデル14−1と方位
検出器14−2を含み、命令舵角Ucを入力して船首方
位Ypを出力する。船体モデル14−1は1次式によっ
て表され、命令舵角Ucを入力して旋回角速度dφ/d
tを出力する。
The controlled object 14 includes a hull model 14-1 and a heading detector 14-2, which inputs a command rudder angle Uc and outputs a heading Yp. The hull model 14-1 is expressed by a linear equation, and the command steering angle Uc is input to turn angular velocity dφ / d.
Output t.

【0107】方位検出器14−2は旋回角速度dφ/d
tを入力して船首方位φを出力する積分特性の働きをす
る。
The azimuth detector 14-2 determines the turning angular velocity dφ / d.
It acts as an integral characteristic of inputting t and outputting the heading φ.

【0108】船体モデル14−1は、線形化や低次元化
によるモデル誤差、海象による流体力の影響そして、積
み荷、燃料及び船速の変化等に起因してパラメータ誤差
を持つ。方位検出器14−2のスケールファクタ、バイ
アス及び加速度の誤差は無視できるものとする。
The hull model 14-1 has a parameter error due to a model error due to linearization or a reduction in dimension, an influence of a fluid force due to a sea condition, and changes in cargo, fuel and ship speed. It is assumed that the scale factor, bias, and acceleration errors of the azimuth detector 14-2 can be ignored.

【0109】制御対象14を次式のように状態空間表現
によって表す。
The controlled object 14 is represented by the state space expression as in the following equation.

【0110】[0110]

【数25】 (Equation 25)

【0111】ここで、xpは状態量、Ucは操作量(命
令舵角)、ypは検出量(船首方位φ)、w1 はプラン
ト外乱、w2 は検出外乱、Ap,Bp,Cp,Dpは制
御対象のシステム行列、ΔAp,ΔBpはそれぞれプラ
ント、入力の不確かさ行列である。
Here, xp is the state quantity, Uc is the operation quantity (command steering angle), yp is the detection quantity (heading direction φ), w 1 is the plant disturbance, w 2 is the detection disturbance, Ap, Bp, Cp, Dp. Is a system matrix to be controlled, and ΔAp and ΔBp are plant and input uncertainty matrices, respectively.

【0112】[0112]

【数26】 (Equation 26)

【0113】ここで、φは船首方位、ap,bpはノミ
ナル値(設定値)の要素であり、船体特性の追従安定性
指数Ts、旋回力指数Ksよりなる。尚、追従安定性指
数と旋回力指数を合せて操縦性指数と呼ぶ。Δap,Δ
bpは不確かさパラメータであり、変動幅δを用いて定
められる。
Here, φ is the heading of the ship, ap and bp are elements of the nominal value (set value), and are composed of the tracking stability index Ts of the hull characteristics and the turning force index Ks. The tracking stability index and the turning force index are collectively referred to as a maneuverability index. Δap, Δ
bp is an uncertainty parameter and is determined using the fluctuation range δ.

【0114】[0114]

【数27】 [Equation 27]

【0115】次に変針用一般化制御対象について説明す
る。変針時は、応答特性を改善するためにフィードフォ
ワード制御器12−2が働く。フィードフォワード制御
器12−2は、制御対象14のノミナルモデルの逆特性
を有する。これを含めた閉ループ系を考える。変針用制
御器の仕様は、外乱減衰特性よりも応答特性をより重視
したものであるから、積分特性を持たない。変針用制御
器12−2を次式によって示す。
Next, the generalized control object for changing the needle will be described. At the time of changing the needle, the feedforward controller 12-2 works to improve the response characteristic. The feedforward controller 12-2 has the inverse characteristic of the nominal model of the controlled object 14. Consider a closed loop system that includes this. The specification of the needle changing controller does not have the integral characteristic because the response characteristic is more important than the disturbance attenuation characteristic. The needle changing controller 12-2 is shown by the following equation.

【0116】[0116]

【数28】 [Equation 28]

【0117】ここで、xKCは状態量、UFBはフィードバ
ック舵角、eは設定針路φC と船首方位ypの偏差e=
φC −ypである。AKC,BKC,CKCは変針用制御器1
2−2のシステム行列である。ノミナル系を次式によっ
て示す。
Here, x KC is the state quantity, U FB is the feedback steering angle, and e is the deviation e = the set course φ C and the heading yp.
φ C −yp. A KC , B KC , and C KC are change needle controllers 1
2-2 is a system matrix. The nominal system is shown by the following equation.

【0118】[0118]

【数29】 (Equation 29)

【0119】[0119]

【数30】 [Equation 30]

【0120】ここで、命令舵角UC はフィードフォワー
ド舵角UFFとフィードバック舵角U FBの和である。即
ち、UC =UFF+UFBである。また次の関係がある。
Here, the command steering angle UCIs a feed forwarder
Steering angle UFFAnd feedback rudder angle U FBIs the sum of Immediately
Chi, UC= UFF+ UFBIt is. In addition, there is the following relationship.

【0121】[0121]

【数31】 (Equation 31)

【0122】従って、次の置き換えをすることによっ
て、変針用の不確かさを含んだ一般化制御対象が得られ
る。
Therefore, by performing the following replacement, a generalized controlled object including the uncertainty for changing the needle can be obtained.

【0123】[0123]

【数32】 (Equation 32)

【0124】[0124]

【数33】 [Equation 33]

【0125】[0125]

【数34】 (Equation 34)

【0126】ここで、qc1 ,qc2 及びγcは変針用
の重み定数である。
Here, qc 1 , qc 2 and γc are weight constants for changing the needle.

【0127】次に図5を参照して保針用一般化制御対象
について説明する。保針時は、設定針路φC がゼロ状態
のときであり、フィードフォワード制御器12−2は働
かない。保針用制御器の仕様は、応答特性よりも外乱減
衰特性をより重視したものである。このため、積分特性
を持つ。
Next, with reference to FIG. 5, a generalized controlled object for holding the needle will be described. At the time of holding the needle, the set course φ C is in the zero state, and the feedforward controller 12-2 does not work. The specifications of the needle-holding controller place more importance on the disturbance attenuation characteristic than the response characteristic. Therefore, it has an integral characteristic.

【0128】制御対象14において、プラント行列Ap
と外乱行列Dp は可制御性がないので、重み関数W
1 (s)を用いて外乱w1 の位置変更して可制御性を確
保する。図5Aは外乱w1 の位置変更前の状態、図5B
は外乱w1 の位置変更後の状態を示すブロック図であ
る。図5Bに示す位置変更後の制御対象14を次に示
す。
In the controlled object 14, the plant matrix A p
And the disturbance matrix D p have no controllability, the weighting function W
The position of the disturbance w 1 is changed using 1 (s) to ensure controllability. FIG. 5A is a state before changing the position of the disturbance w 1 , FIG. 5B
FIG. 4 is a block diagram showing a state after the position of the disturbance w 1 is changed. The controlled object 14 after the position change shown in FIG. 5B is shown below.

【0129】[0129]

【数35】 (Equation 35)

【0130】ここで、重み関数が時定数TW1の一次ロー
パスフィルタであると仮定すれば、外乱行列DP の要素
はcp=1/TW1となる。
Here, assuming that the weighting function is a first-order low-pass filter of the time constant T W1 , the element of the disturbance matrix D P is cp = 1 / T W1 .

【0131】次に保針用制御器、即ち、積分器を有する
フィードバック制御器12−3の一般化制御対象を定め
る。これは、前記した文献(2)の手法を用いる。
Next, a generalized control target of the needle holding controller, that is, the feedback controller 12-3 having an integrator is determined. This uses the method of the above-mentioned literature (2).

【0132】[0132]

【数36】 [Equation 36]

【0133】ここで、QK ,RK は保針用の重み行列、
I は積分重み定数、DK ,NK は保針用の重み定数で
ある。
Here, Q K and R K are weight matrices for needle holding,
Q I is an integral weighting constant, and D K and N K are needle holding weighting constants.

【0134】[0134]

【数37】 (37)

【0135】ここで、qK1,qK3及びγK は保針用の重
み定数、qI は積分重み定数である。この一般化制御対
象によって求めた制御器に次の操作を行うことによっ
て、制御器は積分器を有することになる。
Here, q K1 , q K3, and γ K are needle holding weight constants, and q I is an integral weight constant. The controller has an integrator by performing the following operation on the controller obtained by this generalized control target.

【0136】[0136]

【数38】 (38)

【0137】ここで、KK (s),KK ′(s)は、そ
れぞれ一般化制御対象によって計算した制御器の伝達関
数、積分器が付与された制御器の伝達関数である。分数
項は一般化制御対象に対して新たに加えられた項により
派生したものである。
Here, K K (s) and K K ′ (s) are the transfer function of the controller calculated by the generalized controlled object and the transfer function of the controller provided with the integrator, respectively. The fractional term is derived from the term newly added to the generalized control target.

【0138】伝達関数KK ′(s)について考察する。
右辺の伝達関数KK (s)の分母は実際にはs+1項
(記述していない)を含むから、それと分数の分子にあ
るs+1項が相殺される。従って、右辺にて分数の分母
のs項のみが残る。よって、伝達関数KK ′(s)によ
って表される制御器に積分器が付加されたことになる。
積分器により、外乱のバイアス成分に起因した船首方位
の誤差は取り除かれることができる。
Consider the transfer function K K ′ (s).
Since the denominator of the transfer function K K (s) on the right side actually includes the s + 1 term (not described), the s + 1 term in the numerator of the fraction is offset. Therefore, only the s term of the denominator of the fraction remains on the right side. Therefore, an integrator is added to the controller represented by the transfer function K K ′ (s).
The integrator allows the heading error due to the bias component of the disturbance to be removed.

【0139】以上本発明の実施の形態について詳細に説
明したが、本発明はこれらの例に限定されることなく特
許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更等
が可能であることは当業者にとって理解されよう。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these examples, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims. It will be understood by those skilled in the art.

【0140】[0140]

【発明の効果】本発明によると、自動操舵系の性能を設
計仕様として明確に導入することができる利点がある。
According to the present invention, there is an advantage that the performance of the automatic steering system can be clearly introduced as a design specification.

【0141】本発明によると、船舶の特性の変化を不確
かさの変動量として取り扱うことができる制御器を設計
することができるから、自動操舵系の安定性を保証する
ことができる利点がある。
According to the present invention, since it is possible to design a controller capable of handling a change in the characteristics of a ship as a fluctuation amount of uncertainty, there is an advantage that the stability of an automatic steering system can be guaranteed.

【0142】本発明によると、評価量及び重み関数を適
当に調整することによって所望の特性や性能を有する制
御器を構築することができる利点がある。
According to the present invention, there is an advantage that a controller having desired characteristics and performance can be constructed by appropriately adjusting the evaluation amount and the weighting function.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による船舶用自動操舵系の構成例を示す
ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an automatic steering system for a ship according to the present invention.

【図2】本発明の基礎となるH∞制御問題の対象となる
閉ループを示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a closed loop subject to the H ∞ control problem which is the basis of the present invention.

【図3】制御器のゲインを計算するための流れ図であ
る。
FIG. 3 is a flow chart for calculating a controller gain.

【図4】H∞制御問題に帰着された本発明による船舶用
自動操舵系の構成例を示すブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of an automatic steering system for a ship according to the present invention, which results in an H∞ control problem.

【図5】保針時における制御対象に加えられる外乱の位
置を変更した例を示すためのブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing an example in which the position of the disturbance applied to the controlled object at the time of holding the needle is changed.

【図6】従来の船舶用自動操舵系(変針モード用)の構
成例を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a conventional marine vessel automatic steering system (for needle change mode).

【図7】従来の船舶用自動操舵装置(保針モード用)の
構成例を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a conventional marine vessel automatic steering device (for the needle keeping mode).

【図8】従来の船舶用自動操舵装置の変針応答特性を示
す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a needle change response characteristic of a conventional marine vessel automatic steering system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 加算器 12 自動操舵装置 12−1 加算器 12−2 フィードフォワード制御器 12−3 フィードバック制御器 12−4 加算器 13 加算器 14 制御対象 14−1 船体、船体モデル 14−2 方位検出器 14−3、14−4 加算器 15 加算器 16 操舵機 100 一般化制御対象 120、120’ 自動操舵装置 120” 制御器 11 Adder 12 Automatic steering device 12-1 Adder 12-2 Feedforward controller 12-3 Feedback controller 12-4 Adder 13 Adder 14 Control target 14-1 Hull, Hull model 14-2 Direction detector 14 -3, 14-4 Adder 15 Adder 16 Steering machine 100 Generalized control target 120, 120 'Automatic steering device 120 "Controller

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 設定針路に対する船首方位の偏差を指示
する信号を入力して命令舵角を出力する自動操舵装置に
よって閉ループ制御するように構成された船舶用自動操
舵装置において、 上記命令舵角を入力とし上記船首方位を出力とし船体と
方位検出器からなる制御対象を不確かさを有する一般化
制御対象として取扱い、上記一般化制御対象と上記自動
操舵装置とを組み合わせてH∞制御問題に帰着させ、上
記一般化制御対象の外乱から評価量までの伝達特性のH
∞制御ノルムを仕様以下にし、 上記不確かさを有する一般化制御対象を定数εを用いて
スケール化した一般化制御対象に変換してH∞制御問題
に帰着させたことを特徴とする船舶用自動操舵装置。
1. An automatic steering device for a marine vessel configured to be closed-loop controlled by an automatic steering device which inputs a signal indicating a deviation of a bow direction with respect to a set course and outputs a commanded steering angle. Treat the control object consisting of the hull and heading detector as input with the above heading as output and treat it as a generalized control object with uncertainty, and combine the generalized control object with the automatic steering device to reduce to the H∞ control problem. , H of the transfer characteristic from the disturbance of the generalized control target to the evaluation amount
∞ Automatic norm for ships characterized by making the ∞ control norm less than the specification and converting the generalized controlled object having the above uncertainty into a generalized controlled object scaled using a constant ε and resulting in an H∞ control problem. Steering device.
【請求項2】 請求項1記載の船舶用自動操舵装置にお
いて、 上記スケール化した一般化制御対象において、上記定数
εは外乱から評価量までの上記H∞制御ノルムの伝達特
性を最小化するための最適設定値を有することを特徴と
する船舶用自動操舵装置。
2. The marine automatic steering apparatus according to claim 1, wherein the constant ε minimizes the transfer characteristic of the H∞ control norm from the disturbance to the evaluation amount in the scaled generalized control target. An automatic steering device for ships, which has an optimum set value of
【請求項3】 請求項1又は2記載の船舶用自動操舵装
置において、 上記自動操舵装置は積分特性を有する保針用制御器と積
分特性を有さないでフィードフォワード制御器を併設す
る変針用制御器とを有することを特徴とする船舶用自動
操舵装置。
3. The automatic steering apparatus for a ship according to claim 1, wherein the automatic steering apparatus has a needle holding controller having an integral characteristic and a feed forward controller having no integral characteristic. An automatic steering device for ships, comprising: a controller.
【請求項4】 請求項3記載の船舶用自動操舵装置にお
いて、 上記変針用制御器は上記制御対象と上記フィードフォワ
ード制御器を組み合わせた一般化制御対象を用いること
を特徴とする船舶用自動操舵装置。
4. The automatic steering system for a marine vessel according to claim 3, wherein the controller for changing needles uses a generalized controlled system in which the controlled system and the feedforward controller are combined. apparatus.
【請求項5】 請求項3又は4記載の船舶用自動操舵装
置において、 上記保針用制御器は上記制御対象と重み関数及び積分特
性を組み合わせた一般化制御対象を用いることを特徴と
する船舶用自動操舵装置。
5. The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 3 or 4, wherein the needle keeping controller uses a generalized controlled object that combines the controlled object with a weighting function and an integral characteristic. Automatic steering device.
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