JPS60116593A

JPS60116593A - 自己回帰型舶用制御装置

Info

Publication number: JPS60116593A
Application number: JP58223477A
Authority: JP
Inventors: Kohei Otsu; 皓平大津; Michio Horigome; 堀篭　教夫; Yasubumi Yamauchi; 山内　保文; Masayoshi Hirano; 平野　雅祥; Hiroyuki Oda; 識田　博行
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui Zosen KK
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui Zosen KK
Priority date: 1983-11-28
Filing date: 1983-11-28
Publication date: 1985-06-24
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: JPH0780477B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野Ｊ本発明は自己回帰モデルを用いて航走中の船の応答を表
現し、更に状焦１空間表現に変換したものに基づいて舶
用機器の）、ｉ過制御を行なう自己回帰型舶用制御装Ｖ
ｒに関する。し従来技術〕省力化、省エネルギー化を実現するものとして、舶用機
器の制御を自動化することが従来より試みられている。自動化が試みられてｂるものの１つにオートパイロット
があり、この用途に適用された制御形態の代表的な例と
して、周知のＰＩＤ制御がある。第１図は従来のＰＩＤ制御によるオートパイロットシス
テムの一例を示すものであり、目的地へのコースを設定
するコース設定器１と、舵角指令に基づいて舵を操作す
る操舵装置２と、方位ｒ出力ｔ　る−）ヤイロコンパス
３と、該ジャイロコンパス３とコース設定器１に設定さ
れた方位との偏差（コース偏差）Δθに基づいてＰＩＤ
演ｚｌＩを行なぺ舵角指令を操／１２装置２に出力する
と共に、実際の操舵量を舵角フィードバックとして操舵
装置２より入力する自動操舵部４とよりイ、４成される
。自動操舵部４は、コース偏差のうち低周波域では（１
）制御を行ない、高周波域ではフィルタを活用し、通常
の操舵が行なわれる周波′ｃｉ、帯でのみＰ　Ｉ）制御
が機能するように構成されている。以上の構成において、設定されたコース上における現時
点での予想方位と、ジャイロコンパス３による現時点の
実際の方位とのづれをコース偏差としてめる。この（！
ｉ＋ｉ差は、外乱（波、風ｒ　？ＩＶ！　＋Ｊｆ己等）
により生じる方位角誤差である。この誤差に相当する）
花信を、１改１具差が零になる方向に操舵する指令とし
て操舵装置１４ｉ−２に送出し、設定コースに実際の進
路を合致させる。しかし、ＰＩＤのみに依存した従来の自動制御では　、
’Ｉｌｉ去の結果のみに対し航行補正を行うものである
ため、操舵が頗％Ｓ　Ｋ行なわれ、省エネルギー化を元
金に図ることができなかった。これを消失するものとして、提案されたのが自己回帰（
ＡＲ）型オートパイロットであり、かかる方式は、制御
系を自己回帰モデル（Ａｕｔｏ　−Ｒｅｇｒｅｓｓｉｖ
ｅ　Ｍｏｄｅｌ　：　Ａ　Ｒモデル）で表現し、このモ
デルの；Ｉ［４切な状態空間表現から最適制御則を見出
そうとするものである。即ち、Ａ、　Ｒ型オートパイロットは、操舵時の船の自
己回帰モデルを用いるものである。このモデルは、時刻
ｔの現象を成る過去からの情報によって予測する一種の
予測モデルである。第（１）式において、χ（ｔ）、ｙ
（ｔ）は各々方位角の偏差とｊＪヒ角景であり’、ｕ（
ｔ）は雑音成分である。また、このモデルでは、計測デ
ータ（ｚ（ｔ）、ｙ（ｔ）　＞　ｔ　＝　１　・・・・
・・Ｎから第Ｃｔ）式のＡ　Ｒモデルの次数１ν■を決
定するノこめに、既に提案されているＭＡＩｃＥ法（Ｍ
　ｉ　ｎ　ｉ　ｍｕｍ　−ＡＩＣＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ
　ｍｅｔｈｏｄ　）を適用している。これは、仮定した統計モデルと真のえ・ム計モデルの確
率分布間の距離を欠へ゛１ミ示すＡＩＣで１１１′価し
、そのＡＩＣを最小にする穴数Ｍを選択するものである
。Ａ　Ｉ　ＣＧＶＤ−＝　Ｎ　／’　ｏ　ｇ　ｏ　ｈｌ−
１−２億＋１）・・・・・・・・・・・・（２）（但し
、Ｎはデータ数、δ−はｕ　（ｔ）の分散である。）第
（０式のＡ　Ｒモデル樹現が４ｉｆｊｉ定され、１（＝
　（１，０・・・ｏ）　、　ｗ（ｔ）−（ｕ（ｔ）、Ｏ
・＝ＯｋＴｚｔ　−＜　ＺＯＣｔ）ｊ　Ｚｌ（ｔ）、　
−−、Ｚ　１１−１　（ｔ）　）”Ｚｏ（ｔ）＝χ（ｔ
）、Ｙｔ＝ｙ（ｔ）、Ｘｔ−χ（ｔ）−・叩（３）と＃
イくことによって、第（１）式の状態空間表現として、Ｚｔ−ΦＺ、−，十ＦＹ、−□十〜Ｖｔ　・・・・・・
・・・・・・　（４）Ｘｔ＝　ｉ（Ｚｊ−１を得る。第（４）式で表現されるような船体運動にお込
て、針路保持性能の良さ、所袂舵角」４を評価する評価
関数Ｊ１は次式で示される。・Ｊｚ　＝　Ｅ　（Ｌ□＜　ＺｔＱ　Ｚｔ＋　Ｙｔ−ｚＲ
Ｙｔ−ｔ　）　）　−−（５）この評価間０．ＪＬを最
小にする最適制御則は、Ｙ１＝Ｇ７ｉＺ、　・・・・・
・・・曲・・曲（６）のフィードバックｆｉｉｌＪ御刑
で与えられる。ここに、Ｙｉは次に出すべき制御信号で
あり、Ｇｚｉはゲイン行列である。第（６）式において
、予測時間Ｓを充分に長くとることによって、Ｇｚｉを
固定ゲインとみなすことができるので、最適制仙］則は
次式のように表現でき、固尾ゲインＹｉ＝Ｇｚ１　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（７）よる制御則が得られる。この
ような制御系の動きを表現する第（１）式のＡＲモデル
が与えられるとき、評価関数の重み行列ＱおよびＲ（Ｑ
は方位角の偏差を小さくする為の重みであＣ１Ｒは操舵
量を小さくする為の重みである）を適当に定めることに
よって最適制御則をめることができる。即ち、対象船に
おいて、あらかじめ適当な外乱のもとてマニュアル、Ｐ
ＩＤ等の操舵のもとに得られた計測データにＡ　Ｒモデ
ルを当てはめることにより、最適予測制御が可能となる
。以上の理論に基づ＜ＡｉＲ型オートパイロットの構成の
一例を示したのが第２図であり、前記−ノ・１シの演：
σを実行し最適制御則Ｙｉに従った制ｊｆｌｌ　！’Ｉ
’ｌｉ　Ｍ信号を：１ｉｌｉ御都５により生成し、この
制御卸舵角（０号により操舵装置２をｉｉｉ制御して１
ｊｉｉ　６を操舵する。針路偏差、舵角信号等からオフ
ラインでξ＋’＋ｔｕ式に示すＡ　Ｒモデルを得、これ
をｉＶｉ　Ａ　Ｉ　ＣＥ法で固定しついでゲインＧおよ
び制御則Ｙｉを神々のＪＲみの評１曲１列表父のもとで
１１専しながらシュミレー７ヨンを繰返して最片′ミゲ
インを迷定する。これらの結果を用いて、制御部５のコ
ンピュータで制御を実ｈ１する。−！た、操舵装置２は
油圧装置を主体に１；）成され、制御舵角信号により制
動弁を切り換えて、舵６を７ｙｒ定の方向に所定角度を
駆動させる。以上のような統計的最適１１ｉｌ制御を練習船に搭載し
、省エネルギー化の向上、外乱状況の変化による制御効
率の改善、安定性の向上したことが報告されている。（
昭和５３年５月、日本、；１を船学会春季６１″４演会
）。しかしながら、以上の考えを製品として実用に耐えうる
ものにするだめには次に列挙するような種々の開店が′
ある。（ａ）　船４；；１の種類による制？＋４’Ｊｌ詑角信
号の発令時間間ＩＶ；ｉの設定が可能であること。（ｂ）　制御ゲインの選択が容易にできること。（ｃ）　高椋（同波、横波および造波等）による制御モ
デルの更新が可能であること。（ｄ）　熟練な仮することなく操作が可能であること。これらを具体的に解決することによって、最も好ましい
舶用桜器用制御装誼を得ることができるわけであるが、
従来においては、前記各条件を）１１・４足する装置ｔ
は存在しなかった。〔発明の目的〕本発明の目的は、自己回帰型動ｆｉｌの実用性ケ高めて
製品化の向上を１＞、１す、上記し／Ｃ従来の欠点を解
消した自己回％ｊ型舶用制伺ｊ装置れを提供するもので
ある。し発明の構成〕本孔り」は、比１１・Ｚ的、不規則なＪ３＋’ｉ　ＩＪ
’［によって告られた舵角、および船体５１ｈ打７のデ
ータをもとに、あらかじめ自己回帰モデルを作り、この
モデルから状、１悲空間表現を２７１いプこのち制ｉ＋
ｉｌ１則を募出し、この制御則に基づいて時々刻々の制
御指令をイ′）ると共に、以上の一連のルノチ理を状況
の変化に応じてた°６；・ζし実行し、データ斐ｉ＋ｒ
Ｊ　（４１・ａ体動揺、１．正角、スラスタ−回リムを
叉、ピッチ角、フィン角等）を最小にする？１ｉｌｌ　
（Ｉｉｉｌケ行ない、史に、入力’Ｉ’ｉ報の変化に応
じ＜ｔｉｌ制御制御モデル１レ択るよう１・でしたもの
でちる。〔うＣ明の実、剋し１１〕第３図は本イ１−明の一実力１例を示すものでるり、操
舵装置２より出力される制イｌｌ１１指ノ、〒（例えば
舵角）および船体ｒ・ＩＪ揺などのデータを：１’＋５
　’へ込みデジタル信号に変換してパスライン（データ
バス及び゛アナログバス）ｉｌｌ／こ出力する入力イン
ターフェイス１２と、各種の設ＴＬ　Ｃｆｌ°Ｌ’ｔＳ
設定１．舵角リミット設定、信号発令時に１］、船体主
ｕ１．コ、操舵モード設定。海象設定等）内容がキーインされると共にその内容をデ
ジタル（ｉ号に変（果してバスツイン１１に送出するキ
ーボード１３と、へ１℃モデルに基づ（，４，ｊ適制御
則演算を実行し、或いは表示ｆｉｉｌｌ　ｒｊｌ　、デ
ィスク制御、プリンタ？ＢＮ伯ｊ、外部４；麦？３の制
御等を実行するプログラムが格納されたＲＯＭ（リード
・オンリー・メモリ）１４と、ＲＯＭ、１４のプログラ
ムに基づいて各種の４；ハ、′、及び制：ｔ’ｌｌを実
行するＣＰＵ（中央処理装置ｉｌｔ　）　１５と、人力
インターフェイス及びキーボード１３を弁して取込んだ
データおよび仮定内容を記１怠するＲＡＴψ１（ランダ
ム・アクセス・メモリ）１６と、ＣＰＵ１５のコントロ
ールを受けて記録紙に各椋設定１ば、方位角、舵角時系
列表示等をプリントするプリンＪ１７と、プリンタ１７
を所定のインターフェイス形式でパスライン１１に接続
するインターフェイス１８と、ブリンクに印字する内容
の噂か各種の１−３ｃ報表示を行なうＣ１ζＴ表示装置
１９と、Ｃ１之Ｔ表示ル°きｉｉｉ　１９を所定のイン
ターフェイス形式でパスライン１１に接続するインター
フェイス２０と、各４→

【の１１ｒ報。データの保存を行なう外部記憶装（ｉ；＋’としてのフ
ロッピーディスク装置２１と、フロッピーディスク装置
；尻２１とパスラインＪ］を所定のインターフェイス形
式で接続するインターフェイス２２と、ＣＰＵ１５によ
り発令される開側１信号にノ、５ついて電磁弁（操舵装
置ｆｆの油圧系統用）を切替制御するｌ’ｕ磁弁制０１
１回路２３とよりＡＩＷルスされる。ノｉお、操舵装置
２は、′４Ｌ磁弁によって’１ｉｉｉ　４：：ｌされる
油圧系によって大きな１駆！■・ｈ力を出すバワーユニ
ツＩ−２０１と、該パワーユニット２０１により両級に
舵６を、駆動させるサーボ機Ｇ’ｊ　２０２とよりイ１
．）成される。以上の（Ｒ成において、！：ｌ已４図のフローチャート
に）ｖ、づいて動イ乍をｉ脱明すると、ステップ４１で
Ｐ次元の被制御変数χ（ｔ）（例えば、船体’ｆ’ａｂ
　ｎ’＝’ｒ　）および１次元のＩ！Ｉ　ａｌ変数ｙ（
ｔ）（例えば、舵角）を千−ボード１３またはフロッピ
ーディスク装（Ｆ’ｌ、　２１で設定された内容の’　
ｆ＋７報に従ってデータを収録し、ステップ４２による
データの収録完了の確認ののち、ステップ４３及び、４
４で第（１）式に示すＡＲモデル同定および第（４）式
に示す状態空間表現の演算を実行する。また、キーボード１３より入力される船体主要目によっ
て、第５図に示す時間間隔選択が行なわれる。１ずシミ
ュレーションにより船体主妥目と時間間隔についての関
係が把握され、得られた結果をテーブル化したのち計昇
機内部１／Ｃ格納する。ここで、キーインされた船体主ジン目に該当する時間間
隔がテーブルより選択され為。この時間間１′、’；に
従って船舶の１種類による制御信号が発令される。ンミング法により、Ｇｉ＝−（ＦＰｉ−１１＋Ｒ）　Ｆ　Ｐ６□Φ・・・・
・・（８）このシミュレーションをステップ４７により
ｎ回繰返して、造波８向波等のうどもいにより制御モデ
ル及び制御ゲインを更新する。さらにステップ４８で評価関数Ｊ１　の最適重み係数Ｑ
、、Ｒを１１１・＋３選択し、最適ゲイン０３％算出す
る。ついで、ステップ４９により制御１ｊ信号を第（１
０）式で算出する。Ｙｉ＝Ｇ米Ｚｉ　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・　（１０）この制御信号をステップ５０で′市
磁制御回１．！３２３に出力し、ステップ５１で電磁弁
を制御する。４’Ｔびステップ５２で制伺ｊ終了首で、
ステップ４９乃至５１に全る処理をくりかえし実ノ“顧
する。なお、ＣＲＴ表示装置１９には、第（図に示すように設
定針ｉ、Ｌ３．船首方位角、方位角’ｊＡｉ　ｌ支、方
位角感度、舵角、エネルギー増加率＋　ｊｊｉｌｌイ１
１］ｊモード（マニュアル操舵、経労操舵、被制御）：
′Ｃ最小操舵。制御ｉＧ最小操舵、ＰｉＤ操舵など）などを・々ｌ値。あるいは第７図に示すように図形化して表示する。また、ＡＲ型の賜金には制御ゲインなどが灰示され、更
には各４・シの異常に対してはアラーム点灯がなされる
。以上はオートパイロットに自己回帰ハ１店制御を適用し
た例であり、データとして船体・ｊｒＪＪ揺と舵角のデ
ータからＡ　Ｒモデルを作り、制御信号として舵角指令
をイ０て船体動揺と舵角の双方の変動を減少させる例で
あったが、この他の制御対象に対しては次′Ｉセの如き
データとの品、１１合せにより自己回帰モ（第　１　表
）次に、本発明による制御効果の一例を示す。オートパイ
ロットの評価１１コ数の１つとして推進に必要なエネル
ギーの平水中１ｔ■進時からの増加率として定６°ａし
たエネルギー増加率がある。これを用いた実船における
制御効果のＰＩＴ）制ｉ、ｉｌｌに対する比較例を示せ
ば第２表の如くである。エネルギー１’ｉＲ加率：１）＝λ１２＋入２】２＋入
　、　７−／２　（φ）但し、ψ：方位偏差（ｒ　ａ　ｄ）　。 δ：舵角（ｒａｄ）。 γ：、ヅ！Ｈｑ次元方位角速度（ｒ　ａ　ｄ　／　ｓ　
）このように本発明によれば、従来のＬ）　Ｉ　Ｄ制御
に比べて操作量、方位角変動−））とも約λに減少でき
ることが７１ｆｌ：認された。この制ｆｊ＋Ｕ効果と省
エネルギー化の関係と１７て、Ｊｆｂ銘１１．１３力」
こ１失の面で比較七′ｌ討子る。通常のオートパイロッ
トによる。！、￥、船時にｊｊ起される４臣進１１．気
力の４２１４失は、平水直進馬力の２゜３係から極ρ；
、１６な：ｌ′Ｈ，，５合には２０φにも達すると−ｆ
了われている。この馬力損失の？で因は主に方位角変１
・・力による世性抵抗および操舵ｊてよる舵の抵抗の増
加でちり、これらの変動殺の２景に出側して馬力損失が
生じる。本発明によるオートパイロットの有効性を舗認
するため、コンテナ布）を対象とした実時間での制（ｊ
１１シミュレーション及び小型船舶による実船試Ｙ′７
．々を試みたところ、いずれも省エネルギーにつながる
良好な結果の得られることが確認された。寸だ、外乱状
況の変化による制御効率の変化および安定性についても
良好な結果を得ることができた。なお、第１表に示した制御対象の複数を同時に実行する
ことにより、船体動揺を総合的に減少させることができ
、省エネルギー効果を一層高めることができる。〔発明の効果〕以上より明らかなように本発明によれば、制御ゲインの
自動ノチ択および制御モデルの自８ＩＩＩｌ切換えがで
きるようにしたため、自己回帰型制御を用いた船用制御
￥Ｒの実用化が可能になった。また、多変数１１・ｌｌ
　ｉｌｌが可能であるため制御機能の拡張が可能となっ
た。４、　１を」曲のｆシ１゛ｊ単な１悦明第１図は従来の
Ｐ　Ｉ　Ｉ）制イ１１を用いたオートパイロットシステ
ムの一例を示すブロック図、第２１’＜１は自己回帰型
オートパイロットの一例を示すプロ・ツク１゛損、１４
３図は本発明の−、ＪＸ、力旧ンｌを示すブロック図、
第４図は本発明の処３１１Ｑの一例を示すフローチャー
ト、第５図は本発明Ｖ（係る時Ｉ）→ｊｉｉ１１１ζ、
うノ・暑１く処理を示すフローチャー１・、第６図およ
び第７１メ１は本発明における表示の一例を示す両件１
ン１である。２・・・払″・舵装置Ｉ’ｅ　＋　６・・・舵、１１・
・・パスライン。１２・・・入力インターフエイス、１３・・・キーホー
ド、１４・・・ｌ屯Ｏ入１．　１５・・・ＣＰＵ、　１
６・・・Ｒ’ＡＭ、　１７・・・プリンタ、　１８．２
０．２２・・・インターフェイス、１９・・・ＣＲＴ表
示装！ｉｆｆ、。２１・・・フロッピーディスク装置、２３・・・’、”
ｆ　ｍ　弁１ｆｉｉＪ御回路、２０１・・・パワーユニ
ット。２０２・・・サーボ６’Ｈ′！イ１４゜代理人　鵜　沼
　辰　之（ほか１名）貸４　図第　５　：ゴ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　制御対象の制御指令および制御結果をデータと
して自己回帰モデルを作成し、該モデルを状態空間表現
に変換すると共に、・該状態空間表現とダイナミックプ
ログラミングとによって制御則を専出し該制御則に基づ
−て制御指令を生成する自己回帰型舶用制御装置におい
て、前記制御則をシミュレートしながら最適ゲインを選
択する最適ゲイン選択手段と、該手段により得られたＡ
）適ゲインに基づいて前記制御指令を生成する為の制Ｈ
＋４＋信号を生成する制御信号算゛出手段と、・現行′
１ｂｌＪ　イ＋ｉｌｌモデルと最新悄〜′μによる？ｆ
ｌ’制御モデルとのｆｌ；１４御効果を比較して最適な
制御モデルを辷択する選択平段とを具備することを！特
徴とする自己回帰型舶用ｊｌｌｌ　（＋ｉ’ｉ　＝１’
、ｊ置。
（２）　前記データは、船体動揺および舵角を含み、制
御指令として舵角指令を生成することを４′！ｉ−徴と
する特許請求の範囲第１項記載の自己回帰型（Ｊ１１用
制御装置。
（３）前記データは、船体動揺、フィン角および舵角を
含み、制御指令としてフィン角指令および舵角指令を生
成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自
己回帰型舶用制御装置。
（４）前記データは、方位角、２次元座標、スラスクー
回転数、ピッチ角およびプロペラ、回転数。ピッチ角を含み、制御指令としてスラスタ−回転数、ピ
ッチ角およびプロペラ回転数、ピッチ角を生成すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自己回帰型舶
用制？１ｌｌｌ装７１０