JPS60276B2 - 船舶用剛体帆の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、船舶用剛体帆の制御方法に関するものであ
る。

近年、省エネルギー対策の１つとして、船舶に剛体帆を
取付け、風力を船舶の走行に利用する試みがなされてい
る。

尚、ここで云う船舶とは、通常の貨物船、商船は勿論、
自航能力を有しないバージ、はしけ等も含む。本願発明
者等は、先に、特脇昭５３−１０９７５叫号、特磯昭５
３−１１０６２６号、侍顔昭５３一１１１７４３号、特
磯昭５３−１１１７４４号等、船舶用剛体帆に関して種
々の発明をしてきた。

例えば、特糠昭５３−１１１７４４号（以下、先行発明
という）にかかる剛体帆は、第１図の平面図及び第２図
の正面図で示すように、マスト１に固定された中央帆片
２と、中央帆片２の両側に中央帆片２に対して折たたみ
自在に敬付レナた左右両帆片３と、マストーの両側に上
下方向にスライド自在に取付けたスピンドル４と、スピ
ンドル４と左右両帆片３とに両端を夫々上下方向に回動
自在に取付けた複数本のアーム５とを有し、スピンドル
４を上方に移動させることにより、アーム５を介して左
右両帆片３を展開し、スピンドル４を下方に移動させる
ことにより、アーム５を介して左右両帆片３を、第３図
及び第４図に示すように折りたたむようにしたものであ
る。

先行発明の船舶用剛体帆は、上述のように、スピンドル
４を上下動させることによって、容易に展縮できるが、
刻一刻変化する洋上の風速及び風向を把握して、適確か
つ安全に岡山体帆の展縞及び帆角の調整を人手により行
うことは不可能であり、何らかの制御装置が不可欠であ
る。

この発明は、上述のような観点から、刻一刻変化する洋
上の実際の風速値良Ｐち真風速値、および、実際の風向
値則ち真風向値の代りに、船舶上で測定される見鞍の風
速値即ち相対風速値および船舶上で測定される見籍の風
向値即ち相対風向値の測定に基づいて、適確かつ安全に
剛体帆の展縦及び帆角の制御を行なうべくなされたもの
であって、相対風速値および相対風向値をそれぞれ、所
定時間間隔ごとに測定し、前記測定された複数個の相対
風速値および前記測定された複数個の相対風向値を、そ
れぞれ、所定時間間隔ごとに、所定の演算方式に従って
平滑化し、前記平滑化した相対風速値および前記平滑化
した相対風向値を使用して、所定の演算方法に従って真
風速値を演算し、前記平滑化した相対風速値、前記平滑
化した相対風向値および前記演算した真風速値の各々が
、予め設定した展帆可能条件を満足しているか否かを判
定し、前記判定結果に応じて、左右両帆片を辰縮し、前
記左右丙帆片の辰帆時には、前記左右両帆片の推進力が
最大となり、そして、前記左右両帆片の縞帆時には、前
記左右両帆片の風抵抗が最小となるような最適帆角億を
演算し、そして、実際の帆角値が、前記演算された最適
帆角値と一致するように、帆角を制御することに特徴を
有する。

この発明を実施例により図面を参照しながら説明する。

第５図は、この発明にかかる方法を、前述の先行発明に
適用した場合の説明図であり、第１図〜第４図と同一番
号は、同一物を示す。第５図において、６は、風速風向
計、７は、演算処理装置、８は、帆展縮用油圧制御装置
、９は、油圧制御装置８により制御され、スピンドル４
を上下動させる帆展縦用油圧シリンダ、１０は、展帆完
了及び縮帆完了の信号を演算処理装置７に送るリミット
スイッチ、１１は、帆角検出器、１２は、帆駆動制御装
置、１３は、帆旋回用油圧制御装置、そして、１４は、
油圧制御装置１３により制御され、減速ギャ１５を介し
てマスト１を旋回させる帆旋回用油圧モータである。

演算処理装置７は、風速風向計６で計測された相対風速
ｖおよび相対風向８を平滑化処理する。次に、演算処理
装置７は、平滑化した相対風速値と平滑化した相対風向
値とが所定の展帆可能条件を満足しているか否かを判定
し、その判定に応じて帆展縮用油圧制御装置８に対して
、展帆または縦帆の指令信号Ｃ，を出す。帆展縞用油圧
制御装置帆８は、指令信号を受けて、スピンドル４に取
付けられた帆展縞用油圧シリンダ９に油圧を供給する。
かくして、渡縮帆の制御が行なわれる。展帆又は緒帆の
動作が完了すれば、リミットスィット１０が作動し、演
算処理装置７が展帆完了又は縮帆完了の接点信号を受け
て、展縦帆動作の完了の確認する。次に、演算処理装置
７は、平滑化された相対風向値に対して、最適帆角を演
算し、この演算結果を最適帆角億Ｑｒとする。

その際、最適帆角値Ｑｒと帆角検出器１１によって検出
された実際の帆角値Ｑとの偏差ごを求める。帆駆動制御
装置１２は、偏差ごに応じた帆旋回指令信号Ｃ２を帆旋
回用油圧制御装置１３に送る。かくして、帆角が油圧モ
ータ１４及び減速ギャ１５を介して旋回される。以上が
この発明にかかる方法の概略であるが、次に、演算処理
装置７及び帆駆動制御装置１２の機能について説明する
。

第１の機能は、相対風速値及び相対風向値の瞬時値を平
滑化する機能である。

風速風向計６によって得られる相対風速値ｖ及び相対風
向値０‘まかなり高い周波数の変動成分を含んでいるの
で、これを直接制御に用いることは不適当であり、何ら
かの平滑化処理が必要とされる。平滑化の方法は、次の
２通りのいずれかの方法を採用する。平滑化方法１ 一定の測定時間間隔でサンプリングされた相対風速値ま
たは相対風向値の算術平均をとり、それを平滑風速値、
平滑化した相対風向値とする。

演算は次式による。Ｘｎ＝（Ｘ，十×２十……十Ｘｎ−
２十Ｘｎ）／ｎ…｛１）但し、ｘｎ：ｎ個の測定相対風
速値を平滑化した相対風速値、または、ｎ個の測定相対
風向値を平滑化した相対風 向値、 ｘｎ：第ｎ番目の測定相対風速値、また は第ｎ番目の測定相対風向値、 ｘｎ‐２：簾ｎ−１番目の測定相対風速値または第ｎ−
１番目の測定相対風 向値、および、 ｎ：測定値の数。

平滑化方法２ 入力デー外こ１次の遅れ要素をかけて、入力の高周波数
成分をカットし、それを風速、風向の代表値とする。

演算は次式による。ｘｎ＝ｘｎ−２十（ｘｎ−ｘｎ−２
）ｅｘｐ（一Ｑ△ｔ）…‘２１但し、ｘｎ：ｎ個の測定
相対風速値を平滑化し３た相対風速値、または、ｎ個の
測定相対風向値を平滑化した相対風 向値、 ｘｎ‐２三ｎ−１個の測定相対風速値を平滑化した相対
風速値、または、ｎ ４ −１個の測定相対風速値を平滑化 した相対風向値、 ｘｎ：第ｎ番目の測定相対風速値または 第ｎ番目の測定相対風向値、 Ｑ：一次遅れの時定数を決定する係数、 および、 △ｔ：前記相対風速値または前記相対風 向値の測定時間間隔。

相対風速値の平滑化の場合は、上式｛１’，｛２｝し・
ずれもそのまま適用できるが、相対風向値に関しては、
相対風向値が１方向に、即ち、時計回り又は反時計回り
に３６００以上変化した場合には必らず入力データに不
連続点が生じる。

そのため、この発明では、入力データｘｎ，ｘｎ−２等
から演算されるｘｎなる値に対して、上記｛１｝，【２
ー式を適用する。ｘｎを求めるロジックを第６図に示す
。例えば、入力データが−１６００→十１７００という
経路で変化したときには、次に示すように、ｘｎ‐２と
ｘｎに関しては、連続した量に変換される。入力データ
×ｎ‐２＝一１６００→×ｎ＝＋１７０ｏ変換後デ
ータ ｘｎ−２→ｘｎ＝ｘｎ−２一３００尚、第
７図に示すように、入力データｘｉのとり得る範囲は−
１８０ｏ〜十１８０ｏであるが、変換後のデータＸｉで
は上記範囲外の値となることもある。

従って、平滑化された最終結果ｘｎの値が、例えば、一
２０００という値をとった場合は、それを再度十２０ｏ
に変換する。この場合、平滑化の度合は、上記｛１｝，
■式における相対風速値または相対風向値の測定時間間
隔△ｔ、測定値の数ｎ、時定数を決定する係数Ｑの各値
を適当に選択することによって自由に変えることができ
る。第２の機能は、相対風速及び相対風向の状態を調べ
て、風力が船の推進力として安全かつ有利に利用できる
か否かを判定する機能である。

判定条件として、相対風速値と相対風向値に対して、次
の３項目を設定する。（１），平滑化した相対風速値が
２０の／ｓｅｃ以下であるこ。

（即ち、ｖ≦２０肌／ｓｅｃ、但し、ｖ：平滑化した相
対風速値）（０），真風速値が２０の／ｓｅｃ以下であ
ること。

（即ち、ｖｃＳ２０仇／ｓｅｃ、但し、ｖａ：真風速）
（ｍ），相対風向がある程度以上逆風になっていないこ
と。（即ち、８２８ｍｉｎ但し、ａ：平滑化した相対風
向値、および、ａｍｉｎ：剛体帆が効果的な推進力を発
揮しうる前記″ ８″の下限値）相対風速値ｖ、真風速
値ｖａ、平均化された相対風向値ひ及び船遠値ｖｓの関
係を第８図に示す。

さらに、その関係を数式で表わせば次式となる。ｖ２ａ
＝ｖも十ｖ２一かｓｖｃｏｓｏ・・・【３｝上記（１）
及び（ｍ）の条件については、風速風向計によって得ら
れたデータを夫々所定の制限値と比較することによって
容易に判定できる。

（０）の条件では、直接計測ができない真風速値が問題
となっているため、上記｛３’式を利用して、その条件
判定を行なう。この発明では、｛３｝式の真風速度値ｖ
ａに制限値の２０を代入し、それをｖについて解いた次
式を用いる。ｖ＝ｖｓｃｏｓ８十ノーｖもｓｉｎ２０十
２ぴ…｛４１｛４｝式は、ｖａ ＝２０となるときの平
滑化された相対風速値ｖを平均化された相対風速値８お
よび船遠値ｖｓの関係として表わしたものである。

また、（４｝式において、船速値ｖｓを一定値とみなす
ことができる場合には、上記（０）の条件判定は、平滑
化された相対風向値８と平滑化された相対風速値ｖとの
２つの入力によって可能となる。即ち、平滑化された相
対風向値８を上記｛４）式の右辺に代入して得られた値
と、実際に計測され、そして平滑化された相対風速値ｖ
とを比較して、前者が後者より大であれば、上記条件（
０）は満されるわけである。第９図に、上記３つの条件
によって決まる風力利用可能領域を示す。第３の機能は
、平滑化された相対風向値に対して、最適帆角値を算出
する機能である。

最適帆角値算出の際使用する演算式は、第１０図に示す
ように、展帆時と縮帆時とでは異なったものとなってい
る。即ち、辰帆時には、推進力を最大とする帆角値を、
縮帆時には、抵抗を最小とする帆角値を求めることにな
る。第４の機能は、上記最適帆角値と実際の帆角値との
偏差を求め、それに応じて、帆旋回用油圧制御装置１３
に旋回指令を出力する機能で、この際、帆旋回用の油圧
モータ１４をＯＮ−ＯＦＦ動作で帆角制御するときは、
旋回指令は接点出力で行ない、また、油圧モータの速度
操作によって帆角制御するときは、上記偏差に（比例）
、（比例＋積分）又は（比例＋積分十微分）処理を施し
、旋回指令としては、Ｄ／Ａ変換器を通したアナログ出
力とする。

第１１図に、帆角制御のフローチャートを示す。以上説
明したように、この発明によれば、時々刻々変化する洋
上の風速、風向を把握し、適確かつ安全に剛体帆を自動
操作できるといった、きわめて有用な効果がもたらされ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、先行発明の康帆時の剛体帆の平面図、第２図
は、同正面図、第３図は、同縦帆時の平面図、第４図は
、同正面図、第５図は、この発明にかかる方法の１態様
を示す説明図、第６図は、相対風向平滑化前処理ロジッ
クを示す図、第７図は、風向の説明図、第８図は、相対
風速、真風速、相対風向及び船遠の関係を示す図、第９
図は、風力を船の推進力として安全かつ有効に利用でき
る条件を示す図、第１０図は、平滑化された相対風向値
と最適帆角値との関係を示す図、第１１図は、帆角制御
のフローチャートを示す図である。 図面において、１・・・・・・マスト、２・・・・・・
中央帆片、３・・・・・・左右両帆片、４…・・・スピ
ンドル、５・・・・・・アーム、６…・・・風速風向計
、７…・・・演算処理装置、８・・・・・・油圧制御装
置、９・・・・・・油圧シリンダ、１０・・・・・・リ
ミットスイッチ、１・１・・・・・・帆角検出器、１２
・・・・・・帆駆動制御装置、１３・・・・・・油圧制
御装置、１４・・・・・・油圧モータ、１５・・・・・
・減速ギヤ。 第１図 第２図 第３図 第４図 幕５図 精６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 船舶の甲板上の回転可能なマストに、展縮可能に取
   付けられた、前記マストと共に回転する少なくとも左右
   両帆片からなる、船舶用剛体帆の制御方法において、
   相対風速値および相対風向値を、それぞれ、所定時間間
   隔ごとに測定し、前記測定された複数個の相対風速値お
   よび前記測定された複数個の相対風向値を、それぞれ、
   所定時間間隔ごとに平滑化し、前記平滑化した相対風速
   値および前記平滑化した相対風向値を使用して真風速値
   を演算し、前記平滑化した相対風速値、前記平滑化した
   相対風向値および前記演算した真風速値の各々が、下記
   条件（I）から（III）の展帆可能条件を満足しているか
   否かを判定し、（I） ｖ≦２０ｍ／ｓｅｃ 但し、ｖ：前記平滑化した相対風速値、（II） ｖａ
   ≦２０ｍ／ｓｅｃ 但し、ｖａ：前記演算した真風速値、 および、 （III） θ≧θｍｉｎ． 但し、θ：前記平滑化した相対風向値、および、θｍ
   ｉｎ．：前記剛体帆が効果的な推進力を発揮しうる前記
   “θ”の下限値、 前記判定結果に応じて、前記左右両
   帆片を展縮し、前記左右両帆片の展帆時には、前記左右
   両帆片の推進力が最大となり、前記左右両帆片の縮帆時
   には、前記左右両帆片の風抵抗が最小となるような最適
   帆角値を演算し、そして、実際の帆角値が、前記演算さ
   れた最適帆角値と一致するように帆角を制御する、こと
   を特徴とする、船舶用剛体帆の制御方法。