(57)【要約】【課題】  ユーザが制御パラメータの調整を容易に実施することが可能となる制御調整装置を提供する。【解決手段】  対象物と、対象物の駆動装置と、駆動装置を制御パラメータに基づいてフィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御する制御部と、を有するシステムの制御パラメータを調整するための制御調整装置であって、ユーザがシステムの目標応答特性を示す情報を入力するための操作入力部と、目標応答特性を示す情報に基づいてシステムの目標モデルを算出する第１演算部と、システムの目標モデルとシステムの入出力時系列データとを用いて最適化計算を行い、複数の制御パラメータを算出する第２演算部と、算出された制御パラメータを制御部に適用するパラメータ適用部と、を備えている。【選択図】  図１
2020187469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物と、この対象物の位置及び／又は姿勢を変更させる駆動装置と、前記対象物を目標位置及び／又は目標姿勢となるように前記駆動装置を制御パラメータに基づいてフィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御することにより自動運転を行う制御部と、を有するシステム、の前記制御パラメータを調整するための制御調整装置であって、
ユーザが前記システムの目標応答特性を示す目標応答特性指定情報を入力するための操作入力部と、
前記操作入力部から入力される前記目標応答特性指定情報に基づいて前記システムの目標モデルを算出する第１演算部と、
前記第１演算部で算出された前記システムの目標モデルと、前記システムの入出力時系列データとを用いて最適化計算を行い、前記フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御を行うための複数の制御パラメータを算出する第２演算部と、
前記第２演算部で算出された制御パラメータを前記制御部に適用するパラメータ適用部と、
を備えた制御調整装置。
【請求項２】
前記第１演算部で算出された前記システムの目標モデルにステップ入力またはランプ入力があった場合の出力波形データを算出する波形データ算出部と、
前記波形データ算出部で算出された出力波形データを画面にグラフ表示する表示部と、
をさらに備えた請求項１に記載の制御調整装置。
【請求項３】
前記入出力時系列データを複数記憶しているデータ記憶部と、
前記複数の入出力時系列データを周波数解析し、この解析結果と、前記第１演算部で算出された前記システムの目標モデルの特性とに基づいて、前記データ記憶部に記憶されている前記複数の入出力時系列データの中から前記第２演算部の最適化計算で用いる入出力時系列データを選択するデータ選択部と、
をさらに備えた請求項１または２に記載の制御調整装置。
【請求項４】
前記入出力時系列データを新たに取得するために前記対象物の位置及び／又は姿勢を変更させる実験を行うための実験条件を予め記憶している実験条件記憶部と、
前記実験条件記憶部に記憶されている実験条件に基づいて前記制御部に自動運転を行わせ、このときの前記入出力時系列データを取得する実験実施部と、
をさらに備えた請求項１〜３のいずれかに記載の制御調整装置。
【請求項５】
前記第２演算部で複数の制御パラメータが算出されるたびに、この複数の制御パラメータをセットにして記憶するパラメータセット記憶部と、
前記パラメータセット記憶部に記憶されている複数のセットの中からユーザが１つまたは複数の前記セットを選択するためのパラメータセット選択操作部と、
前記パラメータセット選択操作部で選択されたそれぞれの前記セットに含まれる複数の制御パラメータを前記フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御に用いたときの前記対象物の挙動を求めるためのシミュレーションを行うシミュレーション部と、
前記シミュレーション部で求められた前記対象物の挙動を画面に表示する表示部と、
をさらに備えた請求項１〜４のいずれかに記載の制御調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動操船システム等に用いられる制御調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
調査船や作業船などの船舶は、その作業目的のため高精度な位置決め性能等が要求される。一方で、船には風や波、潮流といった外乱が作用するため、オペレータが手動で船を所望の位置、姿勢になるように操船することは非常に難しい。そのため、ＧＰＳやジャイロなどの各種センサの信号に基づいて、複数のスラスタを一括で制御し、船位・船首方位角を自動操船するＤＰＳ（Dynamic Positioning System）と呼ばれる自動操船システムを搭載することも増えている。このような自動操船システムの主な機能には、あらかじめ指定された経路に追従するように船舶を位置制御するルートトラック機能と、指定された地点で船位と船首方位角を保持する定点保持機能とがあり、これらの自動操船は主にＰＩＤ制御によって行われる。例えば、特許文献１には、作業船を定点保持する定点保持制御装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１８８０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の自動操船システムでは、船体及び搭載機器の特性の経年変化等によって制御パラメータの調整（変更）が必要になる。従来、このような制御パラメータの調整をユーザが行うことは難しく、メーカの担当者が乗船して実施していた。このように、制御パラメータの調整を行うことがユーザにとって難しいという問題は、船舶等の移動体の他、産業用ロボット等にも存在する。
【０００５】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ユーザが制御パラメータの調整を容易に実施することが可能となる制御調整装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のある態様に係る制御調整装置は、対象物と、この対象物の位置及び／又は姿勢を変更させる駆動装置と、前記対象物を目標位置及び／又は目標姿勢となるように前記駆動装置を制御パラメータに基づいてフィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御することにより自動運転を行う制御部と、を有するシステム、の前記制御パラメータを調整するための制御調整装置であって、ユーザが前記システムの目標応答特性を示す目標応答特性指定情報を入力するための操作入力部と、前記操作入力部から入力される前記目標応答特性指定情報に基づいて前記システムの目標モデルを算出する第１演算部と、前記第１演算部で算出された前記システムの目標モデルと、前記システムの入出力時系列データとを用いて最適化計算を行い、前記フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御を行うための複数の制御パラメータを算出する第２演算部と、前記第２演算部で算出された制御パラメータを前記制御部に適用するパラメータ適用部と、を備えている。
【０００７】
この構成によれば、ユーザは、目標伝達関数等のシステムの目標モデルを直接設定するのではなく、ユーザが理解しやすい目標応答特性指定情報を設定すればよいので、ユーザが制御パラメータの調整を容易に実施することが可能となる。
【０００８】
また、前記第１演算部で算出された前記システムの目標モデルにステップ入力またはランプ入力があった場合の出力波形データを算出する波形データ算出部と、前記波形データ算出部で算出された出力波形データを画面にグラフ表示する表示部と、をさらに備えていてもよい。このように、目標応答特性指定情報に対応するシステムの目標モデルのステップ応答またはランプ応答の波形がグラフ表示されることにより、ユーザが制御パラメータの調整をより容易に実施することが可能となる。
【０００９】
また、前記入出力時系列データを複数記憶しているデータ記憶部と、前記複数の入出力時系列データを周波数解析し、この解析結果と、前記第１演算部で算出された前記システムの目標モデルの特性とに基づいて、前記データ記憶部に記憶されている前記複数の入出力時系列データの中から前記第２演算部の最適化計算で用いる入出力時系列データを選択するデータ選択部と、をさらに備えていてもよい。
【００１０】
また、前記入出力時系列データを新たに取得するために前記対象物の位置及び／又は姿勢を変更させる実験を行うための実験条件を予め記憶している実験条件記憶部と、前記実験条件記憶部に記憶されている実験条件に基づいて前記制御部に自動運転を行わせ、このときの前記入出力時系列データを取得する実験実施部と、をさらに備えていてもよい。これにより、実験条件を設定するユーザの手間を軽減することができる。
【００１１】
また、前記第２演算部で複数の制御パラメータが算出されるたびに、この複数の制御パラメータをセットにして記憶するパラメータセット記憶部と、前記パラメータセット記憶部に記憶されている複数のセットの中からユーザが１つまたは複数の前記セットを選択するためのパラメータセット選択操作部と、前記パラメータセット選択操作部で選択されたそれぞれの前記セットに含まれる複数の制御パラメータを前記フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御に用いたときの前記対象物の挙動を求めるためのシミュレーションを行うシミュレーション部と、前記シミュレーション部で求められた前記対象物の挙動を画面に表示する表示部と、をさらに備えていてもよい。これにより、ユーザは、任意のパラメータセットを用いた場合の対象物の挙動を確認できる。また、パラメータセットを複数選択することで、それぞれのパラメータセットを用いた場合の対象物の挙動を比較することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上に説明した構成を有し、ユーザが制御パラメータの調整を容易に実施することが可能となる制御調整装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態の制御調整装置を有する自動操縦システムの一例である自動操船システムの概要を示す図である。
【図２】図２は、本実施形態において自動制御調整を行う際の制御器の処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、図２の目標伝達関数の準備処理の詳細の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、図２の操船データの準備処理の詳細の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、制御器による一部の演算手順等を示すブロック図である。
【図６】図６は、操作表示器の表示画面の一例を示す図である。
【図７】図７は、操作表示器の表示画面の一例を示す図である。
【図８】図８は、操作表示器の表示画面の一例を示す図である。
【図９】図９は、操作表示器の表示画面の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、操作表示器の表示画面の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、操作表示器の表示画面の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、ユーザ要求に応じたグラフを表示するための方法を示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）は、目標伝達関数の周波数特性の一例を示すゲイン線図であり、図１３（Ｂ）では、２つの操船データを周波数解析したパワースペクトル密度のグラフを示す図である。
【図１４】図１４は、シミュレーションに用いる船体運動モデルを説明するための図である。
【図１５】図１５は、一般的なコントローラとプラントを含む閉ループシステムを示す図である。
【図１６】図１６は、図１５の１つのコントローラを３つのコントローラに分割した場合の想定図である。
【図１７】図１７は、船首方位角のみに注目した閉ループシステムを示す図である。
【図１８】図１８は、閉ループシステムにおいて初期実験の状態を示す図である。
【図１９】図１９は、シミュレーションにより求められた応答特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略することがある。また、図面は理解しやすくするために、模式的に示したもので、正確な表示ではない場合がある。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００１５】
（実施形態）
図１は、本実施形態の制御調整装置を有する自動操縦システムの一例である自動操船システムの概要を示す図である。
【００１６】
図１の自動操船システムは、例えば調査船や作業船等の船舶に備えられている。この自動操船システムは、操作表示器１と、制御器２Ａと、推力配分部４と、複数のスラスタ等からなるアクチュエータ部５と、船のダイナミクス（プラント）６と、センサ部７とからなる。
【００１７】
この自動操船システムが備えられた船舶は、推進装置となるアクチュエータ部５として、船底に旋回可能な複数のスラスタが設けられている。また、センサ部７として、ＧＰＳ（Global Positioning System）などの船の位置を測定する測位装置、船首方位角を測定するジャイロセンサ、風向風速計、潮流計等を備えている。
【００１８】
操作表示器１は、ＧＵＩ等を用いて構成され、ユーザの操作によって指令等を制御器２Ａへ入力することができる操作入力器と、制御器２Ａから出力される情報等を画面に表示することができる表示器とを備えている。
【００１９】
制御器２Ａは、自動操船を行う際にＰＩＤ制御などのフィードバック制御を行う操船用コントロール部３と、操船用コントロール部３のＰＩＤ制御などの制御パラメータを調整するための制御調整用コントロール部２と、記憶部２Ｍとを含む。制御器２Ａは、例えば、マイクロコントローラ、ＭＰＵ、ＰＬＣ、論理回路等で構成することができる。なお、制御器２Ａは、集中制御する単独の制御器によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御器によって構成されていてもよい。
【００２０】
操船用コントロール部３の制御によってルートトラック機能及び定点保持機能の自動操船（自動運転）を行うことができる。つまり、操作表示器１によって指定された経路に追従するように船の位置及び姿勢（船首方位角）を制御する自動操船が行われる（ルートトラック機能）。また、操作表示器１によって指定された地点で船の位置及び姿勢（船首方位角）を保持する定点保持動作が行われる（定点保持機能）。
【００２１】
自動操船が行われる際には、操作表示器１から操船用コントロール部３へ、例えば、船を移動させるための目標となる船の位置及び船首方位角の指令値（目標値）Ｓａが出力される。ここで、操船用コントロール部３から推力配分部４への出力Ｓｂは、合力および合モーメント指令値（前進方向力指令値、左右方向力指令値、回頭モーメント指令値）である。また、推力配分部４からアクチュエータ部５への出力Ｓｃは、各アクチュエータ（スラスタ）への指令値（各スラスタの回転数指令値および旋回角指令値）である。
【００２２】
また、アクチュエータ部５から船のダイナミクス６への出力Ｓｄは、アクチュエータの実出力、合力及び合モーメント（各スラスタの実回転数及び実旋回角、各スラスタの実推力のうち前進方向成分の和、各スラスタの実推力のうち左右方向成分の和、各スラスタの実推力による回頭モーメントの和）である。
【００２３】
また、船のダイナミクス６からセンサ部７への出力Ｓｅは、実際の船の位置及び船首方位角である。また、センサ部７の出力Ｓｆは、各センサの測定値（ＧＰＳ等の測位装置で測定された船の位置、ジャイロセンサ等で測定された船首方位角、風向風速計等で測定された風向及び風速、潮流計等で測定された潮流速度及び潮流方向）である。また、外乱（潮流、風、波）が船のダイナミクス６及びセンサ部７へ入力される。
【００２４】
なお、図１では明示されていないが、制御調整用コントロール部２は、操船用コントロール部３の出力Ｓｂ、アクチュエータ部５の出力Ｓｄおよびセンサ部７の出力Ｓｆを取得し、それぞれの時系列データを操船データとして、記憶部２Ｍに記憶するよう構成されている。さらに、制御調整用コントロール部２は、操船用コントロール部３への入力指令値Ｓａおよび推力配分部４の出力Ｓｃも取得し、それぞれの時系列データを記憶部２Ｍに記憶するよう構成されている。
【００２５】
本実施形態では、操船用コントロール部３に設定されている制御パラメータ（ゲイン）を、ユーザが容易に調整（変更）できる制御調整装置を有している。この制御調整装置は、操作表示器１と制御器２Ａの制御調整用コントロール部２とで構成される。これについて、以下に詳しく説明する。なお、制御調整用コントロール部２は、第１、第２演算部、波形データ算出部、パラメータ適用部、データ選択部、実験実施部、シミュレーション部等として機能する。また、操作表示器１は、表示部、操作入力部、パラメータセット選択操作部等として機能する。
【００２６】
図２は、本実施形態において自動制御調整を行う際の制御器２Ａ（制御調整用コントロール部２）の処理の一例を示すフローチャートである。また、図３は、図２の目標伝達関数の準備処理（ステップＳ２）の詳細の一例を示すフローチャートであり、図４は、図２の操船データの準備処理（ステップＳ３）の詳細の一例を示すフローチャートである。
【００２７】
まず、概略を説明する。例えば、ユーザが操作表示器１を操作して、操作表示器１から制御調整指令を制御器２Ａへ入力する（ステップＳ１でＹｅｓ）。制御器２Ａでは、制御調整指令を入力すると、制御パラメータを算出する際に用いる目標伝達関数と操船データとを準備する処理を行う（ステップＳ２，Ｓ３）。次に、制御器２Ａは、ステップＳ２，Ｓ３で準備された目標伝達関数と操船データとを用いて複数の制御パラメータ（制御パラメータセット）を算出する（ステップＳ４）。このステップＳ４で算出された制御パラメータセットは、後述の処理Ｓ５（ステップＳ５１〜Ｓ５７）において、パラメータ一覧表に追加（記憶）する（ステップＳ５１）。パラメータ一覧表は、制御器２Ａの記憶部２Ｍに記憶されている。また、後述の処理Ｓ５において、パラメータ一覧表の中からユーザによって指定された制御パラメータセットの各制御パラメータが、操船用コントロール部３の制御パラメータとして設定される（ステップＳ５４）。
【００２８】
次に、ステップＳ２（目標伝達関数の準備処理）の詳細の一例について、図３を用いて説明する。
【００２９】
例えば、ユーザの操作表示器１の操作によって、制御器２Ａが操作表示器１に目標伝達関数の準備画面を表示させる（ステップＳ２１）。
【００３０】
ここで、ユーザは操作表示器１を操作して、目標応答特性（以下、「目標特性」ともいう）を指定するためのデータ（目標特性データ）を新たに設定することもできるし、今までに記憶されている目標特性データを指定することもできる。目標特性データは、例えば、立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間などの目標応答特性に関するデータであり、目標特性データは記憶部２Ｍ内の目標特性データ一覧表に記憶されている。
【００３１】
目標特性データを新たに設定する場合には（ステップＳ２２でＹｅｓ）、ステップＳ２３へ進む。一方、新たに設定しない場合には（ステップＳ２２でＮｏ）、ステップＳ２８へ進む。
【００３２】
ステップＳ２１で、目標伝達関数の準備画面として、例えば、図６に示す画面を表示させた場合には、ステップＳ２２でＹｅｓとしてステップＳ２３へ進むことができる。また、ステップＳ２１で、目標伝達関数の準備画面として、例えば、図１０に示す画面を表示させた場合には、ステップＳ２２でＮｏとしてステップＳ２８へ進むことができる。図６、図１０の詳細は後述する。
【００３３】
ステップＳ２３では、制御器２Ａは、ユーザの操作表示器１の操作によって、立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間などの目標特性データ（以下、「ユーザ要求」ともいう）が入力されると（ステップ２３でＹｅｓ）、制御器２Ａは、ユーザ要求を時定数などのパラメータに変換し、ユーザ要求に応じた伝達関数（目標伝達関数）を算出する（ステップＳ２４）。
【００３４】
次に、制御器２Ａは、目標伝達関数のステップ応答の時系列データを算出し、それをステップ応答波形のグラフとして、操作表示器１の表示画面に表示させる（ステップＳ２５）。なお、ステップ応答に代えて、例えば、ランプ応答の時系列データを算出し、ランプ応答波形のグラフを操作表示器１の表示画面に表示させるようにしてもよい。
【００３５】
ユーザは、表示されたステップ応答波形（またはランプ応答波形）が適切であるか否かを判断することで、間接的に目標伝達関数が適切であるか否かを判断することができる。そして、そのときの目標伝達関数を適切でないと判断すれば、操作表示器１を操作して異なるユーザ要求を入力することができる（ステップＳ２６でＮｏ）。また、ユーザは、表示されたステップ応答波形が適切であると判断すれば、操作表示器１を操作して、そのときの目標伝達関数を記憶させることができる（ステップＳ２６でＹｅｓ）。これにより、制御器２Ａは、ステップＳ２４で算出した目標伝達関数を記憶部２Ｍに記憶する（ステップＳ２７）。このとき、制御器２Ａは、目標伝達関数に対応する目標特性データ（ユーザ要求）を目標伝達関数と対応付けて記憶部２Ｍ内に記憶する。目標特性データは目標特性データ一覧表に記憶される。
【００３６】
次に、ステップＳ２８では、制御器２Ａは、目標特性データ一覧表を操作表示器１の表示画面に表示させる。ユーザは、この表示された一覧表から１つの目標特性データを選択することができ、所望する１つの目標特性データを選択することにより（ステップＳ２９でＹｅｓ）、選択された目標特性データに対応する目標伝達関数がステップＳ４（図２）で制御パラメータを算出する際に用いられる。
【００３７】
次に、ステップＳ３（操船データの準備処理）の詳細の一例について、図４を用いて説明する。
【００３８】
例えば、ユーザの操作表示器１の操作によって、制御器２Ａが操作表示器１に操船データの準備画面を表示させる（ステップＳ３１）。
【００３９】
ここで、ユーザは操作表示器１を操作して、自動操船実験を実施して操船データを新たに取得することもできるし、今までに記憶されている操船データを指定してステップＳ４で用いることもできる。今までの操船データは、記憶部２Ｍ内の操船データ一覧表に記憶されている。
【００４０】
自動操船実験を実施する場合には、ユーザは、操作表示器１を操作して、例えば、船舶を移動させる目標位置（移動方位および移動距離）などの実験条件を入力し、実験開始操作を行うと（ステップＳ３２でＹｅｓ）、制御器２Ａは、実験条件に応じた自動操船実験を実施する（ステップＳ３３）。この際、制御調整用コントロール部２は、操船用コントロール部３に実験条件に基づく自動操船を行わせる。そして、制御器２Ａ（制御調整用コントロール部２）は、実験中に取得される時系列データからなる操船データを記憶部２Ｍ内の操船データ一覧表に記憶する（ステップＳ３４）。
【００４１】
ステップＳ３１で、操船データの準備画面として、例えば、図７に示す画面を表示させた場合には、ステップＳ３２でＹｅｓとしてステップＳ３３へ進むことができる。また、ステップＳ３１で、操船データの準備画面として、例えば、図１０に示す画面を表示させた場合には、ステップＳ３２でＮｏとしてステップＳ３５へ進むことができる。図７、図１０の詳細は後述する。
【００４２】
ステップＳ３５では、制御器２Ａは、操船データ一覧表を操作表示器１の表示画面に表示させる。ユーザは、この表示された一覧表から１つの操船データを選択することができ、所望する１つの操船データを選択することにより（ステップＳ３６でＹｅｓ）、選択された操船データがステップＳ４で制御パラメータセットを算出する際に用いられる。
【００４３】
そして、図２のステップＳ４では、制御器２Ａは、ステップＳ２，Ｓ３で準備された目標伝達関数と操船データとを用いて複数の制御パラメータ（制御パラメータセット）を算出する。この算出方法としては、ＦＲＩＴ（Fictitious Reference Iterative Tuning）、ＩＦＴ（Iterative Feedback Tuning）、ＶＲＦＴ（Virtual Reference Feedback Tuning）、などの手法を用いることができる。これらのＦＲＩＴ、ＩＦＴ、ＶＲＦＴは、ＰＩＤ制御などの調整可能な制御パラメータをもつ制御部（図１では操船用コントロール部３）に対して、得られた入出力データ（操船データ）を用いて、調整後の応答が目標応答に近づくように制御パラメータを調整する方法として知られている。本例では、例えばＦＲＩＴを用い、評価関数が所定の最適化アルゴリズムによって最小化され、目標応答を満たす制御パラメータが算出される。
【００４４】
そして、処理Ｓ５では、制御器２Ａは、ステップＳ４で算出した制御パラメータセットを、パラメータ一覧表に追加（記憶）する（ステップＳ５１）。
【００４５】
次に、ユーザは、操作表示器１の操作によって操作表示器１の表示画面にパラメータ一覧表を表示させることができ、その表示されたパラメータ一覧表の中から１つまたは複数の制御パラメータセットを選択操作して制御器２Ａに船体運動シミュレーションを実施させることができる。制御器２Ａは、船体運動シミュレーションを実施する場合には（ステップＳ５２でＹｅｓ）、１つまたは複数の制御パラメータセットが選択されると（ステップＳ５５でＹｅｓ）、選択された制御パラメータセットを用いて船体運動シミュレーションを実施し、その結果を操作表示器１の表示画面に表示させる（ステップＳ５６）。この船体運動シミュレーションは、繰り返し実施することが可能である。
【００４６】
また、ユーザは、船体運動シミュレーションを実施しない場合には、パラメータ一覧表から１つの制御パラメータセットを選択して適用操作する。制御器２Ａは、船体運動シミュレーションを実施しない場合（ステップＳ５２でＮｏ）、１つの制御パラメータセットが選択されて適用操作が行われると（ステップＳ５３でＹｅｓ）、その選択された制御パラメータセットの各制御パラメータを、操船用コントロール部３にその制御パラメータとして適用する（ステップＳ５４）。
【００４７】
図５は、制御器２Ａによる一部の演算手順等を示すブロック図である。制御器２Ａは、第１演算部２０１および第２演算部２０２を有している。第１演算部２０１では、ユーザ要求（目標特性データ）に応じた目標伝達関数を算出する（ステップＳ２４）。この目標伝達関数は、目標特性データとともに記憶部２Ｍに記憶された後、第２演算部２０２で用いられる。第２演算部２０２では、記憶部２Ｍから選択されて読みだされる目標伝達関数と操船データとに基づいて、ＦＲＩＴ等によって、制御パラメータセットを算出し（ステップＳ４）、記憶部２Ｍに記憶する（ステップＳ５１）。なお、本実施形態では、第１演算部２０１において、プラント（船のダイナミクス６）の情報（例えば、プラントの伝達関数）を含んだ目標伝達関数を算出するようにしている。すなわち、プラントの伝達関数を加味した目標伝達関数を算出する。
【００４８】
記憶部２Ｍは、第１〜第４記憶領域ｍ１〜ｍ４を有している。第１記憶領域ｍ１には、第１演算部２０１で算出された目標伝達関数と、その算出に用いた目標特性データとが対応付けられて記憶される。また、目標特性データは、一覧表として記憶される。この一覧表は、例えば、図８の目標特性データ一覧表３１として例示されるように、目標特性データ（例えば、立ち上がり時間、オーバーシュート量及び整定時間）と、目標特性データの識別情報（目標特性Ｎｏ．）と、目標特性データの作成日時などが記憶される。また、ユーザのコメント等を「備考」欄に記憶させることができる。
【００４９】
また、第２記憶領域ｍ２には、実際の運用中に取得した操船データおよび自動操船実験で取得した操船データが一覧表として記憶される。この一覧表は、例えば、図９の操船データ一覧表４１として例示されるように、操船データと、操船データの識別情報（操船データＮｏ．）と、操船データの記録開始日時などとともに記憶される。なお、操船データの殆どのデータは、表示される一覧表４１には載せられないが記憶されている。また、ユーザのコメント等を「備考」欄に記憶させることができる。
【００５０】
また、第３記憶領域ｍ３には、第２演算部２０２で算出された複数の制御パラメータからなる制御パラメータセットが一覧表として記憶される。この一覧表は、例えば、図１１のパラメータ一覧表６１として例示されるように、制御パラメータセット（例えば、比例ゲインＫｐ，積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄ）と、制御パラメータセットの識別情報（制御パラメータＮｏ．）と、制御パラメータセットの作成日時と、制御パラメータセットの算出に使用された操船データの識別情報（操船データＮｏ．）及び目標伝達関数に対応する目標特性データの識別情報（目標特性Ｎｏ．）などが記憶される。また、ユーザのコメント等を「備考」欄に記憶させることができる。
【００５１】
また、第４記憶領域ｍ４には、上記以外で予め記憶されている情報や必要となる全ての情報が記憶されるものとする。なお、記憶部２Ｍは、１つの記憶媒体を用いて構成されてもよいし、複数の記憶媒体を用いて構成されてもよい。
【００５２】
なお、図２〜図４のフローチャートに示した順序等は一例にすぎず、操作表示器１の構成及び操作手順等によって種々変更される。
【００５３】
次に、操作表示器１の構成及び操作方法の一例について説明する。図６〜図１１はそれぞれ、ユーザの制御調整指令の入力操作（例えばステップＳ１）によって表示される操作表示器１の表示器画面１Ｇの表示例を示す図である。なお、以下で述べるこれらの画面上での操作は、操作表示器１に備えられているマウス等の操作入力器を操作して行うことができる。
【００５４】
図６の表示器画面１Ｇには、目標特性設定タブｔ１が選択操作（クリック）されて目標特性の設定画面が表示されている。
【００５５】
ユーザは、スライダ１１，１２，１３の位置を左右に操作して希望する目標特性データ（立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間）を調整ないし設定することができる。ここで、画面に表示されている、立ち上がり時間及び整定時間それぞれの「速」、「遅」及びオーバーシュートの「大」、「小」の文字にマウスオーバーすると、スライダ１１，１２，１３を操作したときのメリット、デメリット等の説明をポップアップ表示して、ユーザに教示するようにしてもよい。例えば、立ち上がり時間の「速」にマウスオーバーすると、「応答が早くなるが、スラスタの負荷が大きくなる」というような説明をポップアップ表示する。
【００５６】
また、ここでは、スライダ１１，１２，１３の位置で示される目標特性データ（ユーザ要求）に応じたステップ応答特性をグラフｇ１で表示するようにしている。このステップ応答特性は、目標特性データに対応する目標伝達関数のステップ入力による応答特性である。また、グラフｇ１で示されるステップ応答特性のときの推力の変化をグラフｇ２で表示するようにしている。なお、グラフｇ２は、推力に代えて、合力、合モーメント、またはスラスタの回転数などを表示するようにしてもよい。また、これらを切り替えて表示するようにしてもよい。また、グラフｇ２には、推力（またはスラスタの回転数など）の最大定格を示す線１７を表示し、表示値が最大定格より大きい場合に警告を表示するようにしてもよい。これらのグラフｇ１，ｇ２の出力波形データは制御器２Ａで算出される。
【００５７】
これらのグラフｇ１，ｇ２は、スライダ１１，１２，１３の位置を動かすと、その位置に応じて変化するようになっている。よって、ユーザは、グラフｇ１，ｇ２を見ながらスライダ１１，１２，１３を動かし、グラフｇ１，ｇ２に所望する応答特性が表示されているときに、保存ボタン１５をクリックして目標特性データと目標伝達関数とを保存（記憶部２Ｍに記憶）することができる。この保存するときに、コメント等（例えば、調整する方向、意図など）を併せて保存するようにしてもよい。
【００５８】
また、ユーザが読込ボタン１４をクリックして、作成済みの目標特性データを読み込んで、グラフｇ１，ｇ２に表示させ、このグラフ上で比較できるようにしてもよい。この際、読込ボタン１４をクリックしたときに、例えば図８に示されるような目標特性データ一覧表３１がポップアップ表示され、その一覧表３１から読み込む目標特性データを選択できるようにしてもよい。
【００５９】
以上のように、ユーザは、目標伝達関数を直接設定するのではなく、ユーザが理解しやすい目標特性データ（目標応答特性指定情報）を設定すればよい。設定しようとする目標特性データに対応する目標伝達関数に応じて、グラフｇ１のようにステップ応答等の波形が表示される。よって、ユーザが制御パラメータの調整を容易に実施することが可能となる。なお、ステップ応答に代えて、ランプ応答の波形が表示されるようにしてもよい。
【００６０】
また、本例において、ユーザが高度な設定ボタン１６をクリックすると、ポップアップウインドウを開いて目標伝達関数の種類を切り替えられるようにしてもよい。例えば、目標値追従効果に優れた相補感度関数と外乱抑制効果に優れた感度関数とを切り替えられるようにしてもよい。また、ユーザが直接、目標伝達関数を指定することができるようにしてもよい。また、ユーザがステップ入力からランプ入力に変更してランプ応答特性をグラフｇ１に表示できるようにしてもよい。
【００６１】
図１２は、ユーザ要求（スライダ１１，１２，１３の位置）に応じたグラフｇ１を表示するための方法を示す図である。なお、以下では、「制御パラメータセット」を「パラメータセット」と略記する場合がある。
【００６２】
制御器２Ａは、図１２に示すようなパラメトライズされた伝達関数Ｇ（ｓ；ρ）を記憶している。そして、ユーザ要求と一致または最も近い応答となるようなパラメータセットρを最適化計算により求める。具体的には、制御器２Ａは、伝達関数Ｇに用いられる多数のパラメータセットρ（ρ１，ρ２，ρ３，・・・，ρＮ，・・・）を記憶している。これらの各パラメータセットを順番に伝達関数Ｇに代入して、そのステップ応答波形の立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間を繰り返し演算する。そして算出される立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間がユーザ要求と一致または最も近くなるステップ応答波形をグラフｇ１に表示する。図１２では、パラメータセットρＮ（＝ρ＊）を用いたときにユーザ要求と一致することが示されている。
【００６３】
また、グラフｇ２について説明すると、制御器２Ａは、伝達関数Ｇと同じ制御パラメータ（ρ）でパラメトライズされた伝達関数Ｈ（ｓ；ρ）を記憶しており、上述で求められたパラメータセットρＮ（＝ρ＊）を代入したときに得られる応答波形をグラフｇ２に表示する。
【００６４】
なお、図６では、ユーザ要求の設定値をスライダ１１，１２，１３の位置で指定するようにしたが、ユーザ要求の設定値を数値で直接入力できるようにしてもよい。また、ユーザ要求の設定項目として、ここでは、立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間を例示したが、例えば定常偏差など他の設定項目を設けてもよいし、設定項目の個数を増減できるようにしてもよい。
【００６５】
次に、図７の表示器画面１Ｇには、操船設定タブｔ２が選択操作（クリック）されて自動操船実験の設定画面が表示されている。
【００６６】
ユーザは、テーブル２１に自動操船実験の実験条件を入力（記入）する。テーブル２１の「方向」の欄には船の移動方向が記入され、「幅」の欄には船を移動させる最終値が記入される。テーブル２１に記入された数字は正確なものではないが、例えば、１行目では、前後の方向に１０〔ｍ〕移動させることが記入されている。これは、前方へ１０〔ｍ〕移動させることを意味する。例えば後方へ移動させる場合には、「幅」の欄に、マイナスの数値（例えば、−１０〔ｍ〕）を記入する。また、３行目の回頭の場合、その説明用のグラフ７０に示されるように、「幅」の欄の２０〔ｄｅｇ〕は、回頭する角度（最終値）が記入され、「レート」の欄の１〔ｄｅｇ／ｓ〕は、グラフ７０の傾きを示している。テーブル２１の「タイプ」の欄の１行目と３行目に記入されている「目標値」は、それが図１の指令値Ｓａとして与えられることを示している。
【００６７】
また、テーブル２１の２行目には、外乱（「タイプ」の欄に記入）を想定した場合に、左右方向のうち例えば右方向へ１０００〔Ｎ〕の推力を与えることが記入されている。なお、左方向への推力を与える場合には、例えば、推力がマイナスの数値で記入される。
【００６８】
なお、図７に示されたテーブル２１は、テーブル２１の記入方法を説明するために示されたものであり、このテーブル２１内の数値が正しいものとは限らない。また、このようなテーブル２１に限られるものではなく、実験条件を入力できるものあればよい。
【００６９】
そして、ユーザがテーブル２１に実験条件を入力し、実験条件読込ボタン２２をクリックし、実験開始ボタン２６をクリックすると、自動操船実験が開始される。実験中には、グラフｇ３で示すように、船の実験開始位置及び姿勢、現在位置及び姿勢、目標位置及び姿勢を表示するとともに、開始位置と目標位置とを結ぶ線（例えば破線等）を表示するようにしている。また、実験時間の残り時間を表示する。また、現在の船の位置、船首方位及び船速などの情報を表示するようにしてもよい。なお、実験開始前（例えば、実験条件読込ボタン２２をクリックしたとき）に、ユーザに周囲の安全確認を行う旨を表示するようにしてもよい。
【００７０】
一時中止ボタン２７をクリックすると、実験を即時中止し、再開ボタン２８をクリックすると実験を再開する。また、停止ボタン２９をクリックすると実験を即時中止する。一時中止ボタン２７または停止ボタン２９をクリックして実験を中止したときには、制御器２Ａは、その中止場所で定点保持動作を行うように制御する。
【００７１】
実験中には、制御器２Ａは、逐次、実験データを取得し、実験が終了すると、実験データを操船データ（時系列データ）として記憶部２Ｍに記憶する。また、実験が終了した後、実験データ読込ボタン２４をクリックし、実験結果解析ボタン２５をクリックすると、制御器２Ａが実験データを解析して、立ち上がり時間、オーバーシュート量、整定時間を算出し、表示器画面１Ｇに表示するようにしてもよい。
【００７２】
なお、図７の画面上に、例えば、実験条件自動設定ボタンを設け、ユーザが実験条件自動設定ボタンをクリックすると、実験条件の全部または一部が自動的に設定されるようにしてもよい。この場合、記憶部２Ｍに予め所定の実験条件を記憶しておいて、それを制御器２Ａが読み出すように構成してもよい。これにより、実験条件を設定するユーザの手間を軽減することができる。この場合、予め複数の実験条件を記憶部２Ｍに記憶しておいて、ユーザが設定する実験条件を選択できるようにしてもよい。なお、予め記憶されている実験条件は、メーカによって記憶部２Ｍに記憶されている。
【００７３】
図８の表示器画面１Ｇには、目標特性データタブｔ３が選択操作（クリック）されて目標特性データの一覧画面が表示されている。
【００７４】
この図８の画面では、目標特性データ一覧表３１が表示される。この一覧表３１の表示欄をクリックすると、チェックマークが付され、このチェックマークが付された目標特性データに対応するグラフｇ４，ｇ５が表示される。これらのグラフｇ４，ｇ５は、図６のグラフｇ１，ｇ２と同様、応答特性を示す。上記チェックマークは複数の目標特性データに対して付すことができ、図８では、Ｎｏ．１とＮｏ．２の目標特性データに対して付されており、それぞれの応答特性が、グラフｇ４，ｇ５のように同一グラフ上に表示される。これにより、ユーザは、複数の目標特性を比較することができる。また、一覧表３１の備考欄には、ユーザがコメント等を記入することができる。
【００７５】
また、一覧表３１の欄名（「目標特性Ｎｏ．」、「作成日時」、「立ち上がり時間」、「オーバーシュート」、「整定時間」、「備考」）をクリックして、検索条件を指定してその指定された条件を満足する操船データを検索することができる。検索条件として、例えば、「作成日時」をクリックし、期間を指定してもよいし、「立ち上がり時間」、「オーバーシュート」、「整定時間」をクリックし、各々範囲を指定してもよい。一覧表３１の欄名をクリックして、降順と昇順などの並べ替えも可能である。
【００７６】
また、ユーザが、一覧表３１の表示欄に、チェックマークを付して、高度な設定ボタン３３をクリックすると、ポップアップウインドウを開いて目標伝達関数を表示させるようにしてもよいし、ボード線図を描画させるようにしてもよい。
【００７７】
また、ユーザが一覧表３１のいずれかの目標特性データをクリック（例えば、番号をクリック）して選択し、削除ボタン３２をクリックすることにより、選択された目標特性データを削除することができる。
【００７８】
また、ユーザが一覧表３１のいずれか１つの目標特性データをクリック（例えば、番号をクリック）して選択し、さらに指定ボタン３４をクリックすることにより、選択された目標特性データに対応する目標伝達関数を制御パラメータの算出処理（ステップＳ４）に用いることができる。
【００７９】
図９の表示器画面１Ｇには、操船データタブｔ４が選択操作（クリック）されて操船データの一覧画面が表示されている。
【００８０】
この図９の画面では、操船データ一覧表４１が表示される。この一覧表４１には、各操船データが取得されたときの情報（平均風速、潮流、喫水）も表示するようにしている。なお、喫水の値は、ユーザが喫水計の値を読み取って入力したものである。この一覧表４１の「タイプ」の欄に記載されている「操船」は、通常の運用中に取得した操船データであることを示し、「実験」は、自動操船実験を行った際に取得した操船データであることを示す。これにより、各操船データが通常の運用中に取得した操船データであるか、実験により取得した操船データであるかを、ユーザが区別することができる。また、一覧表４１の備考欄には、ユーザがコメント等を記入することができる。
【００８１】
この一覧表４１の欄名（「操船データＮｏ．」、「記録開始日時」、「平均風速」、「潮流」、「喫水」、「タイプ」、「備考」）をクリックして、検索条件を指定してその指定された条件を満足する操船データを検索することができる。検索条件として、例えば、「記録開始日時」をクリックし期間を指定してもよいし、「平均風速」、「潮流」、「喫水」をクリックし、各々範囲を指定してもよい。また、「タイプ」をクリックし、検索条件として、「操船」か「実験」かを指定してもよい。また、一覧表４１の欄名をクリックして、降順と昇順などの並べ替えが可能なようにしてもよい。
【００８２】
ユーザが、一覧表４１のいずれかの操船データをクリック（例えば、番号をクリック）して選択すると、選択された操船データに基づいて船の移動軌跡を平面的に示したグラフｇ６や、上記船の移動軌跡を時間と船体位置との関係で示したグラフｇ７を表示するようにしてもよい。グラフｇ６では、船の初期位置及び姿勢、中間位置及び姿勢、最終位置及び姿勢、及び船の移動軌跡（破線）が表示されている。また、グラフｇ７の縦軸の船体位置は、船が初期位置から最終位置へ向かうときの移動距離を示している。
【００８３】
また、ユーザが一覧表４１のいずれか１つの操船データをクリック（例えば、番号をクリック）して選択し、さらに指定ボタン４２をクリックすることにより、選択された操船データを制御パラメータの算出処理（ステップＳ４）に用いることができる。
【００８４】
図１０の表示器画面１Ｇには、計算タブｔ５が選択操作（クリック）されて制御パラメータ計算用画面が表示されている。
【００８５】
この図１０の画面では、ユーザが目標特性データと操船データとを指定して制御パラメータを算出させることができる。目標特性の参照ボタン５１をクリックすると、例えば、図８に示す目標特性データ一覧表３１が表示され、一覧表３１の中から所望する目標特性データを選択し、指定ボタン３４をクリックすることにより、選択された目標特性データが目標特性指定欄５７に表示される。
【００８６】
また、操船データの参照ボタン５２をクリックすると、例えば、図９に示す操船データ一覧表４１が表示され、一覧表４１の中から所望する操船データを選択し、指定ボタン４２をクリックすることにより、選択された操船データが操船データ指定欄５８に表示される。
【００８７】
上記のように、目標特性データと操船データとを選択した後、自動制御調整開始ボタン５４をクリックすると、選択された目標特性データに対応する目標伝達関数と操船データとを用いて、ＦＲＩＴによる最適化計算が行われて制御パラメータセットが算出される（ステップＳ４）。算出された制御パラメータセット（比例ゲインＫｐ，積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄ）は、パラメータ表示欄５９に表示される。このときの最適化の様子が、例えば、グラフｇ８のように表示される。また、算出された各制御パラメータの値と、予め記憶されているメーカの初期設定値との差が所定値以上ある場合には、パラメータ表示欄５９に赤字で表示など、警告表示するようにしてもよい。そして、ユーザが保存ボタン５６をクリックすると、算出された制御パラメータセットがパラメータ一覧表に記憶される。なお、制御パラメータセットが算出されると、自動的にパラメータ一覧表に記憶される（ステップＳ５１）ようにしてもよい。
【００８８】
また、制御器２Ａは、算出された制御パラメータセットを用いて船体運動シミュレーションを行い、そのシミュレーション結果をグラフｇ９のように表示させる。
【００８９】
また、ユーザが読込ボタン５５をクリックして作成済みの制御パラメータセットを読み込んで、その制御パラメータを用いて船体運動シミュレーションを行い、そのシミュレーション結果をグラフｇ９に重ねて表示させ、ユーザがシミュレーション結果を比較できるようにしてもよい。この際、読込ボタン５５をクリックしたときに、例えば図１１に示されるようなパラメータ一覧表６１がポップアップ表示され、その一覧表６１から読み込む制御パラメータセットを選択できるようにしてもよい。
【００９０】
なお、目標特性データが目標特性指定欄５７に設定されているときに、操船データの自動ボタン５３をクリックすると、制御器２Ａは、目標特性データに対応する目標伝達関数および制御調整（ＦＲＩＴ）に適した操船データを操船データ一覧表から選択し、操船データ指定欄に表示させることができる。
【００９１】
このように操船データが自動的に選択される場合の選択方法を、図１３を参照して説明する。制御器２Ａは、目標特性データに対応する目標伝達関数の周波数特性を算出し、その周波数特性から制御帯域（制御可能な領域）を特定する。図１３（Ａ）は、目標伝達関数の周波数特性を示すゲイン線図であり、ゲインが所定値以上の帯域を制御帯域に特定する。
【００９２】
また、制御器２Ａは、各操船データについて所定のデータを周波数解析し、制御帯域内でパワースペクトル密度が大きい操船データ（またはその一部区間）を選択する。図１３（Ｂ）では、説明の簡単化のため、２つの操船データを周波数解析したパワースペクトル密度のグラフＬ１０，Ｌ２０が示されており、この場合、制御帯域内においてパワースペクトル密度が大きい方のグラフＬ１０に対応する操船データが選択される。操船データを周波数解析する際には、例えば、データを切り出す窓関数を用意し、窓関数を移動させながらフーリエ変換を実施して各区間の周波数成分を計算すればよい。
【００９３】
図１１の表示器画面１Ｇには、パラメータ適用タブｔ６が選択操作（クリック）されて制御パラメータ適用画面が表示されている。
【００９４】
この図１１の画面では、パラメータ一覧表６１が表示される。パラメータ一覧表６１には、制御パラメータセットの識別情報（制御パラメータＮｏ．）、制御パラメータセットの作成日時、各制御パラメータ（比例ゲインＫｐ，積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄ）の値等に加え、各制御パラメータセットを作成（算出）する際に使用された操船データの識別情報（操船データＮｏ．）、使用された目標伝達関数に対応する目標特性データの識別情報（目標特性Ｎｏ．）なども含まれている。
【００９５】
この一覧表６１の表示欄をクリックすると、チェックマークが付され、このチェックマークが付されたパラメータセットが選択され、それに対応するシミュレーション結果が表示領域ｇ１０，ｇ１１が表示される。制御器２Ａは、選択されたパラメータセットを用いて船体運動シミュレーションを実施し、表示領域ｇ１０にシミュレーション結果をアニメーションで表示させるとともに、表示領域ｇ１１にシミュレーション結果をグラフにして表示させる。これにより、ユーザは、各パラメータセットを用いた場合の船体挙動を確認できる。
【００９６】
図１１では、Ｎｏ．１とＮｏ．２のパラメータセットが選択されており、それぞれのシミュレーション結果が、各表示領域ｇ１０，ｇ１１に重ねて表示される。このように、複数のパラメータセットを選択することで、それぞれの場合の船体挙動を比較することができる。また、一覧表６１の備考欄には、ユーザがコメント等を記入することができる。
【００９７】
なお、制御器２Ａ（制御調整用コントロール部２）が、上記のパラメータセットを用いて船体運動シミュレーションを実施する場合（図２ではステップＳ５６に相当）、予め記憶部２Ｍに記憶されている所定のシミュレーション条件（船の移動方向及び移動距離等の目標位置及び姿勢等）に基づいて実施する。また、この船体運動シミュレーションを実施する際に、風、潮流、波といった外乱条件を設定できるようにしてもよい。
【００９８】
また、目標特性データ一覧表３１及び操船データ一覧表４１と同様に、パラメータ一覧表６１の欄名（「制御パラメータＮｏ．」、「作成日時」、「Ｋｐ」、「Ｋｉ」、「Ｋｄ」、「操船データＮｏ．」、「目標特性Ｎｏ．」、「備考」）をクリックして、検索条件を指定してその指定された条件を満足するパラメータセットを検索することができる。また、一覧表６１の欄名をクリックして、降順と昇順などの並べ替えも可能である。
【００９９】
また、ユーザは、一覧表６１のパラメータセットをクリック（例えば、番号をクリック）して選択し、削除ボタン６３をクリックすることにより、選択されたパラメータセットを削除することができる。なお、メーカが初期設定しているパラメータセットの初期設定値は、削除、変更できないように保護されている。これにより、制御パラメータが変更（調整）された結果、万一、性能の悪化が生じた場合に、初期設定値に戻すことができる。
【０１００】
また、ユーザが一覧表６１のいずれか１つのパラメータセットをクリック（例えば、番号をクリック）して選択し、さらに適用ボタン６２をクリックすることにより、選択されたパラメータセットの制御パラメータが操船用コントロール部３の制御パラメータとして適用（更新）される（ステップＳ５４）。
【０１０１】
〔シミュレーションによる検証〕
本実施形態では、ステップＳ４において、制御パラメータを算出する際にＦＲＩＴを用いている。ＦＲＩＴは、閉ループ系の制御調整が可能であり、制御対象に関する情報が不要で、必要な実験回数が少ないなど数多くの長所がある。しかし、ＦＲＩＴは線形システムを対象とした理論体系であり、非線形システムに適用した場合の結果については保証されていない。一方で、実プラントには非線形性が必ず存在する。そこで、本実施形態のように非線形な流体力が作用する自動操船システムに対してＦＲＩＴを適用した際に、望ましい応答が得られることをシミュレーションにより検証した。このシミュレーションでは、簡単のため、推力配分やアクチュエータ特性を無視したモデルを構築する。つまり、流体力の非線形性のみを考慮する。
【０１０２】
図１４は、シミュレーションに用いる船体運動モデルを説明するための図である。この図１４に示すように、平面内を航行する船体運動モデルを考え、制御開始位置を原点，北をＸＥ軸，東をＹＥ軸とする地球座標系ΣＥ、および船体の重心位置を原点，船の前方をＸＢ軸，船の右方向をＹＢ軸とする船体座標系ΣＢを定義する。
【０１０３】
なお、以下において、ベクトルの表記を、数式では太字で示すようにしている。また、数式以外の本明細書の本文中では、「(V)」を付加してベクトルであることを示す。なお、ベクトルであることが明らかである場合は、「(V)」を付加しない場合もある。
【０１０４】
ここで、ν(V)＝〔ｕ，ｖ，ｒ〕Ｔを船体座標系ΣＢにおける前後および左右並進速度・回転速度ベクトルとし、η(V)＝〔ｘ，ｙ，ψ〕Ｔを地球座標系ΣＥにおけるＸＥ，ＹＥ軸方向の船体重心位置・船首方位角ベクトルとし、ｕ(V)＝〔Ｘ，Ｙ，Ｎ〕Ｔを船体座標系ΣＢにおける前後および左右並進力・回頭モーメントベクトルとすると、運動方程式は、次の（１）〜（５）式で表される。
【０１０５】
【数１】
2020187469.tif 000003
【０１０６】
ここで、ｍは船の質量、Ｉｚは船体重心周りの慣性モーメント、ｍｘ，ｍｙは理想流体中で物体が運動する際に生じる前後，横方向の付加質量、Ｊｚは付加慣性モーメントである。また、流体力ＦＨ(ν) (V)＝〔ＸＨ，ＹＨ，ＮＨ〕Ｔは、例えば、低速航行時の流体力を多項式でフィッティングした次の（６）〜（８）式を用いる。
【０１０７】
【数２】
2020187469.tif 000004
【０１０８】
そして、ｘ(V)＝〔ηＴ，νＴ〕Ｔとおくと、（１）〜（８）式は、次の（９）式のようにまとめることができる。なお、（９）式で使用されている変数は、（１０）式で示される。
【０１０９】
【数３】
2020187469.tif 000005
【０１１０】
前述のプラントに対して、ｙ(V)＝〔ｘ，ｙ，ψ〕Ｔを制御することを目的としたコントローラを構成する。まず、一般的なコントローラとプラントを含む閉ループ系を図１５に示す。
【０１１１】
また、ここではプラントの干渉項の影響は比較的小さく、制御に大きな影響を与えないとし、ｘ，ｙ，ψのそれぞれの変数に対して独立したコントローラを考える。これを図１６に示す。Ｘｃ，Ｙｃ，Ｎｃはｘ，ｙ，ψのそれぞれの変数に対するコントローラ出力であり、ｕｃ(V)は、Ｘｃ，Ｙｃ，Ｎｃをまとめたコントローラ出力である。
【０１１２】
また、船を対象とした制御では、目標値の急激な変動に対してコントローラが過剰に反応しないほうが良いとされていることを考慮し、目標値応答の観点からＰＩ−Ｄ(微分先行型ＰＩＤ)コントローラを採用する。各コントローラのゲインをそれぞれ、ρｘ(V)，ρｙ(V)，ρψ(V)とし、ρ(V)＝〔ρｘＴ，ρｙＴ，ρψＴ〕Ｔとすれば、ＰＩ−Ｄコントローラは次の（１１）式で表される。
【０１１３】
【数４】
2020187469.tif 000006
【０１１４】
上記の（１１）式で使用されている変数は以下の通りである。なお、ここでは、Ｔｃ＝０．３１８３（固定値）とした。
【０１１５】
【数５】
2020187469.tif 000007
【０１１６】
前述のモデルに対してＦＲＩＴを適用するが、自動操船システムでは目標追従特性と外乱抑制特性を考慮したコントローラ設計が要求される。ＦＲＩＴにおいて、目標追従特性と外乱抑制特性とを考慮する場合には、実験を２回実施し、次式のように目標相補感度関数Ｔｄと目標感度関数Ｓｄを含んだ評価関数を使用すればよい。
【０１１７】
【数６】
2020187469.tif 000008
【０１１８】
上式の右辺第一項が目標追従特性，第二項が外乱抑制特性を考慮する項であり、両者のバランスは重み係数ｗ１，ｗ２で調節する。ここで、ｙini，ｕiniは、それぞれ実験の出力データと入力データを表し、上付きの数字は実験番号を示している。例えば、ｙini(1)は１回目の実験における出力データを意味する。また、ＰＩ−Ｄコントローラの場合の疑似参照入力、疑似外乱入力はそれぞれ次式で計算される。
【０１１９】
【数７】
2020187469.tif 000009
【０１２０】
以下では、船首方位角ψに関するＰＩＤゲインρψを調整することを目標としてＦＲＩＴを適用する。また、ここでは実機を用いないため、シミュレーション結果を実験データとして用いるが、実機に近い枠組みとするため、３自由度の閉ループシミュレーションを行う。
【０１２１】
また、制御対象として前述の（９）式で表される非線形プラントを用い、初期実験および確認実験を行う。
【０１２２】
次に、評価関数について説明する。
ＦＲＩＴの相補感度関数や感度関数といった目標伝達関数は任意に与えることができるが、実際には、高次のプラントに対して１次系などの次数が低い目標伝達関数を与えると、応答を早めようとして不安定なゲインが計算されることがある。
【０１２３】
そこで本例では、目標伝達関数と実現可能な伝達関数の間に次数差が生じないようにするために、プラントに関する情報（例えば、プラントの伝達関数）を目標伝達関数に組み込む。具体的にはプラントとＰＩ−Ｄコントローラの閉ループ系を考え、ＰＩ−Ｄコントローラのゲインを与えた際に計算される相補感度関数、感度関数の中から制御要求を満たすものを目標相補感度関数、目標感度関数として用いる。
【０１２４】
ここで、制御対象の非線形プラントにおいて、船首方位角ψのみに注目し、干渉項を無視すると図１７に示すような、ψに関するＳＩＳＯ系を考えることができる。
【０１２５】
図１７において、ψｒは目標値信号，Ｎｄは入力外乱信号，ψは出力，Ｎはプラントへの入力，ＮＣpi，ＮＣdはそれぞれＰＩ−Ｄコントローラの比例・積分出力，微分出力である。また、プラントの伝達関数Ｐ(s)は、例えば、水槽試験データ等を用いて推定され、次式で与えられている。
【０１２６】
【数８】
2020187469.tif 000010
【０１２７】
なお、プラントの伝達関数Ｐ(s)は、システム同定の技術を用いて推定されていてもよい。図１７より、以下の伝達関数が計算できる。なお、以下では、「Ｐ(s) 」を「Ｐ」と略記する。
【０１２８】
【数９】
2020187469.tif 000011
【０１２９】
上記２つの伝達関数は、プラントに対してＰＩ−Ｄコントローラのゲインを変更することによって達成されうる相補感度関数，感度関数を表す式である。本例では簡単化のため評価関数は感度関数のみを評価する形式とし、次式のように、感度関数Ｓ(ρψ)に適当なゲインρ*ψを代入した際に得られる感度関数を、Ｓｄとする。
【０１３０】
【数１０】
2020187469.tif 000012
【０１３１】
そして、本例では、評価関数の伝達関数を、Ｎｄからψまでの伝達関数とする。この伝達関数は「the load disturbance sensitivity function」と呼ばれており、次式で表される。なお、以下では、前述のように、「Ｐ(s) 」を「Ｐ」と略記し、さらに、「Ｓ(ρψ) 」を「Ｓ」と略記する。
【０１３２】
【数１１】
2020187469.tif 000013
【０１３３】
上式は、感度関数（Ｓ）にプラントの伝達関数（Ｐ）を掛けることによって得られる目標伝達関数である。このＰＳを評価関数に組み込むと、評価関数Ｊは次式で表される。
【０１３４】
【数１２】
2020187469.tif 000014
【０１３５】
上式における疑似外乱入力は、次式の通りである。
【０１３６】
【数１３】
2020187469.tif 000015
【０１３７】
Ｎini，ψiniは、次式のように実験における入力（ｕini）と出力（ｙini）の一部である。なお、ここでは感度関数のみを考慮するため、実験は１回のみ実施する。
【０１３８】
【数１４】
2020187469.tif 000016
【０１３９】
次に、実験条件について説明する。ＰＩ−Ｄコントローラの初期ゲインを、ρｘ0，ρｙ0，ρψ0 に設定した。ρｘ0，ρｙ0 は調整しないため省略するが、０以外の値に設定した。初期ゲインρψ0 は、次式の通りである。
【０１４０】
【数１５】
2020187469.tif 000017
【０１４１】
また、実験時の入力としては、ステップ外乱入力ｄ＝〔０，０，１〕Ｔを加えた。
以上をまとめると、図１８に示すようになる。図１８は、閉ループシステムにおいて初期実験の状態を示す図である。
【０１４２】
図１９は、シミュレーションにより求められた応答特性を示す図である。図１９において、破線Ｌ１は調整前の応答、実線Ｌ２は目標伝達関数のステップ応答(＝目標応答)、破線Ｌ３は調整後の応答（最適化計算により算出された制御パラメータを用いたときの応答）を示す。
【０１４３】
なお、調整前のゲイン（初期ゲインρψ0）は、
比例ゲインＫｐψ＝100、積分ゲインＫｉψ＝0.1、微分ゲインＫｄψ＝1610
である。一方、調整後のゲインは、
比例ゲインＫｐψ＝249.8413、積分ゲインＫｉψ＝0.5001、微分ゲインＫｄψ＝23182
となっている。
【０１４４】
図１９に示されるように、目標応答（Ｌ２）と調整後の応答（Ｌ３）とが一致しており、調整後の応答（Ｌ３）が目標応答（Ｌ２）を実現していることが分かる。
【０１４５】
本実施形態では、第１演算部２０１（図５）において目標伝達関数を算出する際に（図３のステップＳ２４）、プラントに関する情報（例えば、プラントの伝達関数）を目標伝達関数に組み込むようにしている。このように、対象物（船）の動的特性（プラントの伝達関数）を加味して目標伝達関数を算出することにより、目標伝達関数と実現可能な伝達関数との次数などの伝達関数の構造を、ある程度一致させることが可能となるため、第２演算部２０２（図５）において、船の特性に適した制御パラメータを算出する（図２のステップＳ４）ことが容易になる。よって、制御パラメータの調整を良好に行うことができる。
【０１４６】
また、上記のように、本実施形態では、対象物の動的特性を加味して目標伝達関数を算出するようにしたが、対象物の静的特性を加味して目標伝達関数を算出するようにしてもよいし、対象物の動的特性と静的特性の両方を加味して目標伝達関数を算出するようにしてもよい。
【０１４７】
なお、本実施形態では、目標となるシステム表現（システムの目標モデル）として、目標となる伝達関数（目標伝達関数）を用いたが、状態空間モデルやインパルス応答を用いてもよい。
【０１４８】
また、本実施形態の制御調整装置について、船の自動操縦システム（自動操船システム）を用いて説明したが、船以外の移動体の他、産業用ロボット等、対象物の位置及び／又は姿勢を制御する自動操縦システムに用いてもよい。また、上記では、フィードバック制御の一例として、ＰＩ−Ｄ制御を用いたが、通常のＰＩＤ制御、ＰＩ制御またはＰＤ制御であってもよい。また、フィードバック制御に代えて、フィードフォワード制御を用いてもよいし、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを併用してもよい。
【０１４９】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明は、ユーザが制御パラメータの調整を容易に実施することが可能となる制御調整装置等として有用である。
【符号の説明】
【０１５１】
１  操作表示器
２Ａ  制御器
２Ｍ  記憶部
２  制御調整用コントロール部
３  操船用コントロール部
５  アクチュエータ部
６  船のダイナミクス
７  センサ部
２０１  第１演算部
２０２  第２演算部
【図１】
2020187469.tif 000018
【図２】
2020187469.tif 000019
【図３】
2020187469.tif 000020
【図４】
2020187469.tif 000021
【図５】
2020187469.tif 000022
【図６】
2020187469.tif 000023
【図７】
2020187469.tif 000024
【図８】
2020187469.tif 000025
【図９】
2020187469.tif 000026
【図１０】
2020187469.tif 000027
【図１１】
2020187469.tif 000028
【図１２】
2020187469.tif 000029
【図１３】
2020187469.tif 000030
【図１４】
2020187469.tif 000031
【図１５】
2020187469.tif 000032
【図１６】
2020187469.tif 000033
【図１７】
2020187469.tif 000034
【図１８】
2020187469.tif 000035
【図１９】
2020187469.tif 000036