(57)【要約】      （修正有）【課題】旋回力ゲインが小さい船体に対応する。【解決手段】参照方位と船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、フィードバック制御器は、参照方位と船首方位との偏差と命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、推定偏差に対して所定の第１仕様ゲイン値に設定された比例ゲインＫＰを乗じるとともに、推定角速度に対して比例ゲインＫＰの値に依存する微分ゲインＫＤを乗じて命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備える。【選択図】図６
2018034590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照方位に船首方位を追従させるように船体と操舵機とを含む制御対象を制御する船舶用自動操舵装置であって、
前記参照方位と前記船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、
前記フィードバック制御器は、前記参照方位と前記船首方位との偏差と前記命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、前記推定偏差に対して所定の第１仕様ゲイン値に設定された比例ゲインＫＰを乗じるとともに、前記推定角速度に対して前記比例ゲインＫＰの値に依存する微分ゲインＫＤを乗じて前記命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備え、
前記推定器と前記状態フィードバック制御器から構成される閉ループの特性多項式は、添字ｈが方位制御、添字ｅが推定器、修飾〜がノミナル値をそれぞれ表すとともに、ｓをラプラス演算子、Ｄ（ｓ）を特性多項式、ζを減衰係数、ωを固有角周波数、ζｅｈ＝ζｈ，ωｅ＝ρ２ωｅｈ、ρ２を２次推定係数、Ｋｒを旋回力ゲイン、Ｔｒを船体時定数、Ｔｒ３を舵感度時定数、Δｂ，Δｂ’，ｄｂをそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量として、
【数１】
2018034590.tif 000017
で表され、
前記状態フィードバック制御器は、前記微分ゲインＫＤの値が負値である場合、前記第１仕様ゲイン値より大きく設定された第２仕様ゲイン値を前記比例ゲインＫＰに設定し、
前記推定器は、前記第２仕様ゲイン値に設定された比例ゲインＫＰと所定値に設定されたパラメータ不確かさΔｂ’とに基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記２次推定係数ρ２を算出することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
【請求項２】
前記パラメータ不確かさΔｂ’は、所定の第１仕様値に設定されており、
前記推定器は、前記微分ゲインＫＤの値が負値である場合、前記第１仕様値より小さく設定された第２仕様値を前記パラメータ不確かさΔｂ’に設定し、該パラメータ不確かさΔｂ’に基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記２次推定係数ρ２を算出することを特徴とする請求項１に記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項３】
前記推定器は、前記第２仕様ゲイン値に設定された比例ゲインＫＰに基づいて算出された微分ゲインＫＤの値が負値である場合、前記第２仕様値を前記パラメータ不確かさΔｂ’に設定し、該パラメータ不確かさΔｂ’に基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記２次推定係数ρ２を算出することを特徴とする請求項２に記載の船舶用自動操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推定器を有する船舶用自動操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶用自動操舵装置は、一定の設定方位にジャイロセンサから検出される船首方位を追従させるために船舶の舵を制御する装置であり、保針と変針との機能をもち、その保針制御系は、ＰＤ制御を行う状態フィードバック制御器と、状態推定及び外乱除去を行う推定器とから構成されるフィードバック制御器により制御される。
【０００３】
船舶用自動操舵装置による制御対象としての船体モデルは、載荷の変化によるノミナル値のパラメータ不確かさをもち、そのため、ノミナル値のモデルベースで構成される推定器はパラメータ不確かさによって推定値に誤差を生じる。この誤差によって、推定値の状態フィードバックによる閉ループ安定性が劣化し、船体を蛇行航行させるヨーイングが引き起こされるおそれがある。
【０００４】
このような推定値の誤差に対して、本発明者らは、特許文献１において、船体パラメータのノミナル値のパラメータ不確かさを積極的に考慮することによって、該パラメータ不確かさに起因する推定誤差を低減させる船舶用自動操舵装置及びその設計方法を提案している。ここでは、λｅ２を波浪モデルを省略した船体モデルの状態量を推定するための特性多項式とし、ζｅ，ωｅをそれぞれ状態量を推定するための減衰係数、固有周波数として、推定器の特性多項式を
【０００５】
【数１】
2018034590.tif 000003
とし、ωｅ＝ρωｆを操舵系周波数ωｆのρ倍（ρ＞１で推定係数と呼ぶ）に設定し、ζｅを１／√２に設定するように推定器を設計している。これによって、パラメータ不確かさによる推定角速度の推定誤差が低減される。
【０００６】
更に、この特許文献１では、船体モデルと波浪モデル及び舵角オフセットモデルの２つの外乱モデルとからなる制御対象に対して、推定誤差が船体モデルのみのときの推定誤差と等価となるように、推定器の固有周波数を外乱モデル特性から修正することが提案される。これによれば、推定器の制御対象が等価的に船体モデルのみとなり、外乱モデルを無視することができる。
【０００７】
また、本発明者らは、特許文献２において、推定係数ρ＝ωｅ／ωｆを、操舵ループの代表根に着目し、代表根の減衰係数とパラメータ不確かさとの関係から制御ゲインを設計している。ここでは、推定器がない閉ループ系と推定器がある閉ループ系とに基づいてパラメータ不確かさの影響を見積もることにより、推定器の固有周波数と操舵系の固有周波数とを関係付ける推定係数ρを設定している。
【０００８】
また、本発明者らは、特許文献３において、２つの外乱モデルを含んだ推定器を含む閉ループの特性多項式に基づき、この特性多項式に船体パラメータのパラメータ不確かさΔを加味したときの特性多項式ＤｃΔから、パラメータ不確かさΔが第１仕様値（Δｓｐｅｃ）のときに、ＤｃΔ（ｓ）の特性根から得られる減衰係数のうち最小の減衰係数ζをζｅ＊とし、このζｅ＊が第２仕様値（ζｓｐｅｃ）の値を満足する推定係数ρを求め、推定器の船体モデルの固有周波数ωｅを設定することにより、閉ループ安定性を増加させた船舶用自動操舵装置を提案している。
【０００９】
更に、この特許文献３では、パラメータ不確かさΔを、船体パラメータの旋回力ゲインと時定数との比の不確かさ（Δｂ）とすることによって、閉ループ安定性に及ぼす影響の高いパラメータ不確かさに起因する推定根を考慮して従来よりも信頼性を向上させることが提案されている。
【００１０】
また、水流を噴射するノズルによって推進力を得るウォータージェット推進船として、ノズルが左右に対で設けられるものがあり、これらのノズルを傾けることによって変針を行う。ウォータージェット推進船の変針において、ノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもち、この不感帯を修正するために、一対のノズルの動作位置を不感帯に対応した修正角であるノズルオフセット分だけ、ハの字形状となるように外方に傾け、これによって不感帯を等価的に相殺する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４６０３８３２号公報
【特許文献２】特許第４８２０６２１号公報
【特許文献３】特許第５６８２００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した船舶用自動操舵装置による制御システムは、小型船から大型船までの様々な船体を対象としているが、この制御システムを上述のウォータージェット推進船に適用した場合、このウォータージェット推進船の旋回力ゲインが半減するために、推定係数を求める過程で不具合を生じてしまうことが確認された。つまり、上述の船舶用自動操舵装置によれば、ウォータージェット推進船に限らず、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができない、という問題がある。
【００１３】
本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができる船舶用自動操舵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するため、本実施形態の船舶用自動操舵装置は、参照方位に船首方位を追従させるように船体と操舵機とを含む制御対象を制御する船舶用自動操舵装置であって、前記参照方位と前記船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、前記フィードバック制御器は、前記参照方位と前記船首方位との偏差と前記命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、前記推定偏差に対して所定の第１仕様ゲイン値に設定された比例ゲインＫＰを乗じるとともに、前記推定角速度に対して前記比例ゲインＫＰの値に依存する微分ゲインＫＤを乗じて前記命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備え、前記推定器と前記状態フィードバック制御器から構成される閉ループの特性多項式は、添字ｈが方位制御、添字ｅが推定器、修飾〜がノミナル値をそれぞれ表すとともに、ｓをラプラス演算子、Ｄ（ｓ）を特性多項式、ζを減衰係数、ωを固有角周波数、ζｅｈ＝ζｈ，ωｅ＝ρ２ωｅｈ、ρ２を２次推定係数、Ｋｒを旋回力ゲイン、Ｔｒを船体時定数、Ｔｒ３を舵感度時定数、Δｂ，Δｂ’，ｄｂをそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量として、
【００１５】
【数２】
2018034590.tif 000004
で表され、
前記状態フィードバック制御器は、前記微分ゲインＫＤの値が負値である場合、前記第１仕様ゲイン値より大きく設定された第２仕様ゲイン値を前記比例ゲインＫＰに設定し、前記推定器は、前記第２仕様ゲイン値に設定された比例ゲインＫＰと所定値に設定されたパラメータ不確かさΔｂ’とに基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記推定係数ρ２を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。
【図２】フィードバック制御器の構成を示すブロック図である。
【図３】２次推定器を示すブロック図である。
【図４】ＧＨｈ４Δｂ（ｓ）の漸近線を示す図である。
【図５】ＧＨｈ４Δｂ（ｓ）の根軌跡を示す図である。
【図６】推定係数算出処理の動作を示すフローチャートである。
【図７】ρ２＝４の代表根の根軌跡を示す図である。
【図８】シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
１  船舶用自動操舵装置
１．１  全体構成
まず、本発明の船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図１は、実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態におけるシステムは、船舶用自動操舵装置１とその制御対象である船舶２とを含む。ここで船舶２は、操舵機２１、船体２２及び船体２２の船首方位ψ―を検出するジャイロコンパス２３を合わせたものである。船舶用自動操舵装置１は、設定方位ψＲに船首方位ψ―を追従させる命令舵角δＣを操舵機２１へ出力するフィードバック制御器１０を備える。
【００２１】
１．２  フィードバック制御器
フィードバック制御器の構成について説明する。図２は、フィードバック制御器の構成を示すブロック図である。
【００２２】
図２に示すように、フィードバック制御器１０は、状態フィードバック制御器１１と推定器１２とを備える。推定器１２は、設定方位ψＲと推定方位ψ＾との偏差ψｅとフィードバック制御器１０の出力である命令舵角δＣとに基づいて、推定偏差ψｅ＾及び推定角速度ｒ＾を出力する。状態フィードバック制御器１１は、推定偏差ψｅ＾に比例ゲインＫｐを乗算し、推定角速度ｒ＾に微分ゲインＫｄを乗算し、これらを加算して命令舵角δＣを出力する。
【００２３】
２  制御対象
ここで、制御対象について説明する。制御対象は船体モデルと外乱モデルから構成されるが本実施形態においては外乱モデルについては省略する。船体モデルは、野本の応答モデルを改良した本発明者による応答モデルを用いて、
【００２４】
【数３】
2018034590.tif 000005
に定める。ここでｓはラプラス演算子、Δｃ（ｓ）、δｃは命令舵角を示し、Ｋｒは旋回力ゲイン、Ｔｒは船体時定数、Ｔｒ３は舵感度時定数を示す。この船体モデルは野本の船体モデルと比較して、Ｔｒ３を有するという特徴をもつ。
【００２５】
３  設計
船体運動特性は操縦性指数、または船体運動パラメータ（船体パラメータ）に基づく。船体パラメータは、Ｋｒ，Ｔｒ，Ｔｒ３とし、これらの値は図示しない公知の同定器より得られる。ここで、簡単化のため、Ｔｒ≫Ｔｒ３，Ｔｒ３≒０とする。小型船、特に後述する不感帯修正したウォータージェット推進船の場合、Ｋｒ，Ｔｒの両者が共に小さくなり、方位制御ループの微分ゲインは小さくなり、その値が負になる場合がある。負の微分ゲイン自体は問題にならないが、微分ゲインが負になることによって推定係数を算出する際に問題が生じる。
【００２６】
推定ゲインｋ（ｋ１，ｋ２）は、図３に示すように推定器１２において用いられ、特許文献３に開示されるように、パラメータ不確かさの影響を調整する値で、後述する特性多項式から算出する。微分ゲインが正のとき、特性多項式の係数はすべて正になる。一方、微分ゲインが負のとき、その係数の一部が負になり、特性多項式の性質が変化する。そのため、この性質の変化に対応する必要がある。
【００２７】
３．１  微分ゲインの特性
微分ゲインはＴｒ３＝０とすれば
【００２８】
【数４】
2018034590.tif 000006
になる。ここでＫＰは比例ゲイン、ＫＤは微分ゲイン、ζｈは減衰係数、ωｈは固有角周波数、添字ｈは方位制御を示し、設計パラメータは、ＫＰ≧１，ζｈ＝１／√２になる。
【００２９】
微分ゲインは上式より、設計パラメータに関してはζｈ，√ＫＰに比例するという傾向をもち、船体パラメータに関しては√（Ｋｒ／Ｔｒ），１／Ｋｒに比例するという傾向をもつ。よって、微分ゲインは比例ゲインを大きくすると大きくなる。次に、微分ゲインの符号が特性多項式に与える影響を説明する。
【００３０】
３．２  特性多項式の特性
方位制御ループは外乱成分を含めると７次系になるが、簡単化のため制御対象から外乱成分を除くと４次になる。４次の方位制御ループは、特許文献３に開示されるように、閉ループ制御系の基本的特性を把握でき、２次系の船体運動モデルとその推定器からなる。この閉ループの特性多項式は、
【００３１】
【数５】
2018034590.tif 000007
で与えられる。ここでｓはラプラス演算子、Ｄ（ｓ）は特性多項式、添字ｅは推定器を意味し、
【００３２】
【数６】
2018034590.tif 000008
ここで修飾〜は船体２２の旋回の度に同定器により同定され更新されるノミナル値を示し、ζｅｈ＝ζｈ，ωｅ＝ρ２ωｅｈであり、ρ２は２次推定係数を示す。Δｂ，Δｂ’，ｄｂはそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量を示し、Ｔｒ３＝０の場合はｆ１＝ＫＰ，ｆ２＝ＫＤ，ＣＴ３＝１。なお、不確かさパラメータを船体パラメータの旋回力ゲインと時定数との比のパラメータ不確かさ（Δｂ）とする点については、特許文献３を参照されたい。
【００３３】
（２）式のｂ１，ｂ０の係数を調べる。推定ゲインｋ１，ｋ２は推定係数が下記条件を満たすとすれば、
【００３４】
【数７】
2018034590.tif 000009
になる。これよりｂ０＜０になり、ｂ１の符号はｆ２に依存する。すなわち
【００３５】
【数８】
2018034590.tif 000010
になる。上式よりｆ２≦‐ｆ１（ｋ１／ｋ２）＜０になるから、ｂ１の符号変化をｆ２＝０の基準によって判定すればよい。さらにその基準は推定係数を含んだｋ１，ｋ２を用いないので、簡単に実現できる。よって、特性多項式は
【００３６】
【数９】
2018034590.tif 000011
と置き換えることができる。上式でΔｂが一定ならば、ｆ２≦０の特性多項式はｆ２＞０のそれに比べて係数が負になっているため、不安定根を生じやすい。
【００３７】
上式の根軌跡は図４に示すように漸近線が変化し、またゼロ点の符号も同様に変化する。すなわち
【００３８】
【数１０】
2018034590.tif 000012
になる。ここでｚはゼロ点を示す。よって、（２）式の根軌跡の一例は図５に示すように、不安定根の特性が異なることを確認できる。
【００３９】
３．３  パラメータ不確かさの仕様
パラメータ不確かさの仕様を
【００４０】
【数１１】
2018034590.tif 000013
とする。なお、ｆ１＝μ−１ＣＴ３ＫＤ，μ＞０，ＣＴ３＞０の関係より、ｆ２をＫＤに置き換えても良い。上式からパラメータ不確かさのマージンが半分となるが、船舶用自動操舵装置１は制御対象とする対象船が限定されるので、パラメータ変動は小さいとするためである。
【００４１】
４  推定係数算出処理
次に、推定係数算出処理について説明する。図６は、推定係数算出処理の動作を示すフローチャートである。この推定係数算出処理は、船舶の航行中、推定器において適切な２次推定係数ρ２を算出するために、フィードバック制御器において船体パラメータが更新される毎に実行される処理である。
【００４２】
図６に示すように、まず、状態フィードバック制御器１１は、予め設定された第１仕様ゲイン値を比例ゲインＫＰにセットし（Ｓ１０１）、（１）式により微分ゲインＫＤを算出し（Ｓ１０２）、微分ゲインＫＤの値が正であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。
【００４３】
微分ゲインＫＤの値が正である場合（Ｓ１０３，ＹＥＳ）、推定器１２は、パラメータ不確かさΔｂ’に予め設定された第１仕様値をセットし（Ｓ１０４）、（２）式の特性多項式により２次推定係数ρ２を算出する（Ｓ１０５）。
【００４４】
一方、微分ゲインＫＤの値が負である場合（Ｓ１０３，ＮＯ）、第１仕様ゲイン値より大きな値に設定された第２仕様ゲイン値を比例ゲインＫＰにセットし（Ｓ１０６）、この比例ゲインＫＰに基づいて（１）式により微分ゲインＫＤを算出し（Ｓ１０７）、微分ゲインＫＤの値が正であるか否かを判定する（Ｓ１０８）。
【００４５】
微分ゲインＫＤの値が正である場合（Ｓ１０８，ＹＥＳ）、推定器１２は、パラメータ不確かさΔｂ’に第１仕様値をセットし（Ｓ１０９）、（２）式の特性多項式により２次推定係数ρ２を算出する（Ｓ１０５）。
【００４６】
一方、微分ゲインＫＤの値が負である場合（Ｓ１０３，ＮＯ）、第１設計値より小さな値に設定された第２設計値をパラメータ不確かさΔｂ’にセットし（Ｓ１１０）、（２）式の特性多項式により２次推定係数ρ２を算出する（Ｓ１０５）。
【００４７】
なお、２次推定係数ρ２の算出は、（２）式の特性多項式の特性根から得られる減衰係数のうち最小の減衰係数ζｅが仕様ζΔを満足するように、この２次推定係数ρ２により推定器１２の船体モデルの固有周波数ωｅが設定される。なお、推定係数ρの算出方法の詳細については、特許文献３を参照されたい。
【００４８】
５  検証
制御対象に不感帯修正が適用されたウォータージェット推進船として数値検証をする。ウォータ―ジェット推進船は一対のノズルを含むウォータージェット推進機を有し、これらのノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもつ。この不感帯を修正するため、一対のノズルの動作位置を、不感帯に対応した修正角であるノズルオフセット分だけ、ハの字形状となるように外方に傾けられ、これによって不感帯が等価的に相殺されるようになっている。ウォータージェット推進船の船体パラメータを
【数１２】
2018034590.tif 000014
とする。ここでＴｒ３は初期値。
【００４９】
本船の微分ゲインを以下の表１に示す。微分ゲインは同表より不感帯修正時は負になる。ただし、Ｔｒ他は不感帯修正の前後で不変とする。
【００５０】
【表１】
2018034590.tif 000015
【００５１】
（７）式、ＫＰ＝１．５，ＫＤ＝−４．９を用いて、推定係数ρ２に関してｂ１，ｂ０，ｚ及び代表根のω，ζを計算した結果を図７に示す。図７より、ρ２≧４でｂ１＞０，ｚ＞０になり、ζ，ωは不確かさパラメータｄｂに対して、それぞれほぼ反比例、比例し、ρ２≧４でほぼ一定値になる。この際、仕様ｄｂ＝２を満足できない。図８はρ２＝４の代表根の根軌跡を示す。図８（ｂ）は、０≦Δｂ≦２Ｋｒ／Ｔｒで、Δｂ＝２Ｋｒ／Ｔｒまたはｄｂ＝２のときζ≒０．２になり、図７（ｄ）の結果とほぼ一致する。よって、本船のノミナル値を
【００５２】
【数１３】
2018034590.tif 000016
に見積もると、本船の２次推定係数をρ２≒４にすれば、ζ≒０．４になり仕様を満足することができる。
【００５３】
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１  船舶用自動操舵装置
１０  フィードバック制御器
１１  状態フィードバック制御器
１２  推定器
【図１】
2018034590.tif 000018
【図２】
2018034590.tif 000019
【図３】
2018034590.tif 000020
【図４】
2018034590.tif 000021
【図５】
2018034590.tif 000022
【図６】
2018034590.tif 000023
【図７】
2018034590.tif 000024
【図８】
2018034590.tif 000025