(57)【要約】【課題】制御対象を制御する際に生ずるオフセットや振れを抑制することができる制御装置、及び当該制御装置を備えることにより、方位を精確に検出することができるジャイロコンパスを提供する。【解決手段】制御装置３０は、制御対象Ｑを比例制御する制御信号Ｓ２１を演算する比例制御部３２と、制御対象Ｑを積分制御する制御信号Ｓ２２を演算する積分制御部３３と、制御対象Ｑを微分制御する制御信号Ｓ２３を演算する微分制御部３４と、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２と最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値（制御信号Ｓ２の最大値）との比に応じて、積分制御部３３で演算された制御信号Ｓ２２及び微分制御部３４で演算された制御信号Ｓ２３を変更するゲイン変更部３５を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象を比例制御する第１操作量を演算する第１演算部と、前記制御対象を積分制御する第２操作量を演算する第２演算部及び前記制御対象を微分制御する第３操作量を演算する第３演算部の少なくとも一方とを備える制御装置において、
前記制御対象に与えられる操作量を用いた所定の演算を行って得られる演算量に応じて、前記第１演算部で演算された第１操作量、前記第２演算部で演算された第２操作量、及び前記第３演算部で演算された第３操作量の少なくとも１つを変更する変更部を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記変更部は、予め定められた所定の関数を用いて前記制御対象に与えられる操作量から前記演算量を求めて、前記第１演算部で演算された第１操作量を変更する第１変更部を備えることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記変更部は、前記制御対象に与えられる操作量の最大値である最大操作量を記憶する記憶部と、
前記制御対象に与えられる操作量と前記記憶部に記憶された前記最大操作量との比を前記演算量として求めて前記第２演算部で演算された第２操作量を変更する第２変更部と、前記制御対象に与えられる操作量と前記記憶部に記憶された前記最大操作量との比を前記演算量として求めて前記第３演算部で演算された第３操作量を変更する第３変更部との少なくとも一方と
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の制御装置。
【請求項４】
前記制御対象に対する目標値と前記制御対象の現在値との偏差を演算する偏差演算部を備えており、
前記第１，第２，第３演算部は、前記偏差演算部で演算された偏差を用いて前記第１，第２，第３操作量をそれぞれ演算する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項５】
回転駆動される回転体を収容する転輪球と、内部に充填された支持液によって前記転輪球を支持するコンテナとを備え、前記転輪球に対して前記コンテナを追従させることによって方位を検出するジャイロコンパスにおいて、
前記コンテナを前記制御対象として前記転輪球に追従させる制御を行う請求項１から請求項４の何れか一項に記載の制御装置を備えることを特徴とするジャイロコンパス。
【請求項６】
前記転輪球に対する前記コンテナの位置ずれを検出する検出部を備えており、
前記制御装置は、前記検出部の検出結果を前記制御対象の現在値として参照しつつ前記コンテナを前記転輪球に追従させる制御を行う
ことを特徴とする請求項５記載のジャイロコンパス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象を制御する制御装置、及び当該制御装置を備えるジャイロコンパスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、船舶等の航走体は、周囲の景色が全く変化しない洋上や夜間の運航中であっても、方位を精確に検出することができるジャイロコンパスを備えている。このジャイロコンパスは、周知の通り、高速回転するコマの回転軸が常に南北を指す作用（ジャイロ効果）を利用して方位を検出するものである。以下の特許文献１には、モータにより駆動される回転体を収容する転輪球と、内部に充填された支持液によって転輪球を支持するコンテナ（液槽）とを備えており、転輪球に対してコンテナを追従させる制御を行うことによって方位を検出するジャイロコンパスが開示されている。
【０００３】
具体的に、以下の特許文献１に開示されたジャイロコンパスは、転輪球の表面及びコンテナの内面の各々に所定の位置関係で形成された電極と、これら電極間に生ずる電位差を検出する検出トランスと、コンテナを回転駆動するコンテナ駆動モータと、検出トランスの検出結果に基づいてコンテナ駆動モータの駆動を制御する追従制御回路とを備えている。尚、転輪球の表面及びコンテナの内面の各々に形成された電極は、ずれ角が０°の場合（所定の位置関係にある場合）には電極間に電位差が生じず、ずれ角が０°でない場合には電極間に電位差が生ずるように構成されている。
【０００４】
上記構成において、転輪球の表面及びコンテナの内面の各々に形成された電極の位置関係にずれが生じて検出トランスで電位差が検出された場合には、その電位差が無くなるように（上記のずれ角が０°になるように）、追従制御回路の制御の下でコンテナ駆動モータによりコンテナが回転駆動される。そして、コンテナの回転駆動量に基づいて船舶の方位偏差が算出され、予め記憶された船舶の方位と照らし合わせることによって現在の船舶の方位が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３８７４７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１等に開示された従来のジャイロスコープでは、主として追従制御回路による比例制御（Ｐ制御）によりコンテナの回転駆動が行われている。このため、例えば船舶の旋回運動が大きい場合（大角度の変針時）には、オフセットが発生してコンテナを精確に転輪球に追従させることができず、これにより船舶の方位の検出精度が低下する虞があるという問題があった、
【０００７】
ここで、制御対象の一般的な制御方法には、上記の比例制御以外に積分制御（Ｉ制御）と微分制御（Ｄ制御）とがあるため、比例制御、積分制御、及び微分制御を組み合わせたＰＩＤ制御を行うことによって、上記のオフセットの問題を解消できるとも考えられる。しかしながら、積分制御や微分制御の操作量を増加させると、船舶の旋回運動が大きい場合には確かにオフセットを減少させることができるものの、船舶の旋回運動が小さな場合（例えば、停泊時や一定進路での航走時）には、積分制御及び微分制御に起因するギクシャクした追従動作（振れ）が生じ、これによっても船舶の方位の検出精度が低下する虞があるという問題があった、
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、制御対象を制御する際に生ずるオフセットや振れを抑制することができる制御装置、及び当該制御装置を備えることにより、方位を精確に検出することができるジャイロコンパス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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、制御対象（Ｑ）を比例制御する第１操作量（Ｓ２１）を演算する第１演算部（３２）と、前記制御対象を積分制御する第２操作量（Ｓ２２）を演算する第２演算部（３３）及び前記制御対象を微分制御する第３操作量（Ｓ２３）を演算する第３演算部（３４）の少なくとも一方とを備える制御装置（３０、４０、５０、６０、７０、８０）において、前記制御対象に与えられる操作量を用いた所定の演算を行って得られる演算量に応じて、前記第１演算部で演算された第１操作量、前記第２演算部で演算された第２操作量、及び前記第３演算部で演算された第３操作量の少なくとも１つを変更する変更部（３５）を備えることを特徴としている。
この発明によると、制御対象に与えられる操作量を用いた所定の演算によって得られる演算量に応じて、第１演算部で演算された第１操作量、第２演算部で演算された第２操作量、及び第３演算部で演算された第３操作量の少なくとも１つが変更される。
また、本発明の制御装置は、前記変更部が、予め定められた所定の関数を用いて前記制御対象に与えられる操作量から前記演算量を求めて、前記第１演算部で演算された第１操作量を変更する第１変更部（３５ｃ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の制御装置は、前記変更部が、前記制御対象に与えられる操作量の最大値である最大操作量を記憶する記憶部（Ｍ）と、前記制御対象に与えられる操作量と前記記憶部に記憶された前記最大操作量との比を前記演算量として求めて前記第２演算部で演算された第２操作量を変更する第２変更部（３５ａ）と、前記制御対象に与えられる操作量と前記記憶部に記憶された前記最大操作量との比を前記演算量として求めて前記第３演算部で演算された第３操作量を変更する第３変更部（３５ｂ）との少なくとも一方とを備えることを特徴としている。
また、本発明の制御装置は、前記制御対象に対する目標値と前記制御対象の現在値との偏差（Ｓ１１）を演算する偏差演算部（３１）を備えており、前記第１，第２，第３演算部は、前記偏差演算部で演算された偏差を用いて前記第１，第２，第３操作量をそれぞれ演算することを特徴としている。
本発明のジャイロコンパスは、回転駆動される回転体（１４）を収容する転輪球（１３ａ）と、内部に充填された支持液（１５）によって前記転輪球を支持するコンテナ（１３ｂ）とを備え、前記転輪球に対して前記コンテナを追従させることによって方位を検出するジャイロコンパス（１）において、前記コンテナを前記制御対象として前記転輪球に追従させる制御を行う上記の何れかに記載の制御装置を備えることを特徴としている。
また、本発明のジャイロコンパスは、前記転輪球に対する前記コンテナの位置ずれを検出する検出部（２０）を備えており、前記制御装置は、前記検出部の検出結果を前記制御対象の現在値として参照しつつ前記コンテナを前記転輪球に追従させる制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、制御対象に与えられる操作量を用いた所定の演算を行って演算量を求め、この演算量に応じて、第１演算部で演算された第１操作量、第２演算部で演算された第２操作量、及び第３演算部で演算された第３操作量の少なくとも１つを変更しており、制御対象に与えられる操作量に応じて制御方法が変更されるため、制御対象を制御する際に生ずるオフセットや振れを抑制することができるという効果がある。
かかる制御をジャイロコンパスに適用することにより、方位を精確に検出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態によるジャイロコンパスの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態において、転輪球１３ａ及びコンテナ１３ｂに形成される電極を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、転輪球１３ａ及びコンテナ１３ｂに形成される電極を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態において、転輪球１３ａとコンテナ１３ｂとのずれ角を検出する検出回路の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１実施形態において、船舶で大きな旋回動作が行われた場合における追従動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態において、船舶で小さな旋回動作が行われた場合における追従動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第５実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第６実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による制御装置及びジャイロコンパスについて詳細に説明する。尚、以下では、船舶に設けられたジャイロコンパスを例に挙げて説明する。
【００１３】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるジャイロコンパスの構成を示す断面図である。図１に示す通り、本実施形態のジャイロコンパス１は、演算制御部１１、防振機構１２、及び液槽部１３をケース１０内に収容してなる構成であり、高速回転する回転体１４の回転軸が常に南北を指すジャイロ効果を利用して方位を検出するものである。尚、ケース１０の内部は上方の電気室１０ａと下方の機械室１０ｂとに仕切られており、上記の演算制御部１１は電気室１０ａ内に収容され、上記の防振機構１２及び液槽部１３は機械室１０ｂ内に収容されている。
【００１４】
演算制御部１１は、方位を検出するために必要となる追従制御（転輪球１３ａに対してコンテナ１３ｂを追従させる制御（詳細は後述する））及び各種演算等を行う。具体的に、演算制御部１１は、ジャイロコンパス１で必要となる電源の供給を行う電源部、追従制御を行う制御装置、及び方位を求めるための各種演算を行う演算部が形成されたプリント基板と、上記の追従制御を実現するために制御装置によって駆動されるモータを含む追従用歯車機構とを備えている。
【００１５】
防振機構１２は、上端が機械室１０ｂの天井部（電気室１０ａと機械室１０ｂとを仕切る仕切板）に固定されるとともに下端に液槽部１３が固定されており、下端に固定された液槽部１３に対する防振を行う。つまり、船舶が動揺した際に振り子のように振れることによりって液槽部１３を概略水平に維持するとともに、船舶の上下方向（縦横方向）に生ずる振動を吸収する。
【００１６】
液槽部１３は、転輪球１３ａとコンテナ１３ｂとを備えており、コンテナ１３ｂの上端が防振機構１２の下端に固定されて防振機構１２に吊り下げられている。転輪球１３ａはモータによって回転駆動される回転体（ジャイロロータ）１４を内蔵しており、コンテナ１３ｂ内に充填された電解液１５（支持液）によりコンテナ１３ｂ内に浮上支持される。また、転輪球１３ａは、コンテナ１３ｂの内部に設けられたセンターピン１６の軸の周りで回転可能に支持されている。
【００１７】
次に、転輪球１３ａ及びコンテナ１３ｂに形成される電極について説明する。図２，図３は、転輪球１３ａ及びコンテナ１３ｂに形成される電極を示す斜視図である。図２に示す通り、転輪球１３ａの赤道部分の外周には、幅広の帯状電極Ｅ１１が略半周に亘って形成されており、緯度方向に帯状電極Ｅ１１の幅程度の間隔をもって赤道を跨ぐように配置された幅狭の一対の帯状電極Ｅ１２，Ｅ１３が残りの略半周に亘って形成されている。
【００１８】
尚、図３に示に示す例では、帯状電極Ｅ１１は、その長さが転輪球１３ａの半周の長さよりも若干短く（両端の各々において２°の中心角に相当する長さだけ短く）形成されている。また、帯状電極Ｅ１２，Ｅ１３は、その長さが転輪球１３ａの半周の長さよりも短く（両端の各々において２０°の中心角に相当する長さだけ短く）形成されている。尚、転輪球１３ａの底部には円形形状の皿状電極Ｅ１４が形成されている。
【００１９】
コンテナ１３ｂの内面には、電解液１５を介して帯状電極Ｅ１２，Ｅ１３に対向配置される帯状電極Ｅ２０、電解液１５を介して帯状電極Ｅ１１に対向配置される帯状電極Ｅ２１、及び電解液１５を介して皿状電極Ｅ１４に対向配置される皿状電極Ｅ２４が形成されている。これらコンテナ１３ｂの内面に形成された電極のうち、帯状電極Ｅ２０，Ｅ２１が演算制御部１１に設けられた外部電源ＰＳの一方の電極に接続され、皿状電極Ｅ２４が外部電源ＰＳの他方の電極に接続される。従って、外部電源ＰＳの一方の電極に接続された帯状電極Ｅ２０，Ｅ２１から、対向配置される帯状電極Ｅ１２，Ｅ１３及び帯状電極Ｅ１１をそれぞれ介して転輪球１３ａに給電される。また、外部電源ＰＳの他方の電極に接続された皿状電極Ｅ２４から、対向配置される皿状電極Ｅ１４を介して転輪球１３ａに給電される。
【００２０】
ここで、図３に示す通り、コンテナ１３ｂの内面に形成される帯状電極Ｅ２０は、転輪球１３ａに形成された帯状電極Ｅ１２，Ｅ１３の各々に対向配置される幅狭の一対の帯状電極Ｅ２２，Ｅ２３からなる。また、コンテナ１３ｂの内面に形成される帯状電極Ｅ２１は、帯状電極Ｅ２２，Ｅ２３と同程度の間隔をもって、帯状電極Ｅ１１に対向するよう配置される幅狭の一対の帯状電極Ｅ２１ａ，Ｅ２１ｂからなる。
【００２１】
尚、図３に示す例では、帯状電極Ｅ２１ａ，Ｅ２１ｂは、その長さがコンテナ１３ｂの内壁の半周の長さよりも短く（両端の各々において２３°の中心角に相当する長さだけ短く）形成されている。また、帯状電極Ｅ２２，Ｅ２３は、その長さがコンテナ１３ｂの内壁の半周の長さよりも短く（両端の各々において２０°の中心角に相当する長さだけ短く）形成されている。
【００２２】
また、図３に示す通り、コンテナ１３ｂの内面には、一対の追従電極Ｅ２５，Ｅ２６が形成されている。この追従電極Ｅ２５，Ｅ２６は、コンテナ１３ｂを転輪球１３ａに追従させる追従制御を行うために用いられる電極であり、帯状電極Ｅ２１ａ，Ｅ２１ｂと帯状電極Ｅ２２，Ｅ２３との間に、コンテナ１３ｂの内径の距離だけ離間させて形成されている。尚、詳細は後述するが、転輪球１３ａの帯状電極Ｅ１１は、転輪球１３ａに対する給電以外に、追従制御を行う際にも用いられる。
【００２３】
図４は、転輪球１３ａとコンテナ１３ｂとのずれ角を検出する検出回路の一例を示す回路図である。図４に示す通り、検出回路２０（検出部）は、検出トランス２１、アンプ２２、及び抵抗２３を備えており、転輪球１３ａとコンテナ１３ｂとの現在のずれ角を示す検出信号Ｓ１を出力する。この検出信号Ｓ１は、振幅が転輪球１３ａとコンテナ１３ｂとのずれ角の大きさを示し、位相が転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれの方向を示す信号である。
【００２４】
検出トランス２１は、一次側巻き線にセンタータップが設けられたトランスであり、一次巻線の両端は追従電極Ｅ２５，Ｅ２６にそれぞれ接続されており、センタータップは抵抗２３を介して外部電源ＰＳの他方の電極に接続されている。尚、外部電源ＰＳの一方の電極は、帯状電極Ｅ２１（帯状電極Ｅ２１ａ，Ｅ２１ｂ）等に接続されている。
【００２５】
ここで、図４に示す通り、帯状電極Ｅ２１は帯状電極Ｅ１１より拡がり（角度）が小さい。このため、追従電極Ｅ２５，Ｅ２６と帯状電極Ｅ１１との間には電解液１５による抵抗Ｒ１，Ｒ２が存在する。これら抵抗Ｒ１，Ｒ２はブリッジ抵抗として機能し、検出トランス２１の一次側にはホイートストンブリッジが形成される。尚、検出トランス２１の二次側巻線の一端はアンプ２２の入力端に接続され、他端は接地される。
【００２６】
いま、転輪球１３ａが図４中の符号Ｄ１を付して示した矢印方向に旋回（回動）したとすると、一方の追従電極Ｅ２５と帯状電極Ｅ１１の一方の端部とが近づき、他方の追従電極Ｅ２６と帯状電極Ｅ１１の他方の端部とが遠のく。これにより、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は相互に差動的に変化してホイートストンブリッジは不平衡状態となり、その不平衡状態に応じた信号が検出トランス２１の二次側巻線に誘起され、アンプ２２で増幅されて検出信号Ｓ１として出力される。
【００２７】
次に、検出回路２０からの検出信号Ｓ１を用いて、転輪球１３ａに対してコンテナ１３ｂを追従させる追従制御を行う制御装置について説明する。図５は、本発明の第１実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。本実施形態の制御装置３０は、電気室１０ａに収容された演算制御部１１に設けられ、図５に示す通り、演算器３１（偏差演算部）、比例制御部３２（第１演算部）、積分制御部３３（第２演算部）、微分制御部３４（第３演算部）、ゲイン変更部３５（変更部）、及び加算器３６を備えており、制御対象Ｑに対して制御信号Ｓ２（操作量）を与えて制御対象Ｑを制御する。ここで、制御対象Ｑは、演算制御部１１に設けられているモータを含む追従用歯車機構及びコンテナ１３ｂ等である。尚、検出回路２０からは転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角の現在値を示す検出信号Ｓ１が出力される。
【００２８】
演算器３１は、不図示の上位コントローラから出力される目標値Ｓ０と検出回路２０からの検出信号Ｓ１で示される転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角の現在値との偏差を演算し、その偏差を示す偏差信号Ｓ１１を出力する。尚、制御装置３０は、転輪球１３ａに対してコンテナ１３ｂを追従させる追従制御を行うものであるため、不図示の上位コントローラからは、値が「０」である目標値Ｓ０が出力される。
【００２９】
比例制御部３２は、比例ゲイン乗算部３２ａを備えており、制御対象Ｑを比例制御する制御信号Ｓ２１（第１操作量）を演算する。具体的に、演算器３１から出力される偏差信号Ｓ１１に対し、比例制御部３２に設けられた比例ゲイン乗算部３２ａが予め設定された比例制御ゲインＫＰを乗算して制御信号Ｓ２１を求める。
【００３０】
積分制御部３３は、積分値算出部３３ａと積分ゲイン乗算部３３ｂとを備えており、制御対象Ｑを積分制御する制御信号Ｓ２２（第２操作量）を演算する。具体的に、まず積分値算出部３３ａが演算器３１から出力される偏差信号Ｓ１１の積分値を算出し、次いで積分ゲイン乗算部３３ｂが積分値算出部３３ａで算出された積分値に対して予め設定された積分制御ゲインＫＩを乗算して制御信号Ｓ２２を求める。
【００３１】
微分制御部３４は、微分値算出部３４ａと微分ゲイン乗算部３４ｂとを備えており、制御対象Ｑを微分制御する制御信号Ｓ２３（第３操作量）を演算する。具体的に、まず微分値算出部３４ａが演算器３１から出力される偏差信号Ｓ１１の微分値を算出し、次いで微分ゲイン乗算部３４ｂが微分値算出部３４ａで算出された微分値に対して予め設定された微分制御ゲインＫＤを乗算して制御信号Ｓ２３を求める。
【００３２】
ゲイン変更部３５は、最大操作量記憶部Ｍ（記憶部）、積分ゲイン変更部３５ａ（第２変更部）、及び微分ゲイン変更部３５ｂ（第３変更部）を備えており、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２を用いた所定の演算を行って得られる演算量に応じて、積分制御部３３から出力される制御信号Ｓ２２及び微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２３を変更する。最大操作量記憶部Ｍは、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２の最大値（最大操作量）を記憶する。
【００３３】
積分ゲイン変更部３５ａは、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２を最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値で除算して除算値を求め、積分制御部３３から出力される制御信号Ｓ２２に対して除算値を乗算することにより値を変更する。同様に、微分ゲイン変更部３５ｂは、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２を最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値で除算して除算値を求め、微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２３に対して除算値を乗算することにより値を変更する。
【００３４】
ここで、積分ゲイン変更部３５ａ及び微分ゲイン変更部３５ｂの各々で求められる除算値は、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２をその最大値で正規化したものであるため、「０」から「１」までの値を取り得る。従って、積分ゲイン変更部３５ａ及び微分ゲイン変更部３５ｂの各々から出力される制御信号Ｓ３２，Ｓ３３は、積分制御部３３及び微分制御部３４の各々から出力される制御信号Ｓ２２，Ｓ２３をＸ倍（０≦Ｘ≦１）したものである。
【００３５】
加算器３６は、比例制御部３２から出力される制御信号Ｓ２１、積分ゲイン変更部３５ａから出力される制御信号Ｓ３２、及び微分ゲイン変更部３５ｂから出力される制御信号Ｓ３３を加算して制御信号Ｓ２を求める。加算器３６で求められた制御信号Ｓ２は、制御対象Ｑに出力されるとともに、ゲイン変更部３５に設けられた積分ゲイン変更部３５ａ及び微分ゲイン変更部３５ｂに出力される。
【００３６】
以上の制御装置３０は、例えば検出回路２０からの検出信号Ｓ１を入力する入力装置、メモリ等の記憶装置、上述した各種の演算を実行するＣＰＵ（中央処理装置）、及び演算によって求められた制御信号Ｓ２を制御対象Ｑに対して出力する出力装置等を備えるコンピュータにより構成される。尚、記憶装置には、上述した比例制御ゲインＫＰ、積分制御ゲインＫＩ、微分制御ゲインＫＤ、及び制御信号Ｓ２の最大値等が記憶される。
【００３７】
次に、上記構成によるジャイロコンパス１の動作について説明する。ジャイロコンパス１の電源が投入されると、図２に示す外部電源ＰＳからコンテナ１３ｂの内面に形成された帯状電極Ｅ２０（帯状電極Ｅ２２，Ｅ２３）及びＥ２１（帯状電極Ｅ２１ａ，Ｅ２１ｂ）と皿状電極Ｅ３４とに対し、例えば周波数が３３３Ｈｚの交流電力が供給される。この交流電力は、帯状電極Ｅ２０，Ｅ２１及び状電極Ｅ３４の各々に対向配置される帯状電極Ｅ１２，Ｅ１３、帯状電極Ｅ１１、及び皿状電極Ｅ１４を介して転輪球１３ａ内に供給され、これにより回転体１４がモータ駆動される。回転体１４が回転すると、ジャイロ効果により回転体１４の回転軸が常に南北を指し示す状態になる。
【００３８】
また、不図示の上位コントローラからは、転輪球１３ａに対してコンテナ１３ｂを追従させる追従制御を行うために、値が「０」である目標値Ｓ０が出力される。この目標値Ｓ０は制御装置３０に入力され、検出回路２０で検出された検出信号Ｓ１（目標値Ｓ０と転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角の現在値を示す信号）との偏差を示す偏差信号Ｓ１１が演算される。
【００３９】
演算器３１で演算された偏差信号Ｓ１１は比例制御部３２、積分制御部３３、及び微分制御部３４の各々に出力される。偏差信号Ｓ１１が比例制御部３２に入力されると、比例ゲイン乗算部３２ａによって比例制御ゲインＫＰが乗算され、これにより制御信号Ｓ２１が求められる。また、偏差信号Ｓ１１が積分制御部３３に入力されると、まず積分値算出部３３ａでその積分値が算出され、次いで算出された積分値に対して積分制御ゲインＫＩを乗算する処理が積分ゲイン乗算部３３ｂによって行われ、これにより制御信号Ｓ２２が求められる。また、偏差信号Ｓ１１が微分制御部３４に入力されると、まず微分値算出部３４ａでその微分値が算出され、次いで算出された微分値に対して微分制御ゲインＫＤを乗算する処理が微分ゲイン乗算部３４ｂによって行われ、これにより制御信号Ｓ２３が求められる。
【００４０】
比例制御部３２で求められた制御信号Ｓ２１は加算器３６に出力される。これに対し、積分制御部３３及び微分制御部３４で求められた制御信号Ｓ２２，Ｓ２３はゲイン変更部３５に出力される。制御信号Ｓ２２はゲイン変更部３５の積分ゲイン変更部３５ａに入力され、制御信号Ｓ２３はゲイン変更部３５の微分ゲイン変更部３５ｂに入力される。
【００４１】
積分ゲイン変更部３５ａでは、まず制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２を最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値で除算して除算値が求められ、次いで入力された制御信号Ｓ２２に対して除算値を乗算する処理が行われる。これにより、入力された制御信号Ｓ２２の値を、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２の大きさに応じてＸ倍（０≦Ｘ≦１）した制御信号Ｓ３２が求められる。
【００４２】
微分ゲイン変更部３５ｂでは、まず積分ゲイン変更部３５ａと同様に制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２を最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値で除算して除算値が求められる。次いで、入力された制御信号Ｓ２３に対して除算値を乗算する処理が行われる。これにより、入力された制御信号Ｓ２３の値を、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２の大きさに応じてＸ倍（０≦Ｘ≦１）した制御信号Ｓ３３が求められる。
【００４３】
積分ゲイン変更部３５ａで求められた制御信号Ｓ３２及び微分ゲイン変更部３５ｂで求められた制御信号Ｓ３３は加算器３６に出力される。これにより、比例制御部３２から出力される制御信号Ｓ２１と、ゲイン変更部３５から出力された制御信号Ｓ３２，Ｓ３３とが加算されて制御信号Ｓ２が求められる。加算器３６で求められた制御信号Ｓ２は制御対象Ｑに出力され、演算制御部１１に設けられた追従用歯車機構がモータ駆動される。以上の動作によって、転輪球１３ａに対してコンテナ１３ｂを追従させる追従制御が行われる。
【００４４】
ここで、船舶で大きな旋回動作（大角度の変針）が行われた場合には、検出回路２０で検出される転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角が大きくなる。すると、演算器３１で演算される偏差信号Ｓ１１の値も大きくなり、これにより比例制御部３２、積分制御部３３、及び微分制御部３４の各々で求められる制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の値が大きくなる。
【００４５】
これら制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の値が大きくなると、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２の値も必然的に大きくなるため、積分ゲイン変更部３５ａ及び微分ゲイン変更部３５ｂで算出される除算値が大きくなる。その結果、制御信号Ｓ２に含まれる積分制御に係る制御信号Ｓ３２及び微分制御に係る制御信号Ｓ３３の割合が増大し、追従制御は比例制御、積分制御、及び微分制御を組み合わせたＰＩＤ制御によって行われ、オフセットが抑制される。
【００４６】
これに対し、船舶で小さな旋回動作が行われた場合には、大きな旋回動作が行われた場合に比べて、検出回路２０で検出される転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角は大きくない。すると、演算器３１で演算される偏差信号Ｓ１１の値は小さく、これにより比例制御部３２、積分制御部３３、及び微分制御部３４の各々で求められる制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の値も小さくなる。
【００４７】
これら制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の値が小さければ、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２の値も必然的に小さくなるため、積分ゲイン変更部３５ａ及び微分ゲイン変更部３５ｂで算出される除算値が小さくなる。その結果、制御信号Ｓ２に含まれる積分制御に係る制御信号Ｓ３２及び微分制御に係る制御信号Ｓ３３の割合が低下し、追従制御は比例制御が主となって行われ、振れ等のギクシャクした追従動作が抑制される。
【００４８】
図６は、船舶で大きな旋回動作が行われた場合における追従動作のシミュレーション結果を示す図であって、（ａ）は追従制御を比例制御のみで行ったときの結果を示す図であり、（ｂ）は追従制御をＰＩＤ制御で行ったときの結果を示す図である。尚、図６では、時間を横軸にとり、転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角（偏差）を縦軸にとっている。また、図６では、船舶が停止状態にある所定の時点の時刻を０［ｓｅｃ］とし、その時点から１秒後に大きな旋回動作が行われた場合のシミュレーション結果を示している。
【００４９】
図６（ａ）を参照すると、追従制御が比例制御のみで行われる場合には、船舶の大きな旋回動作が行われた１［ｓｅｃ］以後は、定常的に約１°のオフセットが発生しているのが分かる。これに対し、本実施形態の制御装置３０のように、船舶で大きな旋回動作が行われた場合に、追従制御をＰＩＤ制御によって行うと、図６（ｂ）に示す通り、大きな旋回動作が行われた１［ｓｅｃ］の時点で約０．８°のオフセットが発生するものの、それ以後はオフセットが±０．２°以下に抑制されているのが分かる。
【００５０】
図７は、船舶で小さな旋回動作が行われた場合における追従動作のシミュレーション結果を示す図であって、（ａ）は追従制御をＰＩＤ制御で行ったときの結果を示す図であり、（ｂ）は追従制御を比例制御のみで行ったときの結果を示す図である。尚、図６と同様に、図７では、時間を横軸にとり、転輪球１３ａに対するコンテナ１３ｂのずれ角（偏差）を縦軸にとっている。また、図７では、船舶で０．９°の首振り運動が１分の周期で行われれた場合のシミュレーション結果を示している
【００５１】
船舶で一定周期の首振り運動が行われる場合には、船舶の進路は正弦波状に滑らかに変化する筈である。しかしながら、図７（ａ）を参照すると、追従制御がＰＩＤ制御によって行われる場合には、偏差が滑らかに変化しておらずギクシャクしているのが分かる。これに対し、本実施形態の制御装置３０のように、船舶で小さな旋回動作が行われた場合に、追従制御を比例制御のみによって行うと、図７（ｂ）に示す通り、図７（ａ）に示す結果よりも偏差が正弦波状に滑らかに変化しているのが分かる。
【００５２】
以上の通り、本実施形態では、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２と最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値との比（除算値）に応じて、積分制御部３３及び微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２２，Ｓ２３の値を変更している。このため、船舶で大きな旋回動作が行われた場合のように除算値が大きくなる場合には追従制御がＰＩＤ制御により行われ、船舶で小さな旋回動作が行われる場合のように除算値が小さくなる場合には追従動作が主として比例制御により行われる。このため、オフセットと振れとの双方を効果的に抑制することができ、その結果として方位を精確に検出することができる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
図８は、本発明の第２実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。本実施形態の制御装置４０は、図５に示す制御装置３０のゲイン変更部３５に比例ゲイン変更部３５ｃ（第１変更部）を追加した構成であり、前述の第１実施形態で説明した制御装置３０と同様に、転輪球１３ａに対してコンテナ１３ｂを追従させる追従制御を行う。
【００５４】
比例ゲイン変更部３５ｃは、予め定められた所定の関数を用いて制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２から、制御信号Ｓ２１の値を変更するための演算量を求める。ここで、比例ゲイン変更部３５ｃで上記の演算量を求めるために用いられる関数としては、例えば制御信号Ｓ２が大きくなるにつれて演算量を小さくする関数、制御信号Ｓ２の値に応じて演算量を線形又は非線形に変化させる関数、その他の任意の関数を用いることができる。
【００５５】
この比例ゲイン変更部３５ｃは、比例制御部３２から出力される制御信号Ｓ２１に対して上記の演算量を乗算することにより値を変更する。値が変更された制御信号Ｓ２１は、制御信号Ｓ３１として加算器３６に出力される。尚、本実施形態においては、比例制御部３２から出力される制御信号Ｓ２１値が変更される以外は第１実施形態と同様の動作が行われるため、動作の詳細な説明は省略する。
【００５６】
以上の通り、本実施形態では、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２と最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値との比（除算値）に応じて、積分制御部３３及び微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２２，Ｓ２３の値を変更するとともに、所定の関数を用いて制御信号Ｓ２から得られた演算量に応じて、比例制御部３２から出力される制御信号Ｓ２１の値を変更している。このため、第１実施形態と同様に、船舶で大きな旋回動作が行われた場合のように除算値が大きくなる場合には追従制御がＰＩＤ制御により行われ、船舶で小さな旋回動作が行われる場合のように除算値が小さくなる場合には追従動作が主として比例制御により行われる。このため、オフセットと振れとの双方を効果的に抑制することができ、その結果として方位を精確に検出することができる。
【００５７】
〔その他の実施形態〕
図９〜図１２は、本発明の第３〜第６実施形態による制御装置の要部構成を示すブロック図である。前述の第１実施形態で説明した制御装置３０は、比例制御部３２、積分制御部３３、及び微分制御部３４の各々から出力される制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３のうち、積分制御部３３及び微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２２，Ｓ２３の値をゲイン変更部３５で変更するものであった。また、第２実施形態で説明した制御装置４０は、制御装置３０は、比例制御部３２、積分制御部３３、及び微分制御部３４の各々から出力される制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の値の全てをゲイン変更部３５で変更するものであった。
【００５８】
図９に示す本発明の第３実施形態による制御装置５０は、比例ゲイン変更部３５ｃと積分ゲイン変更部３５ａとを有するゲイン変更部３５を備えており、比例制御部３２及び積分制御部３３から出力される制御信号Ｓ２１，Ｓ２２の値のみをゲイン変更部３５で変更する。また、図１０に示す本発明の第４実施形態による制御装置６０は、比例ゲイン変更部３５ｃと微分ゲイン変更部３５ｂとを有するゲイン変更部３５を備えており、比例制御部３２及び微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２１，Ｓ２３の値のみをゲイン変更部３５で変更する。
【００５９】
図１１に示す本発明の第５実施形態による制御装置７０は、積分ゲイン変更部３５ａのみを有するゲイン変更部３５を備えており、積分制御部３３から出力される制御信号Ｓ２２の値のみをゲイン変更部３５で変更する。また、図１２に示す本発明の第６実施形態による制御装置８０は、微分ゲイン変更部３５ｂのみを有するゲイン変更部３５を備えており、微分制御部３４から出力される制御信号Ｓ２３の値のみをゲイン変更部３５で変更する。
【００６０】
以上説明した第３〜第６実施形態による制御装置５０，６０，７０，８０は、制御対象Ｑに与えられる制御信号Ｓ２を用いた所定の演算を行って得られる演算量（制御信号Ｓ２と最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値との比（除算値）或いは所定の関数を用いて得られた演算量）に応じて、比例制御部３２、積分制御部３３、及び微分制御部３４の各々から出力される制御信号Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の値の少なくとも１つを変更している。このため、前述した第１，第２実施形態と同様に、オフセットと振れとの双方を効果的に抑制することができ、その結果として方位を精確に検出することができる。
【００６１】
以上、本発明の実施形態による制御装置及びジャイロコンパスについて説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、船舶に設けられたジャイロコンパスを例に挙げて説明したが、本発明のジャイロコンパスは、船舶以外の航走体や移動体に設けることも可能である。また、上述した実施形態で説明したジャイロコンパス１の構成（転輪球１３ａ及びコンテナ１３ｂの構成及びこれらに形成される電極の構造等）はあくまでも一例であり、本発明は構成が異なるジャイロコンパスにも適用することができる。
【００６２】
また、本発明の制御装置は、ジャイロコンパスにおける追従制御に限定されることはなく、機械、器具、装置その他の物の制御にも用いることができる。特に、制御対象に与える制御信号に応じて比例制御、積分制御、及び微分制御を変更する必要のある物の制御に用いるのが望ましい。
【００６３】
更に、上記実施形態で説明した積分ゲイン変更部３５ａ及び微分ゲイン変更部３５ｂは、制御信号Ｓ２と最大操作量記憶部Ｍに記憶された最大値との比（除算値）に応じて制御信号Ｓ２２，Ｓ２３の値をそれぞれ変更するものであった。しかしながら、第２実施形態で説明した比例ゲイン変更部３５ｃと同様に、所定の関数を用いて制御信号Ｓ２から得られた演算量に応じて、制御信号Ｓ２２，Ｓ２３の値をそれぞれ変更するものであっても良い。また、本発明はＰＩＤ制御を行う制御装置のみならず、ＰＩ制御を行う制御装置及びＰＤ制御を行う制御装置の何れにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１                ジャイロコンパス
１３ａ            転輪球
１３ｂ            コンテナ
１４              回転体
１５              電解液
２０              検出回路
３０              制御装置
３２              比例制御部
３３              積分制御部
３４              微分制御部
３１              演算器
４０〜８０        制御装置
３５              ゲイン変更部
３５ａ            積分ゲイン変更部
３５ｂ            微分ゲイン変更部
３５ｃ            比例ゲイン変更部
Ｍ                最大操作量記憶部
Ｑ                制御対象
Ｓ１１            偏差信号
Ｓ２１〜Ｓ２３    制御信号
【図１】
2011117836.tif 000003
【図２】
2011117836.tif 000004
【図３】
2011117836.tif 000005
【図４】
2011117836.tif 000006
【図５】
2011117836.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011117836.tif 000009
【図８】
2011117836.tif 000010
【図９】
2011117836.tif 000011
【図１０】
2011117836.tif 000012
【図１１】
2011117836.tif 000013
【図１２】
2011117836.tif 000014