(57)【要約】【課題】海象状態や操船状態に応じて、最適な減揺制御を選択して行うことができ、減揺のための動力の消費を最小限に抑えながら、船体の大きな動揺を効率よく減揺できる船体の減揺システムを提供する。【解決手段】フィンと舵とを総合的に制御する統合制御装置において、横揺れ値に基づいてフィンのみを制御するフィン単独減揺制御と、横揺れ値と船首方位角及び船首揺れ値に基づいて、フィン制御を行わずに舵制御のみを行う舵単独複合減揺制御と、横揺れ値と船首方位角及び船首揺れ値に基づいて、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成する。【選択図】  図１
2004291773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィンスタビライザーを備えた船舶の船体運動を低減する減揺システムであって、
横揺れ検出装置で検出された横揺れ値と、船首方位角及び船首揺れ検出装置で検出された船首方位角及び船首揺れ値とに基づいて、フィンと舵とを総合的に制御する統合制御装置を備えると共に、
該統合制御装置において、前記横揺れ値に基づいてフィンのみを制御するフィン単独減揺制御と、前記横揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御を行わずに舵制御のみを行う舵単独複合減揺制御と、前記横揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成したことを特徴とする船体の減揺システム。
【請求項２】
船体の前後に２対のフィンを制御するフィンスタビライザーを備えた船舶の船体運動を低減する減揺システムであって、
横揺れ検出装置で検出された横揺れ値と、縦揺れ検出装置で検出された縦揺れ値と、船首方位角及び船首揺れ検出装置で検出された船首方位角及び船首揺れ値に基づいて、フィンと舵とを総合的に制御する統合制御装置を備えると共に、
該統合制御装置において、前記横揺れ値と前記縦揺れ値に基づいてフィンのみを制御するフィン単独減揺制御と、前記横揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御を行わずに舵制御のみを行う舵単独複合減揺制御と、前記横揺れ値と前記縦揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成したことを特徴とする船体の減揺システム。
【請求項３】
舵制御を行わずにフィンのみの制御により、船体の針路の保持又は針路の変更の少なくとも一方を行うフィン単独針路制御を備えたことを特徴とする船体の減揺システム。
【請求項４】
舵制御を行わずにフィンのみの制御により、船体の針路の保持又は針路の変更の少なくとも一方を行うフィン単独針路制御を加えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の船体の減揺システム。
【請求項５】
大角度旋回時に横傾斜を抑制するフィン制御を加えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の船体の減揺システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィンスタビライザーと舵減揺装置とを併用する船体の減揺システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波浪中を航行する船舶の横揺れ（ローリング）を減揺する船体の減揺装置としてフィンスタビライザーや舵減揺装置がある。
【０００３】
図７に示すように、フィンスタビライザー２０は、船体の両舷の水面下に左右で対をなす可動式のフィン２６ｓ，２６ｐを装備し、操作部２１の設定に従って、船体の横揺れ状態をロール角度センサ等のセンサ４１で検知しながら、制御部２２で制御量を演算して、駆動部２５ｓ，２５ｐによりフィン２６ｓ，２６ｐを駆動して、横揺れを低減させる揚力を発生して、船体の横揺れを減揺する装置である。
【０００４】
しかし、このフィンスタビライザーにおいては、船体の構造上の制約から船体中央近傍に装備することが難しいため、フィンの制御によって船首揺れが励起されてしまうという問題があり、そのため、フィンスタビライザーによる横揺れの減揺制御を単独で行うと、船首揺れを発生したりして船首揺れに対する減揺効果が得られず、船体全体としての減揺効率が悪いという問題がある。
【０００５】
また、図８に示すように、舵減揺装置３０は、船体の後部の舵３７を、操作部３１の設定に従って、船体の船首揺れ状態を船首方位角センサ等のセンサ４２で検知しながら、制御部３２で制御量を演算して、操舵コンソール３３を経由して駆動部３６により舵３７を駆動して、舵３７のみの制御により、船体の船首揺れ（ヨーイング）と横揺れを減揺する装置である。
【０００６】
この舵減揺装置３０は、通常の航海中の比較的小さい動揺に対しては減揺効果があるが、荒天の航海中等の比較的大きな動揺に対しては、単独では減揺しきれないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明者等は、フィンスタビライザーの減揺制御と、舵減揺装置の減揺制御とを統合して、両者を連成させて制御する統合減揺装置を提案した（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
この統合減揺装置では、被制御変数として、横揺れ検出装置で検出される横揺れ角度と横揺れ角速度、船首揺れ検出装置で検出される船首揺れ角度、船首揺れ角速度を採用し、制御変数としてフィン角度と舵角を採用して、フィンスタビライザーの減揺制御と舵の減揺制御を連成させて、多変数制御することにより、全体としての減揺効果を向上させている。
【０００９】
この統合減揺装置によれば、船首揺れを制御する舵減揺装置と、船体の横揺れを制御するフィンスタビライザー制御とを統合するため、フィンスタビライザー作動により発生する船首揺れを抑制できる。また、この両減揺制御で対応する減揺効果により、船体抵抗を低減でき、航走効率を向上することができる。
【００１０】
また、フィンを前後２対装備した場合には、横揺れ及び船首揺れに加えて、縦揺れに対する減揺効果も得られる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２８４０８７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この船体の減揺装置では、横揺れと船首揺れを同時に、フィン角と舵角の両方で制御するため、比較的穏やかで、船体の動揺が少ない海象状態では、制御が煩雑になり、動力の消費が大きくなるという問題が生じる。
【００１３】
また、針路の保持及び針路の変更に関しては、舵制御のみに依存しているため、舵の駆動系の故障や舵の損傷等が生じた場合に、針路の保持や針路の変更が不可能になり、自航できなくなるという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、海象状態や操船状態に応じて、最適な減揺制御を選択して行うことができ、減揺のための動力の消費を最小限に抑えながら、船体の大きな動揺を効率よく減揺できる船体の減揺システムを提供することにある。
【００１５】
また、更なる目的は、舵の駆動系の故障や舵の損傷等が生じた場合であっても、フィンを制御することにより針路の保持や針路の変更を行うことができる船体の減揺システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の船体の減揺システムは、次のように構成される。
【００１７】
つまり、船体の減揺システムは、フィンスタビライザーを備えた船舶の船体運動を低減する減揺システムであって、横揺れ検出装置で検出された横揺れ値と、船首方位角及び船首揺れ検出装置で検出された船首方位角及び船首揺れ値とに基づいて、フィンと舵とを総合的に制御する統合制御装置を備えると共に、該統合制御装置において、前記横揺れ値に基づいてフィンのみを制御するフィン単独減揺制御と、前記横揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御を行わずに舵制御のみを行う舵単独複合減揺制御と、前記横揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成される。
【００１８】
また、船体の減揺システムは、船体の前後に２対のフィンを制御するフィンスタビライザーを備えた船舶の船体運動を低減する減揺システムであって、横揺れ検出装置で検出された横揺れ値と、縦揺れ検出装置で検出された縦揺れ値と、船首方位角及び船首揺れ検出装置で検出された船首方位角及び船首揺れ値に基づいて、フィンと舵とを総合的に制御する統合制御装置を備えると共に、該統合制御装置において、前記横揺れ値と前記縦揺れ値に基づいてフィンのみを制御するフィン単独減揺制御と、前記横揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御を行わずに舵制御のみを行う舵単独複合減揺制御と、前記横揺れ値と前記縦揺れ値と前記船首方位角及び前記船首揺れ値に基づいて、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成される。
【００１９】
そして、上記の船体の減揺システムおいて、舵制御を行わずにフィンのみの制御により、船体の針路の保持又は針路の変更の少なくとも一方を行うフィン単独針路制御を備えて構成する。
【００２０】
このフィン単独針路制御は、上記のフィン単独減揺制御、舵単独複合減揺制御、統合複合減揺制御に加えて構成し、これらの一つを選択可能にしてもよい。
【００２１】
また、上記の船体の減揺システムおいて、大角度旋回時に横傾斜を抑制するフィン制御を加えて構成することもできる。
【００２２】
この横揺れ検出装置で検出された横揺れ値とは、横揺れ角、横揺れ角速度、横揺れ角加速度のうちの少なくとも一つ、又は、これらの組合せであり、縦揺れ検出装置で検出された縦揺れ値とは、縦揺れ角、縦揺れ角速度、縦揺れ角加速度のうちの少なくとも一つ、又は、これらの組合せである。また、船首方位角及び船首揺れ検出装置で検出された船首方位角及び船首揺れ値とは、船首方位角、船首方位角速度、船首方位角加速度のうちの少なくとも一つ又は、これらの組合せである。
【００２３】
これらの角度は、ロール角度センサやピッチ角度センサや方位ジャイロ等から検出でき、角速度は角度を微分演算して得ることができる。また、角加速度は、角速度を更に微分演算して得たり、角加速度センサにより直接検出したりすることができる。
【００２４】
なお、ここでは、一方向の被制御値（例えば横揺れ値）のみを使用して、減揺制御する場合は「減揺制御」とし、二方向以上の被制御値（例えば横揺れ値と船首揺れ値）を使用して、減揺制御する場合は「複合減揺制御」としている。また、制御がフィンのみや舵のみの単独制御である場合には、「単独・・制御」とし、制御がフィンと舵の両方を同時に制御する場合には、「統合・・制御」としている
そして、本発明によれば、船体の減揺システムを、フィン単独減揺制御（スタビライザー制御）と、舵単独複合減揺制御（舵減揺制御）と、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成したことにより、比較的穏やかな海象状態で、フィン単独減揺制御又は舵単独複合減揺制御を選択すると、船体の減揺のために駆動操作するフィンと舵は何れかに制限されるので、動力の消費が抑制される。
【００２５】
また、比較的荒い海象状態で、統合複合減揺制御を選択すると、舵及びフィンスタビライザーが統合複合減揺制御されるので、大きな船体動揺でも、適切な減揺制御がなされ減揺される。また、舵制御で発生する動揺をフィンスタビライザー制御により相殺するので、大きな減揺効果を発揮する。更に、フィンスタビライザー制御による保針性能の低下を同時に行う舵制御でカバーするので、操縦性能が向上する。
【００２６】
また、前後２対のフィンを装備したフィンスタビライザーを備えた場合には，縦揺れも加えた減揺制御が可能となり、横揺れ、船首揺れ、縦揺れの３方向の回転方向の運動を減揺できることになる。
【００２７】
更に、フィンのみの制御により、船体の針路の保持又は針路の変更の少なくとも一方を行うフィン単独針路制御を加えて構成した場合には、舵取り装置の故障や舵のダメージに際しても、フィンスタビライザーのフィンを制御することにより、進路の保持（保針）や方向転換を行うことができ、航海上の船体の制御を完全に失うことがない。
【００２８】
そして、統合複合減揺制御に、大角度旋回時に横傾斜を抑制するフィン制御を加えて構成した場合は、大きな旋回運動を行っているときでも、横傾斜を小さくするので、甲板等における作業性が向上する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係る船体の減揺システムの実施の形態について説明する。
【００３０】
図１に示すように、第１の実施の形態の船体の減揺システム１０は、操作部１１と制御部１２とセンサ部４０を有してなり、右舷側フィン２６ｓ，左舷側フィン２６ｐの駆動用に、起動器２３ｓ，２３ｐとポンプユニット２４ｓ，２４ｐと駆動部２５ｓ，２５ｐを備え、また、舵３７の操舵用に操舵コンソール３３と、起動器３４とポンプユニット２５と駆動部３６を備えている。
【００３１】
操作部１１は、制御部１２や動揺検出装置（センサ部）４０と共に統合制御装置を形成する部分であり、船体の減揺システム１０の制御目標値を設定する部分であり、船首方位角、定常傾斜角、横揺れ角速度（＝０）等を設定する。また、この操作部１１で制御モードの選択や制御ゲインの選択を行う。この制御モードには、「統合複合減揺制御」「フィン単独減揺制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「舵単独減揺制御」、「舵単独複合減揺制御」「フィン単独針路制御」等があり、制御ゲインの選択には、舵制御のゲインにおける荒天用と通常用の選択、フィン制御のゲインにおける荒天用と通常用の選択がある。また、この操作部１１には、制御変数がリミット値やオーバーロードを超えたことや、被制御変数の偏差が大きいことを表示する警報も設けられている。
【００３２】
制御部１２は、ロール角度センサ等の横揺れ検出装置４１や船首方位角度センサ等の船首方位角及び船首揺れ検出装置４２等の動揺検出装置４０の信号を受けて、フィン２６ｓ，２６ｐの減揺制御と舵３７の減揺制御を統合して行う部分である。この制御部１２では、信号の入出力では、操作部１１で選択された制御モードの入力信号を選択し、また、リアルタイム制御においては、操作部１１で選択された制御モードの各制御ゲインを選択して、オンラインで制御が行われる。また、バックジョブとして、操作部１１で選択された制御モードの入力信号を選択し、この入力信号から制御型自己回帰モデルの推定と制御ゲインの推定を行う。
【００３３】
また、フィン２６ｓ，２６ｐの駆動装置は起動器２３ｓ，２３ｐ、ポンプユニット２４ｓ，２４ｐ、駆動部２５ｓ，２５ｐ等で構成され、舵３７の駆動装置は、操舵用の操舵コンソール３３、起動器３４、ポンプユニット２５、駆動部３６等で構成される。この起動器２３ｓ，２３ｐ，２４は、舵やフィンの駆動源である油圧装置を立ち上げる装置であり、高圧の油圧を制御指令値に応じてサーボ弁を介してポンプユニット２４ｓ，２４ｐ，２５に供給する。そして、駆動部２５ｓ，２５ｐ，３６は、舵軸やフィンの軸に回転運動を伝達する部分である。
【００３４】
動揺検出装置４０は、横揺れ検出装置４１と船首方位角及び船首揺れ検出装置４２とからなり、横揺れ検出装置４１では、ロール角度センサで検知した横傾斜角θｘｓから、減算器により、基準角θｘ０，θｙ０からの偏差角である横揺れ角θｘを算出し、必要に応じて、この横揺れ角θｘを微分して横揺れ角速度ｄθｘ／ｄｔ、横揺れ角加速度ｄ２  θｘ／ｄｔ２  を算出して、これらの値を横揺れ値〔θｘ・・・・〕とし、制御部１２に出力する。
【００３５】
また、船首方位角及び船首揺れ検出装置４２では、船首方位角センサ（ジャイロセンサ）で検出される船首方位角θｙｓから、基準角θｙ０からの偏差角である縦揺れ角θｙを算出し、必要に応じて、この船首揺れ角θｙを微分して船首揺れ角速度ｄθｙ／ｄｔ、船首揺れ角加速度ｄ２  θｘ／ｄｔ２  を算出して、これらの値を船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とし、制御部１２に出力する。
【００３６】
なお、この動揺検出装置４０に、角加速度センサを設けて、検出した角加速度を積分することにより、角速度を求め、更に、積分して角度を求めるように構成してもよい。
【００３７】
制御部１２では、統合複合減揺制御を行うために、多変数制御系の統合（ハイブリッド）制御関数処理を行う。
【００３８】
この統合制御関数処理では、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕を入力して、横揺れと船首揺れの船体運動を表す多次元（ｎ次元）の被制御変数ベクトルＸ（ｔ）を形成する。また、フィン角度αと舵角δとからフィンと舵の操作を表す制御変数ベクトルＹ（ｔ）を形成し、更に、外乱を表す外乱ベクトルＵ（ｔ）と、制御系の特性を表す係数マトリックスＡ（ｍ）とＢ（ｍ）とにより、（１）式のような多次元制御型自己回帰モデルを設定する。
【００３９】
【数１】
2004291773.tif 000003
【００４０】
この制御型自己回帰モデルは確率的制御モデルの一つで、多次元自己回帰モデルを拡張したものであり、船体運動及び針路等の運動を確率的なモデルで統一的に表現することにより、制御対象である船舶を稼働状態において、その入力と出力のデータを利用できるようになり、ステップ応答等の古典制御理論において必要とされていたシステム解析や流体力学的な実験を不要にする。
【００４１】
また、この制御型自己回帰モデルを（１）式で表現すると、制御・被制御変数の増減を同一モデル表現で実施できるようになる。なお、係数マトリックスＡは、被制御変数（横揺れや船首揺れ）の特性を示し，係数マトリックスＢは、制御変数（フィン角や舵角）の特性を示し、（１）式のΣはｍ＝１〜Ｍの総和を示す。
【００４２】
そして、この（１）式のモデルより船の操舵による運動の状態空間表現の（２）式及び（３）式を導出する。
【００４３】
【数２】
2004291773.tif 000004
【００４４】
ここで、Ｚ（ｎ）は状態変数、Ｙ（ｎ）は制御変数ベクトル、Φは遷移マトリックス、Γは駆動マトリックス、Ｈは観測マトリックス、Ｗ（ｎ）は白色雑音ベクトルである。
【００４５】
次いで、被制御変数Ｘ（ｎ）の偏差及び制御変数Ｙ（ｎ）の変動量を考慮して、２次形式の評価関数（４）式を導入する。なお、（４）式のΣはｊ＝１〜Ｊの総和を示す。
【００４６】
【数３】
2004291773.tif 000005
【００４７】
ここで、Ｑは被制御変数に対する相対的な重みを表す重み係数マトリックスであり、要素の数値が大きい程制御効果を強調する制御を目的とした制御ゲインを推定することになる。また、Ｒは制御変数に対する相対的な重みを表す重み係数マトリックスであり、要素の数値が大きい程制御効果を強調するような制御指令を出力する制御ゲインを推定することになる。
【００４８】
そして、Σのｊ＝１〜Ｊのサンプリングデータの加算範囲が最適化を試みる区間であり、Ｅは統計的期待値であり、確率論的な平均値の算出値を意味する。
【００４９】
そして、できるだけ少ない操作量で設定値からの偏差を小さくするために、評価関数Ｊ１  を最小にするような最適制御則を導く。この最適制御則を基に制御量を最適制御量とする最適な制御ゲインＧを導出する。
【００５０】
この最適ゲインはリカッチの方程式の解として、（５）式から（８）式を逐次計算して、最適制御としては、（９）式と決定され、ｉ＝Ｉに対応させて（１０）式となる。これは、ｎ＝１において、これから先のＩステップ間のシステムの動きを考えた場合の最適制御入力となる。そこで、定常な線形システムの場合、Ｉを固定つまりＧを固定して常に（１１）とする。
【００５１】
【数４】
2004291773.tif 000006
【００５２】
そして、この（１１）式のフィードバック制御を行えば、この制御は現在からＩステップ先までを考慮して、その間を最適にする制御の第１段目の制御入力を与えることになる。そして、安定で定常なシステムの場合はＩを長く、例えば、３０〜４０ステップ取ることにより実際上ＧＩ  は一定値Ｇとなるので、（１２）式が最適制御入力となる。
【００５３】
そして、このゲインＧを用いた制御則により、舵角δ及びフィン角αの指令値を導出する。また、制御モードに応じて制御ゲインのマトリックス要素を修正することになる。
【００５４】
以上の制御指令値の演算により、外乱状況、船体特性の変化に応じて、（１）式から（５）式をバックグランド（バックジョブ）で演算することにより、適応型の制御系を実現する。
【００５５】
そして、本発明においては、被制御変数（横揺れや船首揺れ）の特性を表す係数マトリックスＡ（ｍ）、制御変数（フィン角や舵角）の特性を表すＢ（ｍ）、重み関数Ｒにおいて、係数マトリックスの構成要素や列ベクトルの構成要素を選択的にゼロ設定可能に形成することにより、「統合複合減揺制御」「フィン単独減揺制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「舵単独減揺制御」、「舵単独複合減揺制御」、「フィン単独針路制御」を選択可能にする。なお、表１に、これらの制御の種類と制御対象及び制御に使用する入力との関係を示す。
【００５６】
【表１】
2004291773.tif 000007
【００５７】
係数マトリックスＡ（ｍ）とＢ（ｍ）の行列要素には、横揺れ値〔θｘ，・・・〕とフィン角αとを連成させる第１構成要素群ａ１，ｂ１、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と舵角δとを連成させる第２構成要素群ａ２，ｂ２、船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とフィン角αとを連成させる第３構成要素群ａ３，ｂ３、船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕と舵角δとを連成させる第４構成要素群ａ４，ｂ４がそれぞれある。
【００５８】
そして、これらの第１構成要素群ａ１，ｂ１〜第４構成要素群ａ４，ｂ４のすべてに、実験等やシミュレーション計算結果等から得られた適切な値を設定することにより、横揺れ値〔θｘ，・・・〕及び船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とに基づいて、フィン角αの制御と舵角δの制御を同時に行う「統合複合減揺制御」にすることができる。
【００５９】
この「統合複合減揺制御」では、フィン角αの制御も舵角δの制御も横揺れ値〔θｘ，・・・〕の減揺と船首揺れ値〔θｙ・・・〕の減揺、及び船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更を目的に行われ、保針性能を損なうことなく、フィンスタビライザーと舵減揺装置をそれぞれ単独で使用した場合よりも、横揺れ及び船首揺れを効果的に軽減できる。
【００６０】
そのため、海象状況が非常に荒れている状態で、舵単独又はフィン単独では所要の減衰効果を得るのが難しい場合や、舵制御量又はフィン制御量が限界になりそうな場合に使用される。
【００６１】
そして、この統合複合減揺制御系の設計は、模型船や実船における船体運動及びアクチュエーターの稼働状態のデータを基にして行う。より具体的には、舵角δ、フィン角αの制御と横揺れ値〔θｘ・・・〕、船首揺れ値〔θｙ・・・〕の被制御変数の増減を係数マトリックスＡ（ｍ）とＢ（ｍ）の行列要素の設定や、重み関数Ｒの構成要素の設定を行う。
【００６２】
また、舵角δとフィン角αによる横揺れ値〔θｘ・・・〕、船首揺れ値〔θｙ・・・〕の制御効果を個々に調整でき、更に、この設計及び調整した統合複合減揺制御系の評価は、舵角δとフィン角αの制御による横揺れ角θｘｓ、船首揺れ角θｙｓの減揺効果を周波数別に評価して、これらの舵角δ、フィン角αと、横揺れ角θｘｓ、船首揺れ角θｙｓの被制御変数の因果関係を解析することで行うことができる。
【００６３】
そして、この「統合複合減揺制御」の構成要素群ａｉ，ｂｉを適宜個別にゼロに設定、又は、フィンと舵の重み関数Ｒの構成要素の内のフィンに関する構成要素ｒ１や舵に関する構成要素ｒ２を操作することにより、以下に述べるような個別制御系を実現できる。更に、この重み関数Ｒの変更操作により、海象状況の変化に応じた制御ゲイン推定による適応制御を実現できる。
【００６４】
そして、これらの構成要素群の内、第２構成要素群ａ２，ｂ２と第３構成要素群ａ３，ｂ３をゼロに設定、あるいは、重み関数Ｒの舵に関する構成要素ｒ２をゼロに設定することにより、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と舵角δとの連成を無くし、かつ、船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とフィン角αとの連成を無くした制御、即ち、横揺れ値〔θｘ，・・・〕のみに基づいてフィン角αのみを制御する「フィン単独減揺制御」にすることができる。
【００６５】
この「フィン単独減揺制御」では、フィン角αの制御は横揺れ値〔θｘ，・・・〕の減揺を目的に行われ、舵角δの制御は、船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕の減揺を目的に行われる。この「フィン単独減揺制御」は，従来のフィンスタビライザー制御に相当する。
【００６６】
この「フィン単独減揺制御」は、荒天時にフィンでは減揺効果のみを目的に制御し、船首揺れは舵で補正する場合の制御である。
【００６７】
これらの構成要素群の内、第２構成要素群ａ２，ｂ２をゼロに設定、あるいは、重み関数Ｒの舵に関する構成要素ｒ２をゼロに設定することにより、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と舵角δとの連成を無くしているが、船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕と横揺れ値〔θｘ，・・・〕に基づいてフィン角αを制御する「フィン単独複合減揺制御」にすることができる。
【００６８】
この「フィン単独複合減揺制御」では、フィン角αの制御は横揺れ値〔θｘ，・・・〕の減揺と船首揺れ値〔θｙ・・・〕の減揺、及び船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更を目的に行われ、舵角δの制御は、船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕の減揺を目的に行われる。
【００６９】
この「フィン単独複合減揺制御」は、比較的荒天時においても減揺効果と保針制御を共に重視する場合に適している。
【００７０】
これらの構成要素群の内、第１構成要素群ａ１，ｂ１と第２構成要素群ａ２，ｂ２と第３構成要素群ａ３，ｂ３をゼロに設定、あるいは、重み関数Ｒのフィンに関する構成要素ｒ１をゼロに設定することにより、フィン制御を無くし、また、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と関係しない制御、即ち、船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とに基づいて、フィン制御を行わずに舵角δの制御のみを行う「舵単独減揺制御」にすることができる。
【００７１】
この「舵単独減揺制御」では、フィン角αの制御は行われず、舵角δの制御は、船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更と船首揺れ値〔θｙ・・・〕の減揺を目的に行われる。
【００７２】
この「舵単独減揺制御」は、あまり荒れていない海象状況で通常航海による単なる保針制御のみを行う場合に適している。
【００７３】
これらの構成要素群の内、第１構成要素群ａ１，ｂ１と第３構成要素群ａ３，ｂ３をゼロに設定、あるいは、重み関数Ｒのフィンに関する構成要素ｒ１をゼロに設定することにより、フィン制御を無くした制御、即ち、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とに基づいて、フィン制御を行わずに舵角δの制御のみを行う「舵単独複合減揺制御」にすることができる。
【００７４】
この「舵単独複合減揺制御」では、フィン角αの制御は行われず、舵角δの制御は、船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更、横揺れ値〔θｘ，・・・〕の減揺、及び船首揺れ値〔θｙ・・・〕の減揺を目的に行われる。この「舵単独複合減揺制御」は，従来の舵減揺制御に相当する。
【００７５】
この「舵単独複合減揺制御」は、荒天時にフィンによる減速することなく、保持及び減揺を行う経済性を重視する場合に適している。
【００７６】
これらの構成要素群の内、第２構成要素群ａ２，ｂ２と、第４構成要素群ａ４，ｂ４をゼロに設定、あるいは、重み関数Ｒの舵に関する構成要素ｒ２をゼロに設定することにより、舵制御を無くした制御、即ち、横揺れ値〔θｘ，・・・〕と船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕とに基づいて、舵角制御を行わずにフィン制御のみを行う「フィン単独針路制御」にすることができる。
【００７７】
この「フィン単独針路制御」では、舵角δの制御は行われず、フィン角αの制御は、船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更、横揺れ値〔θｘ，・・・〕の減揺、及び船首揺れ値〔θｙ・・・〕の減揺を目的に行われる。
【００７８】
この「フィン単独針路制御」は、「舵単独複合減揺制御」よりもフィンを最大限利用して減揺効果を期待する場合、及び、舵が何らかの理由で操舵不可となった時の緊急の保針や操舵を行う場合に適している。
【００７９】
そして、これらの制御に加えて、舵角δを大きく取る場合には、一般的に船体が横傾斜（ヒール）するので、これを抑制するために、フィン角αを補正して制御することが好ましく、舵輪の角度、又は、制御指令値の舵角δの値等が、予め設定した所定の値以上になった場合に、予め入力したマップデータ等から、この舵取りにより発生する横傾斜を抑制する復元力を発生させるフィン補正角αａを算出して、フィン角αを補正する。
【００８０】
なお、舵角δに対応して補正すべき取るべきフィン補正角αａの値は、実験結果やシミュレーション計算結果やその他の計算等で求めておき、マップデータや関数式等の形で予め制御部１２のデータ又はプログラムに入力しておく。
【００８１】
そして、これらの「統合複合減揺制御以外の制御」においては、統合複合減揺制御の設計値をそのまま使用することもできるが、個々の制御に対して最適な制御の設計を行うこともでき、この場合には、これらの個々の制御に対する模型船や実船における船体運動及びアクチュエーターの稼働状態のデータを基にして行うことができ、これらのデータを基に、舵角δやフィン角αの制御と横揺れ値〔θｘ・・・〕や船首揺れ値〔θｙ・・・〕の被制御変数の増減を、係数マトリックスＡ（ｍ）、Ｂ（ｍ）の行列要素の設定や重み関数Ｒの構成要素の設定を行う。
【００８２】
また、これらの設計及び調整した制御系の評価は、舵角δやフィン角αの制御による横揺れ値〔θｘ・・・〕の減揺効果や船首揺れ値〔θｙ・・・〕の減揺効果や船首方位角〔θｙｓ〕の保持及び変更の効果を周波数別に評価して、これらの舵角δやフィン角αと、横揺れ値〔θｘ・・・〕や船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕の被制御変数の因果関係を解析することで行う。
【００８３】
そして、操作部１１の手動入力で「統合複合減揺制御」「フィン単独減揺制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「舵単独減揺制御」、「舵単独複合減揺制御」「フィン単独針路制御」のいずれかを選択すると、その選択信号を受けて、それぞれの制御に対応してゼロとなる構成要素群ａｉ，ｂｉ、あるいは、重み関数Ｒの構成要素ｒ１，ｒ２を自動的にゼロに設定するように、制御部のプログラムを構成する。
【００８４】
この構成により、操作部１１の手動入力によって選択された「統合複合減揺制御」「フィン単独減揺制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「舵単独減揺制御」、「舵単独複合減揺制御」、「フィン単独針路制御」の内の一つに対応した制御が行われる。
【００８５】
更に、操作部１１の手動入力に、「自動制御選択」を選択可能に設けて、この選択信号を受けた場合には、海象や横揺れ値〔θｘ，・・・〕と船首方位角と船首揺れ値〔θｙｓ，θｙ・・・〕に基づいたり、フィン角αや舵角δに基づいて、これらの数値がある所定の範囲にある時は、その所定の範囲に対応した制御を自動的に選択して行うように設定することもできる。
【００８６】
例えば、計測される海象状態が穏やかな間は、「舵単独減揺制御」を自動的に選定して行い、やや荒れてきたときは、「フィン単独減揺制御」を自動的に選定して行い、更に荒れてきたときは、「統合複合減揺制御」を自動的に選定して行うように構成する。
【００８７】
あるいは、横揺れ値〔θｘ，・・・〕あるいはフィン角αが小さい間は、「舵単独減揺制御」を自動的に選定して行い、大きくなったときは、「フィン単独減揺制御」を自動的に選定して行い、更に大きくなったときは、「統合複合減揺制御」を自動的に選定して行うように構成する。
【００８８】
更に、船首揺れ値〔θｙ・・・〕あるいは舵角δが小さい間は、「フィン単独減揺制御」を自動的に選定して行い、船首揺れ値〔θｙ・・・〕あるいは舵角δが大きくなったときは、「フィン単独複合減揺制御」を自動的に選定して行い、船首揺れ値〔θｙ・・・〕あるいは舵角δが更に大きくなったときは、「統合複合減揺制御」を自動的に選定して行うように構成することもできる。
【００８９】
そして、舵が何らかのダメージを受けたり、舵の駆動系に故障が発生したことことを検知した場合には、「フィン単独針路制御」に自動的に移行して、舵輪から入力される指令方位角に追従するようにフィン角αを制御するように構成する。この舵故障の場合には、第１構成要素群ａ１，ｂ１と、第３構成要素群ａ３，ｂ３の内、船首方位角〔θｙｓ〕に関連する要素の寄与、あるいは、重み関数Ｒの関係する構成要素の寄与を特に大きくして、フィン制御のみで船首方位角を効率よく、指令方位角に変更及び維持できるようにすることが好ましい。
【００９０】
これらの制御の種類の優先順位は、減揺効果を重視するか、経済性を重視するかによって異なり、保針性能より減揺効果を重視するような場合では、「統合複合減揺制御」「フィン単独減揺制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「フィン単独針路制御」、「舵単独複合減揺制御」、「舵単独減揺制御」の順番となり、船速低下を少なくする経済性を重視するような場合では、「舵単独減揺制御」、「舵単独複合減揺制御」、「フィン単独減揺制御」、「フィン単独針路制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「統合複合減揺制御」の順番となる。
【００９１】
以上の構成により、「統合複合減揺制御」「フィン単独減揺制御」、「フィン単独複合減揺制御」、「舵単独減揺制御」、「舵単独複合減揺制御」、「フィン単独針路制御」のいずれか一つを手動又は自動で選択して、フィンスタビライザーと舵減揺装置を、単独制御又は複合制御又は統合制御で制御することができる。
【００９２】
従って、海象状態や船体動揺の状態やフィンや舵の制御量の状態等から、それぞれの状態に適した減揺制御を手動又は自動で選択して行うことができるので、海象状況の変化に応じた最適な減揺制御を行うことができる。
【００９３】
次に、第２の実施の形態の船体の減揺システムについて説明する。この第２の実施の形態は，図２に示すようなシステム構成をしており、フィンスタビライザーを前後２対装備した場合の船体の減揺システム１０Ａであり、前側のフィン２６ｆｓ，２６ｆｐと後側のフィン２６ａｓ，２６ａｐにより縦揺れ減揺効果を奏することができるので、第１の実施の形態に、縦揺れに関する部分が追加されることになる。
【００９４】
つまり、動揺検出装置４０Ａに、縦揺れ検出装置４３が加わり、ピッチ角度センサで検知した縦傾斜角θｚｓから、減算器により、基準角θｚ０からの偏差角である縦揺れ角θｚを算出し、必要に応じて、この縦揺れ角θｚを微分して縦揺れ角速度ｄθｚ／ｄｔ、縦揺れ角加速度ｄ２  θｚ／ｄｔ２  を算出して、これらの値を縦揺れ値〔θｚ・・・・〕とし、制御部１２に出力する。
【００９５】
そして、制御部１２では、縦揺れ値〔θｚ，・・・〕を加えて、船体運動を表す多次元の状態ベクトルＸ（ｎ）を形成し、フィン角度αを２対分にして、制御変数ベクトルＹ（ｎ）を形成する。また、外乱ベクトルＵ（ｎ）と、係数マトリックスＡ（ｍ）とＢ（ｍ）、状態変数ベクトルＺ（ｎ）、状態遷移マトリックスΦ、制御ベクトルΓ、雑音ベクトルＷ（ｎ）、被制御変数に対する重み係数マトリックスＱ、制御変数に対する重み係数マトリックスＲ、確率論的な平均値Ｅもそれに応じて次元を増やす。
【００９６】
その他は、第１の実施の形態の減揺システムと同じであり、この構成により、縦揺れを含めた船体動揺を軽減できる。
【００９７】
〔実施例〕
図３〜図６は、フィンを１対設けた時の実船における統合減揺制御の実施例を示し、それぞれの実施例における指令舵角（ｄｅｇ）、指令右フィン角（ｄｅｇ）、指令左フィン角（ｄｅｇ）、横揺角速度（ｄｅｇ／ｓ）、横揺角（ｄｅｇ）、方位偏差（＝実方位−設定方位：ｄｅｇ）を示す。
【００９８】
図３は、右舷フィン下げ、かつ、左舷フィン上げによる旋回の場合を示す。この時の、右フィン角は１０ｄｅｇ、対水船速は１５ｋｔｓ、設定方位は１９５ｄｅｇ、Ｓｅａ  Ｓｔａｔｅは１、真風向は２２５ｄｅｇ、真風速は１３ｍ／ｓであった。
【００９９】
図４は、右舷フィン上げ、かつ、左舷フィン下げによる旋回の場合を示す。この時の、右フィン角は−１０ｄｅｇ、対水船速は１５．７ｋｔｓ、設定方位は１９５ｄｅｇ、Ｓｅａ  Ｓｔａｔｅは９、真風向は３ｄｅｇ、真風速は２ｍ／ｓであった。
【０１００】
図５は、舵減揺制御を無効にした時のフィンによる強制動揺の場合を示す。この時の、フィンの動揺振幅は１５ｄｅｇ、フィンの動揺周期は１０．３ｓ、対水船速は１６ｋｔｓ、設定方位は２６０ｄｅｇ、Ｓｅａ  Ｓｔａｔｅは１、真風向は２０２．５ｄｅｇ、真風速は１１ｍ／ｓであった。
【０１０１】
図６は、フィンによる強制動揺を統合減揺制御で減揺した場合を示す。この時の、フィンの動揺振幅は１５ｄｅｇ、フィンの動揺周期は１０．３ｓ、対水船速は１５．７ｋｔｓ、設定方位は２４４ｄｅｇ、Ｓｅａ  Ｓｔａｔｅは１、真風向は２０２．５ｄｅｇ、真風速は１１ｍ／ｓであった。
【０１０２】
図３及び図４の実施例から、フィンの制御により、方位偏差を発生できることが実証され、また、図５及び図６から、統合減揺制御による動揺低減効果と保針性能の向上効果が分かる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る船舶の減揺システムによれば、次のような効果を奏することができる。
【０１０４】
船体の減揺システムを、フィン単独減揺制御と、舵単独複合減揺制御と、フィン制御と舵制御を同時に行う統合複合減揺制御とを選択可能に構成したことにより、比較的穏やかな海象時には、フィン単独制御と舵単独複合減揺制御のいずれかの個別単独制御系に切り換え、比較的荒い海象時には、舵複合減揺制御とフィンスタビライザー制御を統合して行う統合複合減揺制御系に切り換えて制御することができる。即ち、海象状態に応じて、フィン単独減揺制御と舵単独複合減揺制御と統合複合減揺制御のいずれかを、手動又は自動で選択して、保針性能等の操縦性能を確保しながら、効率よく減揺できる。
【０１０５】
つまり、比較的穏やかな海象状態では、フィン単独減揺制御又は舵単独複合減揺制御を選択して、船体の減揺のために駆動操作するものをフィン又は舵に制限し、動力の消費を抑制するので，燃費を向上できる。
【０１０６】
また、比較的荒い海象状態では、統合複合減揺制御を選択して、舵及びフィンスタビライザーを統合複合減揺制御し、大きな船体動揺をも適切な減揺制御で減揺できる。また、舵制御で発生する動揺をフィンスタビライザー制御で相殺できるので、大きな減揺効果を発揮することができる。更に、フィンスタビライザー制御による保針性能の低下を、同時に行う舵制御で回避できるので、操縦性能を向上することができる。
【０１０７】
そして、前後２対のフィンを装備したフィンスタビライザーを備えた場合には，縦揺れも加えた減揺制御が可能となるので、横揺れ、船首揺れ、縦揺れの３方向の回転方向の運動を総合的に減揺できる。
【０１０８】
更に、フィンのみの制御により、船体の針路の保持又は変更の少なくとも一方を行うフィン単独針路制御を設けると、舵取り装置が故障したり、舵がダメージを受けたりした時でも、フィンスタビライザーのフィンを制御することにより、進路保持（保針）や方向転換を行うことができるので、船体の制御を完全に失わずに済む。
【０１０９】
また、大角度旋回時に横傾斜を抑制するフィン制御を加えて構成すると、大きな舵角で旋回運動を行っているときでも、横傾斜を小さくすることができるので、甲板等における作業性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の船体の減揺システムの構成図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の船体の減揺システムの構成図である。
【図３】右舷フィン下げ、かつ、左舷フィン上げによる旋回の実船実験結果を示す図である。
【図４】右舷フィン上げ、かつ、左舷フィン下げによる旋回の実船実験結果を示す図である。
【図５】舵減揺制御を無効にした時のフィンによる強制動揺の実船実験結果を示す図である。
【図６】フィンによる強制動揺を統合減揺制御で減揺した場合の実船実験結果を示す図である。
【図７】フィンスタビライザーのシステムの構成図である。
【図８】舵減揺装置のシステムの構成図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ  船体の減揺システム
１１  操作部
１２  制御部
２３ｓ，２３ｐ  起動器
２４ｓ，２４ｐ  ポンプユニット
２５ｓ，２５ｐ  駆動部
２６ｓ，２６ｐ  フィン
３３  操舵コンソール
３４  起動器
３５  ポンプユニット
３６  駆動部
３７  舵
【図１】
2004291773.tif 000008
【図２】
2004291773.tif 000009
【図３】
2004291773.tif 000010
【図４】
2004291773.tif 000011
【図５】
2004291773.tif 000012
【図６】
2004291773.tif 000013
【図７】
2004291773.tif 000014
【図８】
2004291773.tif 000015