(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船の横揺角αｓを検出するロール角度センサ、船首方位δｓを検出するジャイロ、及びこれらの信号を入力する制御装置を備え、
該制御装置は、前記ロール角度センサからの横揺角度αｓを入力して基準横揺角αｂ（＝０度）に対する偏差（±αｓ）を求める減算器と、前記ジャイロからのジャイロ方位角δｓを入力して目標方位角δｂ（＝０度）に対する偏差（±δｓ）を求める減算器と、制御演算部とを備え、
該制御演算部は、横揺角偏差（±αｓ）から求めた横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）を小さくするフィン操作角度αを演算し、このフィン操作角度αを制御信号としてフィンスタビライザの動力部に出力すると同時に、前記横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）とから操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機に制御信号として出力するものであって、舵とフィンの状態を含む多次元制御型自己回帰モデルを用いて導出したゲイン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ことで舵減揺装置の制御とフィンスタビライザの制御とを統合したことを特徴とする減揺装置。
【請求項２】
船の横揺角αｓを検出するロール角度センサ、船の縦揺角βｓを検出するピッチ角度センサ、船首方位δｓを検出するジャイロ、及びこれらの信号を入力する制御装置を備え、
該制御装置は、前記ロール角度センサからの横揺角度αｓを入力して基準横揺角αｂ（＝０度）に対する偏差（±αｓ）を求める減算器と、前記ピッチ角度センサからの縦揺れ角度βｓを入力して基準縦揺角βｂ（＝０度）に対する偏差（±βｓ）を求める減算器と、前記ジャイロからのジャイロ方位角δｓを入力して目標方位角δｂ（＝０度）に対する偏差（±δｓ）を求める減算器と、制御演算部とを備え、
該制御演算部は、横揺角偏差（±αｓ）から求めた横揺角速度偏差（±αω）と、縦揺角偏差（±βｓ）から求めた縦揺角速度偏差（±βω）とを用いて、前記横揺角速度偏差（±αω）および縦揺角速度偏差（±βω）と方位偏差（±δｓ）が小さくなる方向に操作するフィン操作角度αを演算し、このフィン操作角度αを制御信号としてフィンスタビライザの動力部に出力する一方、上記横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）とから操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機に制御信号として出力するものであって、舵とフィンの状態を含む多次元制御型自己回帰モデルを用いて導出したゲイン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ことで舵減揺装置の制御とフィンスタビライザの制御とを統合したことを特徴とする減揺装置。
【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および舵減揺装置などを用いて海上を航行する船舶などの減揺を行なう装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フィンスタビライザは、船体中央付近の両舷水面下に可動式のフィンを装備し、船の横揺れに対して反対方向の揚力を発生させて、船の横揺れを抑制する装置である。その制御方式は、船の横揺れをロール角度センサにより検出し、そのフィードバック信号を制御装置で演算し、フィン角度指令をフィン駆動装置に出力するようになっている。また、従来のフィンスタビライザは、横揺れのみを制御しているため、フィンの取り付け位置によっては、船首揺れを励起している。
【０００３】
一方、舵減揺装置は、舵のみを制御して船の横揺れと、船首揺れとを抑制する装置であり、その制御方式は、横揺れ角速度を角速度センサで検出し、船首方位をジャイロから入力し、両方のフィードバック信号をもとに制御演算処理を行なって舵角指令を舵取り機に出力するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フィンスタビライザと舵減揺装置とはそれぞれ独立した装置であり、フィンスタビライザは、横揺れ制御のみを行い、舵減揺装置は、横揺れ制御と保針制御とを行なっている。このように、フィンスタビライザと舵減揺装置とは、互いに独立した運用を行なうため、各装置の単体性能以上の高い減揺効果を発揮することが難しい。
【０００５】
また、フィンスタビライザは、作動中発生する船首揺れを制御することができない。更に、従来の減揺装置では、縦揺れを制御することができなかった。
【０００６】
本発明は、係る従来の問題に着目し、船舶における横揺れ、縦揺れ、及び船首揺れを効果的に低減することのできる減揺装置を提供することを目的とする。また、減揺効果の向上による船体抵抗の低減を図ることができる減揺装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、次のように構成される。
【０００８】
本願の請求項１に係る発明は、船の横揺角αｓを検出するロール角度センサ、船首方位δｓを検出するジャイロ、及びこれらの信号を入力する制御装置を備え、
該制御装置は、前記ロール角度センサからの横揺角度αｓを入力して基準横揺角αｂ（＝０度）に対する偏差（±αｓ）を求める減算器と、前記ジャイロからのジャイロ方位角δｓを入力して目標方位角δｂ（＝０度）に対する偏差（±δｓ）を求める減算器と、制御演算部とを備え、
該制御演算部は、横揺角偏差（±αｓ）から求めた横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）を小さくするフィン操作角度αを演算し、このフィン操作角度αを制御信号としてフィンスタビライザの動力部に出力すると同時に、前記横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）とから操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機に制御信号として出力するものであって、舵とフィンの状態を含む多次元制御型自己回帰モデルを用いて導出したゲイン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ことで舵減揺装置の制御とフィンスタビライザの制御とを統合したことを特徴とするものである。
【０００９】
本願の請求項２に係る発明は、船の横揺角αｓを検出するロール角度センサ、船の縦揺角βｓを検出するピッチ角度センサ、船首方位δｓを検出するジャイロ、及びこれらの信号を入力する制御装置を備え、
該制御装置は、前記ロール角度センサからの横揺角度αｓを入力して基準横揺角αｂ（＝０度）に対する偏差（±αｓ）を求める減算器と、前記ピッチ角度センサからの縦揺れ角度βｓを入力して基準縦揺角βｂ（＝０度）に対する偏差（±βｓ）を求める減算器と、前記ジャイロからのジャイロ方位角δｓを入力して目標方位角δｂ（＝０度）に対する偏差（±δｓ）を求める減算器と、制御演算部とを備え、
該制御演算部は、横揺角偏差（±αｓ）から求めた横揺角速度偏差（±αω）と、縦揺角偏差（±βｓ）から求めた縦揺角速度偏差（±βω）とを用いて、前記横揺角速度偏差（±αω）および縦揺角速度偏差（±βω）と方位偏差（±δｓ）が小さくなる方向に操作するフィン操作角度αを演算し、このフィン操作角度αを制御信号としてフィンスタビライザの動力部に出力する一方、上記横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）とから操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機に制御信号として出力するものであって、舵とフィンの状態を含む多次元制御型自己回帰モデルを用いて導出したゲイン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ことで舵減揺装置の制御とフィンスタビライザの制御とを統合したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
図１は第１の実施形態に係る減揺装置のブロック構成図である。図１に示すように、船舶１０には、舵１２およびフィンスタビライザ１４が装備され、舵１２は舵取機１１によって操作され、船体中央付近の両舷側水面下に装備されたフィン１５は、フィンスタビライザ１４の動力部１３によって操作されるようになっている。
【００１２】
また、この船舶１０は、航行中における横揺角αｓを検知するロール角度センサ１６と、水平方位角を検出するジャイロセンサ１７とを備えるとともに、ロール角度センサ１６からの検出信号αs と、ジャイロセンサ１７からの検出信号δs とを用いて舵１２およびフィンスタビライザのフィン１５を制御する制御装置２０を備えている。
【００１３】
この制御装置２０は、横揺角の減算器１８と、方位角の減算器１９と、ハイブリッド制御関数処理部（制御演算部）２１とを有し、多入力多出力（２入力２出力）の制御方式を採用している。
【００１４】
上記横揺角の減算器１８は、ロール角度センサ１６からの検出横揺角度αs を入力して基準横揺角αb （＝０度）に対する偏差（±αs ）を求め、それを制御装置２０のハイブリッド制御関数処理部２１に出力し、上記方位角の減算器１９は、ジャイロ方位角δs を入力して目標方位角δb （＝０度）に対する偏差（±δｓ）を求め、それを制御装置２０のハイブリッド制御関数処理部２１に出力するようにしている。
【００１５】
上記ハイブリッド制御関数処理部２１は、上記横揺角偏差（±αs ）を微分して求めた横揺角速度偏差（±αω）を用いて、この横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δｓ）が小さくなる方向に操作するフィン操作角度αを演算し、この操作角度αを制御信号としてフィン１５の動力部１３に出力する一方、上記横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δs ）とを用いて操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機１１に制御信号として出力し、フィンスタビライザのフィン１５のフィン角αの制御と、舵１２の舵角δの制御とを同時に行なっている。
【００１６】
上記ハイブリッド制御関数処理部２１は、多変数制御に適した制御理論として多次元制御型自己回帰モデルを用いる。すなわち、
【００１７】
【数１】
0004776797.tif 000002
ここで、X(t)は船首揺れと横揺れ運動を表す多次元（２次元）の状態ベクトル、Y(m)は舵とフィンを表す制御ベクトル、U(t)は各変数に加わるX(t)と無相関な外乱ベクトル、そして、A(m),(B(m)は制御系の特性を表す係数マトリックスである。このモデルより船の操舵による運動の状態空間表現を導出する。
【００１８】
すなわち、
【００１９】
【数２】
0004776797.tif 000003
【００２０】
【数３】
0004776797.tif 000004
ここで、Z(t)は状態変数 (被操作変数ベクトル) 、Y(t)は制御変数ベクトル、Φは状態遷移マトリクス、Γは制御ベクトル、H は船速ベクトル、そして、W(t)は雑音ベクトルである。次いで、被制御変数の偏差及び制御変数の変動量を考慮して２次形式の評価関数を導入する。
【００２１】
【数４】
0004776797.tif 000005
ここで、Q は被制御変数に対する重み係数マトリクス、R は制御変数に対する重み係数マトリクス、E は確率論的な平均値である。J1を最小にするような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。
【００２２】
【数５】
0004776797.tif 000006
このゲインG を用いた制御則により舵角δおよびフィン角αの指令値を導出する。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て演算することによって適応型の制御系を実現する。
【００２３】
上記のような実施形態を採用することにより、横揺れ及び船首揺れを効果的に軽減できる。また、この減揺効果は、フィンスタビライザおよび舵減揺装置をそれぞれ単独で使用した場合よりも向上する。
【００２４】
また、上記のように、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とを統合するため、フィンスタビライザ作動により発生する船首揺れが抑制される。また、上記減揺効果により、船体抵抗が低減し、航走効率が向上する。
【００２５】
図２は、該制御演算部および波浪中での船体運動を計算機で模擬した場合の制御効果を示したものである。（ａ）は無制御時とフィンスタビライザと舵によるハイブリッド減揺制御時の方位偏差の時系列である。（ｂ）は横揺角、（ｃ）は操作舵角、（ｄ）はフィン操作角である。
【００２６】
図３は、該制御演算部を搭載した模型船による制御効果を示したものである。（ａ）はフィンスタビライザと舵による強制動揺からフィンスタビライザと舵によるハイブリッド減揺制御時に切り換えた場合の横揺角である。（ｂ）は方位偏差、（ｃ）はフィン操作角、（ｄ）は操作舵角である。
【００２７】
図２のシュミレーション結果、図３の模型実験の結果から方位偏差と横揺角は、ハイブリッド減揺制御によって、その変動量が減少すること、多次元制御型自己回帰モデルによる制御が実現可能なことがわかる。
【００２８】
次に、フィンスタビライザ１４を船体１０に前後２対装備し、船体の横揺れ、縦揺れ、および船首揺れの低減を計る例について説明する。
【００２９】
図４は第２の実施形態に係る減揺装置のブロック構成図である。図４に示すように、船舶１０には、舵１２およびフィンスタビライザ１４が装備され、舵１２は舵取機１１によって操作され、船体中央付近の両舷側水面下に装備されたフィン１５は、フィンスタビライザ１４の動力部１３によって操作されるようになっている。
【００３０】
また、この船舶１０は、航行中における横揺角αs を検知するロール角度センサ１６、水平方位角を検出するジャイロセンサ１７、および航行中における縦揺角βs を検知するピッチ角検出センサ２２を備えるとともに、ロール角度センサ１６からの検出信号αs と、ジャイロセンサ１７からの検出信号δs と、ピッチ角検出センサ２２からの検出信号βs とから舵１２、およびフィンスタビライザのフィン１５を制御する制御装置２０Ａを備えている。
【００３１】
この制御装置２０Ａは、横揺角の減算器１８、方位角の減算器１９、縦揺角の減算器２３、およびハイブリッド制御関数処理部２１Ａを有し、多入力多出力（３入力２出力）の制御方式を採用している。
【００３２】
上記横揺角の減算器１８は、ロール角度センサ１６から検出横揺角度αｓを入力して基準横揺角αｂ（＝０度）に対する偏差（±αｓ）を求め、それを制御装置２０Ａのハイブリッド制御関数処理部２１Ａに出力し、上記方位角の減算器１９は、ジャイロ方位角δｓを入力して目標方位角δｂ（＝０度）に対する偏差（±δｓ）を求め、それを制御装置２０Ａのハイブリッド制御関数処理部２１Ａに出力し、上記縦揺角の減算器２３は、ピッチ角度センサ２２からの検出縦揺角度βｓを入力して基準縦揺角βｂ（＝０度）に対する偏差（±βｓ）を求め、それを制御装置２０Ａのハイブリッド制御関数処理部２１Ａに出力するようにしている。
【００３３】
上記ハイブリッド制御関数処理部２１Ａは、横揺角偏差（±αs ）を積分して求めた横揺角速度偏差（±αω）と、縦揺角偏差（±βs ）を微分して求めた縦揺角速度偏差（±βω）とを用いて、この横揺角速度偏差（±αω）および縦揺角速度偏差（±βω）と方位偏差（±δs ）が小さくなる方向に操作するフィン操作角度αを演算し、この操作角度αを制御信号としてフィン１５の動力部１３に出力する一方、上記横揺角速度偏差（±αω）と、方位偏差（±δs ）を用いて操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機１１に制御信号として出力し、フィンスタビライザのフィン１５のフィン角αの制御と、舵１２の舵角δの制御とを同時に行なっている。
【００３４】
上記のような実施形態による減揺効果は、フィンスタビライザおよび舵減揺装置をそれぞれ単独で使用した場合よりも向上する。更に、フィンを前後２対装備することにより、横揺れおよび船首揺れに加えて、縦揺れに対する減揺効果が得られる。
【００３５】
また、上記のように、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とを統合するため、フィンスタビライザ作動により発生する船首揺れが抑制される。また、上記減揺効果により、船体抵抗が低減し、航走効率が向上する。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、船の横揺角αs を検出するロール角度センサ、船首方位δs を検出するジャイロ、及びこれらの信号を入力する制御装置を備え、
該制御装置は、ロール角度センサからの横揺角度αs を入力して基準横揺角αb （＝０度）に対する偏差を求める減算器と、ジャイロからの方位角δs を入力して目標方位角δb （＝０度）に対する偏差を求める減算器と、制御演算部とを備え、
該制御演算部は、横揺角偏差（±αs ）から求めた横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δs ）を小さくするフィン操作角度αを演算し、この操作角度αを制御信号としてフィンスタビライザの動力部に出力すると同時に、横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δs ）とから操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機に制御信号として出力するから、横揺れ及び船首揺れを効果的に軽減できる。また、この減揺効果は、フィンスタビライザ及び舵減揺装置をそれぞれ単独で使用した場合よりも向上する。また、本発明は、上記のように、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とを統合するため、フィンスタビライザ作動により発生する船首揺れが抑制される。また、上記減揺効果により、船体抵抗が低減し、航走効率が向上する。
【００３７】
また、本発明の他の一つは、船の横揺角αs を検出するロール角度センサ、船の縦揺角βs を検出するピッチ角度センサ、船首方位δs を検出するジャイロ、及びこれらの信号を入力する制御装置を備え、
該制御装置は、ロール角度センサからの横揺角度αs を入力して基準横揺角αb （＝０度）に対する偏差を求める減算器と、ピッチ角度センサからの縦揺角度βs を入力して基準横揺角βｂ（＝０度）に対する偏差を求める減算器と、ジャイロからの方位角δs を入力して目標方位角δb （＝０度）に対する偏差を求める減算器と、制御演算部とを備え、
該制御演算部は、横揺角偏差（±αs ）から求めた横揺角速度偏差（±αω）と、縦揺角偏差（±βs ）から求めた縦揺角速度偏差（±βω）とを用いて、この横揺角速度偏差（±αω）および縦揺角速度偏差（±βω）と方位偏差（±δs ）が小さくなる方向に操作するフィン操作角度αを演算し、この操作角度を制御信号としてフィンの動力部に出力する一方、上記横揺角速度偏差（±αω）と方位偏差（±δs ）を用いて操作舵角δを求め、この操作舵角δを舵取機に制御信号として出力するから、フィンスタビライザおよび舵減揺装置をそれぞれ単独で使用した場合よりも減揺効果が向上する。更に、フィンを前後２対装備することにより、横揺れおよび船首揺れに加えて、縦揺れに対する減揺効果が得られる。また、上記のように、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とを統合するため、フィンスタビライザ作動により発生する船首揺れが抑制される。また、上記減揺効果により、船体抵抗が低減し、航走効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る減揺装置のブロック構成図である。
【図２】本発明に係る減揺装置のシュミレーションによる効果事例であり、（ａ）は無制御時とフィンスタビライザと舵によるハイブリッド減揺制御時の方位偏差の時系列、（ｂ）は横揺角、（ｃ）は操作舵角、（ｄ）はフィン操作角である。
【図３】本発明に係る減揺装置の模型実験による効果事例であり、（ａ）はフィンスタビライザと舵による強制動揺からフィンスタビライザと舵によるハイブリッド減揺制御時に切り換えた場合の横揺角、（ｂ）は方位偏差、（ｃ）はフィン操作角、（ｄ）は操作舵角である。
【図４】本発明に係る減揺装置の他のブロック構成図である。
【符号の説明】
１１  舵取機
１３  フィンスタビライザの動力部
１６  ロール角度センサ
１７  ジャイロ
１８  減算器
１９  減算器
２０  制御装置
２１  制御演算部
【図１】
0004776797.tif 000007
【図２】
0004776797.tif 000008
【図３】
0004776797.tif 000009
【図４】
0004776797.tif 000010