(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の目標回転数と前記制御対象の実回転数との偏差である回転数偏差を演算する演算手段と、
前記演算手段により演算された回転数偏差に基づいて微分補正量を演算する微分補正量演算手段と、
前記演算手段により演算された回転数偏差に基づいて比例補正量を演算する比例補正量演算手段と、
前記演算手段により演算された回転数偏差に基づいて積分補正量を演算する積分補正量演算手段と、
前記積分補正量演算手段により演算された積分補正量が上限値を超えるときは前記積分補正量を前記上限値に制限して出力し、前記積分補正量が下限値を下回るときは前記積分補正量を前記下限値に制限して出力し、前記積分補正量が下限値以上であって上限値以下であるときは前記積分補正量をそのまま出力する積分補正量制限手段と、
前記回転数偏差の絶対値が所定値を超え、かつ、前記積分補正量制限手段によって前記積分補正量が制限された場合に、前記比例補正量演算手段により演算された比例補正量に応じて、前記積分補正量制限手段の上限値及び下限値を拡大する限界値拡大手段と、
前記微分補正量演算手段により演算された微分補正量、前記比例補正量演算手段により演算された比例補正量及び前記積分補正量制限手段から出力された積分補正量を加算して、前記制御対象の回転数を制御するための制御信号を出力する加算手段と、を備え、
前記限界値拡大手段は、前記比例補正量の増加に応じて増加する拡大幅を前記上限値に加算することによって前記上限値を拡大し、前記拡大幅を前記下限値から減算することによって前記下限値を拡大することを特徴とする回転数制御装置。
【請求項２】
前記限界値拡大手段は、前記回転数偏差の絶対値が所定値以下になった場合、又は、前記積分補正量制限手段によって前記積分補正量が制限されない場合に、前記上限値及び前記下限値を拡大前の初期値に設定することを特徴とする請求項１に記載の回転数制御装置。
【請求項３】
前記制御対象は、船舶の推進器を回転させる回転軸であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転数制御装置。
【請求項４】
制御対象の目標回転数と前記制御対象の実回転数との偏差である回転数偏差を演算し、
前記演算された回転数偏差に基づいて、微分補正量、比例補正量、及び積分補正量をそれぞれ演算し、
前記回転数偏差の絶対値が所定値を超え、かつ、前記積分補正量が飽和する場合に、前記演算された比例補正量に応じて、前記積分補正量の上限値及び下限値を拡大し、
前記演算された積分補正量が拡大された上限値を超えるときは前記積分補正量を前記上限値に制限して出力し、前記積分補正量が拡大された下限値を下回るときは前記積分補正量を前記下限値に制限して出力し、前記積分補正量が拡大された下限値以上であって拡大された上限値以下であるときは前記積分補正量をそのまま出力し、
前記演算された微分補正量、前記演算された比例補正量及び前記出力された積分補正量を加算して、前記制御対象の回転数を制御するための制御信号を出力し、
前記上限値及び前記下限値を拡大では、前記比例補正量の増加に応じて増加する拡大幅を前記上限値に加算することによって前記上限値を拡大し、前記拡大幅を前記下限値から減算することによって前記下限値を拡大することを特徴とする回転数制御方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転数制御装置と、
前記回転数制御装置で使用される制御対象の実回転数を検出する検出手段と、
前記回転数制御装置から出力される制御信号に基づいて前記制御対象を回転駆動させる回転駆動手段と、
を備えたことを特徴とする回転駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転数制御装置、回転数制御方法及び回転駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、積分演算部が制御弁の操作量を演算して、リミッタを介して内燃機関に出力する内燃機関の制御装置が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１の技術は、制御弁の操作量がリミッタによって制限された後に、制御量の目標値が変化した場合であっても、ワインドアップの発生を防止するアンチワインドアップ部を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１１１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、制御対象に過渡的な変化が与えられた場合、上下限リミッタを持つ積分演算部の出力値が上下限値に飽和してしまい、応答速度が遅くなる問題があった。一方、応答速度を早くしようとすると、積分演算部の上下限リミッタ値を広げ、ＰＩＤ制御部のゲインを調整する必要があり、調整に時間と手間がかかる問題がある。このため、ワインドアップ量の減少を優先させ応答時間の短縮を断念することもあった。
【０００５】
本発明は、このような実情を鑑みて提案されたものであり、手間のかかる調整をすることなく、制御対象のワインドアップ現象を防止すると共に、過渡応答時間を短縮することができる回転数制御装置、回転数制御方法及び回転駆動システム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】
【０００６】
本発明に係る回転数制御装置の第一実施態様は、制御対象の目標回転数と前記制御対象の実回転数との偏差である回転数偏差を演算する演算手段と、前記演算手段により演算された回転数偏差に基づいて微分補正量を演算する微分補正量演算手段と、前記演算手段により演算された回転数偏差に基づいて比例補正量を演算する比例補正量演算手段と、前記演算手段により演算された回転数偏差に基づいて積分補正量を演算する積分補正量演算手段と、前記積分補正量演算手段により演算された積分補正量が上限値を超えるときは前記積分補正量を前記上限値に制限して出力し、前記積分補正量が下限値を下回るときは前記積分補正量を前記下限値に制限して出力し、前記積分補正量が下限値以上であって上限値以下であるときは前記積分補正量をそのまま出力する積分補正量制限手段と、前記回転数偏差の絶対値が所定値を超え、かつ、前記積分補正量制限手段によって前記積分補正量が制限された場合に、前記比例補正量演算手段により演算された比例補正量に応じて、前記積分補正量制限手段の上限値及び下限値を拡大する限界値拡大手段と、前記微分補正量演算手段により演算された微分補正量、前記比例補正量演算手段により演算された比例補正量及び前記積分補正量制限手段から出力された積分補正量を加算して、前記制御対象の回転数を制御するための制御信号を出力する加算手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る回転数制御装置の第二実施態様は、第一実施態様において、前記限界値拡大手段は、前記比例補正量の増加に応じて増加する拡大幅を前記上限値に加算することによって前記上限値を拡大し、前記拡大幅を前記下限値から減算することによって前記下限値を拡大することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る回転数制御装置の第三実施態様は、第一又は第二実施態様において、前記限界値拡大手段は、前記回転数偏差の絶対値が所定値以下になった場合、又は、前記積分補正量制限手段によって前記積分補正量が制限されない場合に、前記上限値及び前記下限値を拡大前の初期値に設定することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る回転数制御装置の第四実施態様は、第一から第三実施態様のいずれかにおいて、前記制御対象は、船舶の推進器を回転させる回転軸であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る回転数制御方法の実施態様は、制御対象の目標回転数と前記制御対象の実回転数との偏差である回転数偏差を演算し、前記演算された回転数偏差に基づいて、微分補正量、比例補正量、及び積分補正量をそれぞれ演算し、前記回転数偏差の絶対値が所定値を超え、かつ、前記積分補正量が飽和する場合に、前記演算された比例補正量に応じて、前記積分補正量の上限値及び下限値を拡大し、前記演算された積分補正量が拡大された上限値を超えるときは前記積分補正量を前記上限値に制限して出力し、前記積分補正量が拡大された下限値を下回るときは前記積分補正量を前記下限値に制限して出力し、前記積分補正量が拡大された下限値以上であって拡大された上限値以下であるときは前記積分補正量をそのまま出力し、前記演算された微分補正量、前記演算された比例補正量及び前記出力された積分補正量を加算して、前記制御対象の回転数を制御するための制御信号を出力することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る回転駆動システムの実施態様は、本発明に係る回転数制御装置の第一から第四実施態様のいずれかと、前記回転数制御装置で使用される制御対象の実回転数を検出する検出手段と、前記回転数制御装置から出力される制御信号に基づいて前記制御対象を回転駆動させる回転駆動手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、手間のかかる調整をすることなく、制御対象のワインドアップ現象を防止すると共に、過渡応答時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る船舶推進システムの構成を示すブロック図である。
【図２】船舶推進システムにおいて変速指令を発令した場合の過渡応答特性と従来のアンチワイドアップＰＩＤ制御の過渡応答特性とを比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る船舶推進システム１（回転駆動システム）の構成を示すブロック図である。
【００１５】
船舶推進システム１は、アンチワインドアップ型ＰＩＤ制御により、船舶に推進力を与えるスクリュー１１（制御対象）の回転数が目標回転数になるように、ガバナ１５から主機関１４に供給される燃料Ｇの噴射量を制御する。
【００１６】
船舶推進システム１は、スクリュー１１、スクリュー１１が取り付けられた主軸１２（制御対象）、入力回転を所定の減速比で主軸１２に伝達する減速機１３（回転駆動手段）、燃料Ｇの供給量に応じた回転を得て減速機１３に入力する主機関（エンジン）１４（回転駆動手段）１４、ガバナ開度指令値に従って主機関１４へ供給する燃料Ｇの噴射量を調整するガバナ１５（回転駆動手段）を備えている。
【００１７】
さらに、船舶推進システム１は、主軸１２の回転数に応じた信号を出力するセンサ２０（検出手段）、スロットル操作量に応じた回転数指令値Ｆｓ（ｔ）を出力するスロットル操作部３０、センサ２０から出力された信号（回転数）及びスロットル操作部３０から出力された回転数指令値Ｆｓ（ｔ）に基づいてガバナ開度指令値を出力する主軸回転制御装置４０（回転数制御装置）を備えている。
【００１８】
主軸回転制御装置４０は、加算器４１（演算手段）、微分定数乗算器４２（微分補正量演算手段）、微分器４３（微分補正量演算手段）、比例定数乗算器４４（比例補正量演算手段）を備えている。
【００１９】
加算器４１は、スロットル操作部３０から出力された回転数指令値Ｆｓ（ｔ）を正の入力信号、センサ２０から出力された回転数を負の入力信号として、加算演算を行い、その演算結果である回転数偏差Δｒｐｍを出力する。
微分定数乗算器４２は、加算器４１から出力された回転数偏差Δｒｐｍに微分定数Ｋｄを乗算する。
微分器４３は、微分定数乗算器４２から出力された乗算結果を微分して、その演算結果である微分補正量Ｆｄ（ｔ）を加算器５３へ出力する。
比例定数乗算器４４は、加算器４１から出力された回転数偏差Δｒｐｍに微分定数Ｋｐを乗算する。
【００２０】
さらに、主軸回転制御装置４０は、積分リミッタ関数演算器４５、積分リミッタ拡大演算部４６（限界値拡大手段）、積分定数乗算器４７、加算器４８、積分器４９（積分補正量演算手段）、加算器５０、乗算器５１、リミッタ回路５２（微分補正量制限手段）、加算器５３（加算手段）を備えている。
【００２１】
積分リミッタ関数演算器４５は、スロットル操作部３０から出力された回転数指令値Ｆｓ（ｔ）を用いて、下記のように積分リミッタ関数Ｆｌ［Ｆｓ（ｔ）］を演算する。
【００２２】
Ｆｌ［Ｆｓ（ｔ）］＝ｃ×［Ｆｓ（ｔ）］３      ｃは換算係数
【００２３】
関数Ｆｌ（ｓ）は、初期に設定する積分項の上限値（下限値の絶対値）であり、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑える働きをする。制御対象が回転数指令値Ｆｓ（ｔ）に対してガバナ開度が３乗の特性をもつ。このため、関数Ｆｌ（ｓ）はＦｓ（ｔ）の３乗の項を有している。但し、制御対象が異なれば、関数Ｆｌ（ｔ）が非線形の特性になることもある。
そして、積分リミッタ関数演算器４５は、演算結果を積分リミッタ拡大演算部４６へ出力する。
【００２４】
積分リミッタ拡大演算部４６は、積分飽和検知部４６ａ、積分リミッタ加算関数演算器４６ｂ、ゼロ値出力部４６ｃ、選択部４６ｄ、加算器４６ｅを備えている。
【００２５】
積分飽和検知部４６ａは、加算器４１から出力された回転数偏差Δｒｐｍを用いて、次の式（１）が成立するかを判定する。
【００２６】
｜Δｒｐｍ｜＞０．５ｒｐｍ      ・・・（１）
【００２７】
式（１）が成立する場合は、回転数が目標値（回転数指令値）近傍になっていないが、式（１）が成立しない場合は、回転数が目標値近傍（誤差が０．５ｒｐｍ以下）になっている。
【００２８】
さらに、積分飽和検知部４６ａは、加算器５０の演算結果であるΔＦｉ（ｔ）を用いて、次の式（２）が成立するかを判定する。
【００２９】
ΔＦｉ（ｔ）＜０      ・・・（２）
【００３０】
式（２）が成立する場合は、ＰＩＤ制御器の積分項（積分器４９の出力）が飽和して上限リミッタ又は下限リミッタを超えている。
【００３１】
積分飽和検知部４６ａは、式（１）及び式（２）の両方が成立する場合には、積分項の上限値（下限値の絶対値）拡大を指示するオン信号を選択部４６ｄへ出力する。また、積分リミッタ拡大演算部４６は、式（１）及び式（２）の少なくとも一方が成立しない場合には、積分項の上限値（下限値の絶対値）拡大の停止を指示するオフ信号を選択部４６ｄへ出力する。
【００３２】
積分リミッタ加算関数演算器４６ｂは、比例定数乗算器４４から出力された比例補正量Ｆｐ（ｔ）を用いて、下記のように積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］を演算する。
【００３３】
Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］＝ｎ×Ｆｐ（ｔ）
【００３４】
積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］は、比例補正量Ｆｐ（ｔ）をｎ倍する比例項であり、積分項の上限値の拡大幅に対応する。このため、回転数が目標値（回転数指令値）に近づくにしたがって、積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］が小さくなり、上限値の拡大幅も小さくなる。
そして、回転数が目標値近傍になる（目標値に略一致する）と、積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］が上限値に与える影響（補正幅）が極小となる。このとき、積分リミッタ関数Ｆｌ（ｔ）が上限値全体に対応する状態となり、この時点で上限値拡大が停止する。
ゼロ値出力部４６ｃは、積分項の上限値の拡大幅をゼロにするためのゼロ値を出力する。
【００３５】
選択部４６ｄは、積分飽和検知部４６ａからオン信号が入力された場合は、積分リミッタ加算関数演算器４６ｂで演算された積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］を選択し、積分飽和検知部４６ａからオフ信号が入力された場合は、ゼロ値出力部４６ｃから出力されたゼロ値を選択し、選択したものを加算器４６ｅへ出力する。
【００３６】
加算器４６ｅは、積分リミッタ関数演算器４５から入力された積分リミッタ関数Ｆｌ［Ｆｓ（ｔ）］（積分項の上限値）と、選択部４６ｄから入力された値（上限値の拡大幅）とを加算し、演算結果を乗算器５１及びリミッタ回路５２へ出力する。
加算器４６ｅにより出力される値は、積分項について最終調整された上限値（下限値の絶対値）を示している。
【００３７】
乗算器５１は、加算器４６ｅの演算結果に（−１）を乗じることで、積分項について最終調整された下限値を出力する。
【００３８】
リミッタ回路５２は、積分器４９から出力された積分項が下限値から上限値までの範囲内にある場合は、当該積分項を積分補正量Ｆｉ（ｔ）としてそのまま加算器５３へ出力する。
一方、リミッタ回路５２は、積分項が下限値より小さい場合は当該下限値を積分補正量Ｆｉ（ｔ）として加算器５３へ出力する。
【００３９】
また、リミッタ回路５２は、積分項が上限値より大きい場合は当該上限値を積分補正量Ｆｉ（ｔ）として加算器５３へ出力する。つまり、リミッタ回路５２は、積分項が飽和していない場合は当該積分項をそのまま積分補正量Ｆｉ（ｔ）として出力し、積分項が上限値又は下限値を超えて飽和している場合はその上限値又は下限値を積分補正量Ｆｉ（ｔ）として出力する。
【００４０】
加算器５３は、微分器４３から出力された微分補正量Ｆｄ（ｔ）、比例定数乗算器４４から出力された比例補正量Ｆｐ（ｔ）、リミッタ回路５２から出力された積分補正量Ｆｉ（ｔ）を加算することで、ガバナ開度指令を演算する。
【００４１】
ガバナ１５は、加算器５３で演算されたガバナ開度指令に応じて、主機関１４への燃料Ｇの噴射量を制御する。この結果、主機関１４は、減速機１３及び主軸１２を介して、目標回転数になるようにスクリュー１１を回転させる。
【００４２】
船舶推進システム１において、制御対象に過渡的な変化を与えた場合、例えば船舶が停止状態から発進する場合には、主軸回転制御装置４０は次のような演算処理を行う。
【００４３】
船舶が停止状態から発進する場合、最初に、主軸回転制御装置４０に入力される回転数はゼロである。主軸回転制御装置４０内の加算器４１は、回転数偏差Δｒｐｍとして回転数指令値Ｆｓ（ｔ）をそのまま出力する。つまり、回転数偏差Δｒｐｍの絶対値は、０．５ｒｐｍに比べて非常に大きな値になる。
【００４４】
このため、積分器４９の出力値（積分項）が急激に大きくなって飽和するので、加算器５０の出力値であるΔＦｉ（ｔ）は０未満になる。よって、積分飽和検知部４６ａは、上述した式（１）及び式（２）が共に成立するので、オン信号を選択部４６ｄへ出力する。選択部４６ｄは、積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］を選択して加算器４６ｅへ出力する。
【００４５】
加算器４６ｅは、上限値及び下限値の絶対値に相当する積分リミッタ関数Ｆｌ［Ｆｓ（ｔ）］に、拡大幅に相当する積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］を加算することで、リミッタ回路５２の上限値及び下限値を拡大する。
【００４６】
過渡応答の期間、上限値及び下限値の拡大幅に相当する積分リミッタ加算関数Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］は、比例項（比例定数乗算器４４の出力）に従って増大する。このため、積分項に相当する積分器４９の出力値は、急激に大きくなるものの、飽和することなく加算器５３に入力される。この結果、スクリュー１１の回転数は目標値に急激に近づき、過渡応答期間が短くなる。
【００４７】
一方で、スクリュー１１の回転数が目標値に近づくに従って、回転数偏差Δｒｐｍが小さくなるので、比例項に相当する比例定数乗算器４４の出力値も小さくなり、上限値及び下限値の拡大幅も小さくなる。
【００４８】
スクリュー１１の回転数が目標値近傍に到達すると、回転数偏差Δｒｐｍが非常に小さくなって、上述した式（１）が成立しなくなり、選択部４６ｄはゼロ値出力部４６ｃから出力されるゼロ値を選択する。このとき、上限値及び下限値の拡大幅はゼロになり、リミッタ回路５２には、積分リミッタ関数演算器４５の演算結果がそのままリミッタ値（上限値及び下限値）として設定される。これにより、積分項には、当初設定された上限値及び下限値によるアンチワインドアップ手法が働くので、制御対象であるスクリュー１１の回転数のワインドアップ現象を抑制できる。
【００４９】
図２は、船舶推進システム１において変速指令を発令した場合の回転数及び制御量（拡大幅）の過渡応答特性と、従来のアンチワイドアップＰＩＤ制御の回転数及び制御量の過渡応答特性とを比較する図である。
【００５０】
船舶推進システム１における制御量の立ち上り速度及び回転数の応答速度（過渡期間）は、従来に比べて、共に短縮されている。静定状態において、船舶推進システム１の回転数及び制御量は、従来に比べてオーバーシュートは少ない。
【００５１】
以上のように、船舶推進システム１は、制御対象に過渡的な変化が与えられた場合（例えば回転停止状態の主軸１２に大きな目標回転数が設定された場合）、積分器４９の出力である積分項が飽和する。船舶推進システム１は、このとき上限値及び下限値を一時的に拡大することで、過渡応答時の積分項が飽和しなくなり、制御対象の過渡応答時間を短縮することができる。
【００５２】
また、船舶推進システム１は、主軸１２の回転数が目標値に接近するに従って、上限値及び下限値の拡大幅に相当する積分リミッタ加算関数Ｆｌ２（ｓ）を小さくし、更に、主軸１２の回転数が目標値近傍に到達すると、拡大された上限値及び下限値を当初の初期値に戻す。
この結果、船舶推進システム１は、アンチワインドアップ手法が働き、主軸１２の回転数のワインドアップ現象を抑制し、かつトータルゲインを上げることが可能になる。
【００５３】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変更されたものにも適用可能である。
【００５４】
例えば、本発明は、船舶推進システム１に限らず、制御対象の回転数を制御するものであれば適用可能である。
制御対象の駆動手段は、上述した実施形態のように主機関（エンジン）１４に限らず、モータ、その他の原動機であってもよい。
【００５５】
積分リミッタ関数演算器４５は、Ｆｌ［Ｆｓ（ｔ）］＝ｎ×［Ｆｓ（ｔ）］３  を演算する場合に限らない。制御対象に応じて異なる関数を演算してもよい。
積分リミッタ加算関数演算器４６ｂは、Ｆｌ２［Ｆｐ（ｔ）］＝ｎ×Ｆｐ（ｔ）  を演算する場合に限らない。Ｆｐ（ｔ）の増加関数であれば他の関数を演算してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１  船舶推進システム（回転駆動システム）、１１  スクリュー（制御対象）、１２  主軸（制御対象）、１３  減速機（回転駆動手段）、１４  主機関（回転駆動手段）、１５  ガバナ（回転駆動手段）、２０  センサ（検出手段）、３０  スロットル操作部、４０  主軸回転制御装置（回転数制御装置）、４１  加算器（演算手段）、４２  微分定数乗算器（微分補正量演算手段）、４３  微分器（微分補正量演算手段）、４４  比例定数乗算器（比例補正量演算手段）、４６  積分リミッタ拡大演算部（限界値拡大手段）、４９  積分器（積分補正量演算手段）、５２  リミッタ回路（積分補正量制限手段）、５３  加算器（加算手段）
【図１】
0006399691.tif 000002
【図２】
0006399691.tif 000003