漁船の低速度一定制御装置の開発
白石元＊・小幡睦憲＊＊・安立彰＊＊＊＊

機械・金属担当・＊＊電子・情報担当・＊＊＊(有)光電Development of Low Speed Controller for Fishing Boat
Hajime SHIRAISHI＊・M.OBATA＊＊・A.ADATI＊＊＊＊

Mechanical and Metallurgical Engineering Gr.・＊＊Electronic･and Informatics Gr.・＊＊＊Koden Corp.

要旨
漁船の低速度制御を行うため，シミュレーションにより適している制御系を検討した結果，今回の船のモデルは，１次遅れとムダ時間である程度の近似はできた．ランプ状の入力信号で実データと比較したところ，有効と思われる方法を見出した．

1.

緒言

2. 漁船モデル

太刀魚漁は，県内で広く行われている人気のある漁のひ実際に採取したオープンループでの船の速度ステップ応とつであり，この漁法に用いられている一般的な方法はトロ答の実験結果から漁船速度制御モデルを作成した．振動はール漁法である．この方法は，しかけの水深を一定としなけ見られなかったため，1 次遅れ＋ムダ時間で近似を行った．

ればならないため，Fig.1 のように漁船を一定の低速度で運ステップ立ち上がりのモデルとの比較結果を Fig.2 に示す．

転する必要がある．また操業は少人数で行われることが多整合性は良好であると思われる．

く、船の操縦および漁を同時に行わなければならないため，自動化が望まれていた．昨年，漁船の周辺機器を開発している企業から，この船低速度自動運転装置の開発を行いた
いとの要望があった．企業側でもこの装置を試作し，実験を

−TLS

ke
G (s) = 0
1+TS

ムダ時間：TL＝3.5sec,
時定数： T=10sec,
速度を合わせるためのゲイン： K0=360おこなっていたが，潮や波の影響があり従来の制御系では制御対象と近似式との整合性(ステップ応答：入力ｽﾛｯﾄﾙ開度)自動化を行うことが困難であった．

400350

今回，この装置を開発するため，漁船を実際に運転してな制御系が適しているのかをシミュレーションで検討してみた．その結果，有効である制御方法や，潮や波などの外乱に対する影響，応答性をよくするために有効な部分などを把

船速度[*0.01km/h]

300

採取したデータをもとに，船の数式モデルを作成し，どのよう

250200updownデータ-90150

EQ近似式時定数１０secむだ時間４sec
EQ近似式時定数１０secむだ時間3.5sec

100500

握することが可能であった．

1

これらの結果をもとに，実際の漁船に装置を取り付け実験

47 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61
経過時間
[sec]

Fig.2 モデルと実データの比較（ステップ入力）をおこなったところ，有効な結果を得ることができたので報告する．

続いてこのモデルを確かめるため，ランプ状にクラッチ信号を入力したオープンループで採取したデータとの比較を一定の低速で運転行った．なおクラッチには不感帯（最初はつながらない）があるため，モデルには不感帯を考慮した信号を入れた．Fig.3
浮きにその結果を示す．

しかけ

3.
3.1

各種制御方法検討

比例制御

作成したモデルを基にシミュレーションを行った結果を示
Fig.1 トロール漁法摸式図

おもりす．比例制御のブロック図を Fig.4 に示す．調整できる項はｋ１である．

船速度フィードバック制御
比例制御のみ 不感帯つき
速度FB制御 Pgain20 不感帯をとったものH18,5,19

シ ミ ュレ ー シ ョン比 較1.0

シミュレーション計算値
実測データ
実入力DA値

400

速度入力指令信号
速度入力指令信号x
加え合わせ後信号加え合わせ後信号x1
400
クラッチ装置後エンジン入ｸﾗｯﾁ後ｴﾝｼﾞﾝ開度x3
出力船速度
出力船速度y350

300

速速度度入入力力指指令令信信号号x

船速度2502001502000100

出出力力船船速速度度y0.5300-0.5100050

潮の影響
020406080

100120経過時間[sec]1401601800時間Fig.3 モデルと実データの比較（ランプ入力）

力ｋ３x+x1 x2― 比例ゲイン

K0e−TLS1+TS
クラッチ装置リミット付不感帯

3.2

ゲイン k1 を積分項K1に置き換えたものである．Fig.7 にス
TiS

テップ応答例を示す．Ti=１５sec, 目標値 0.2 入力，K1＝―1.0，設定．安定させることはできているが，応答が遅く，安定+性の調整範囲は狭い．しかし積分が入っているため偏差は０

船速度船モデル

PI 制御

続いて PI 制御系による結果を示す．これは，Fig.4 の比例外乱x3

ｋ1100Fig.６ 比例制御クラッチ有･無 重ね書き結果

実際の入力信号はこれと同様になる

速度指令-100200-1.0200になっている．

y

船速度フィードバック制御 積分制御のみ 不感帯つき

0～３６０0.3

速度入力指令信号x加え合わせ後信号x1
クラッチ装置後スロットル
出力船速度y900.2速度入力指令信号xｋ2
速度ｾﾝｻｰｹﾞｲﾝ
１/３６０Fig.4 比例制御ブロック線図

700.1
50030-0.1
Ti=15, x= 0.2

10-0.2-0.30

船 速度 フィード バック制御 比 例制 御 のみ 不 感 帯つき
1.0100-10200時間

400Fig.7 比例積分（PI）ステップ応答波形例
Ti=15sec,K1=1.0,目標値 0.2，不感帯つき

0.5

2000

出力船速度

速度入力指令信号,x1,x3300

3.3

PI 制御改造型

100
速度入力指令信号x加え合わせ後信号x1
クラッチ装置出口信号x3
出力船速度-0.5-1.00100PI 制御系を，改造したものでも試行した．Fig.8 にステップ
0-100200時間

Fig.5 比例制御結果応答例をしめす．PI 制御の Fig.７の Ti と K１を同じにしたものである，PI 制御と比較して安定度の優位性が観察される．
Fig.9 に調整を行ったステップ応答例を示す．PI 制御に比べ応答速度，安定性ともに大きく改善されていることが観察

Fig.5 に比例ゲイン２０倍，入力０～１のステップ入力結果を示す．150sec に入力を０に戻している．クラッチ装置は１に飽和する時間が長く，振動は収まらない．
Fig.６は，クラッチ部の不感帯があるものとないものの結果できる．また不感帯を取ることで応答性のあがることがうかがえる．比例，PI，PI 改造型と比較し，安定性，応答性を考慮した場合，PI 改造型制御系が，今回の船低速制御に最も適している制御系であると思われる．

を重ね書きしたものである．振動は小さくなっているが応答波形に大差は見られない．比例には遅れが発生しないからと考えられる．また，これらに示した結果より，この対象は比例のみの制御では，満足する性能を出すことが難しいと考えられる．

4.

外乱による影響の検討方法および結果

PI 改造型制御系に外乱を入れ，応答を観察した．外乱には，連続したステップ状のものを発生させ系に入力した．入力信号には，時間 0sec から０．２のステップ信号を入れ，出力船速度y0速度入力指令信号x
加え合わせ後信号x1
クラッチ装置後スロットル
出力船速度y

船I-P,+FF制御,+外乱FF モデル規範 不感帯つき外乱(ٛ90240

1.40.270

クラッチ装置後クラッチ装置後スロットル開度
スロットル開度

クラッチ装置後スロットル
出力船速度y速度入力指令信号x0.1
出力船速度y50
030-0.1
Ti=15,K1=1,K4=0.5*k2,安定する．

10-0.2

1900.9140

FF=0,外乱FF=0,外乱0.2ｽﾃｯﾌﾟ連続
FF=0,外乱FF=7.0,外乱0.2ｽﾃｯﾌﾟ連続
900.4
40-10200-0.3
0100-0.1

0時間

Fig.8100-10200時間

PI 制御改造型ステップ応答例

Fig.12 外乱 FF 結果
速度入力指令信号x
速度入力指令信号x
加え合わせ後信号x1
加え合わせ後信号x1
クラッチ装置後スロットル
クラッチ装置後スロットル
出力船速度y
出力船速度y

船I-P制御船I-P制御 不感帯なし
不感帯つき H18,5,23
H18,5,230.40.4

外乱700.30.3

y 2 = y1 − yFig.12 に外乱 FF を入れたものと入れないものの波形を重0.20.2出力船速度y速度入力指令信号x500.1
0.1
30

0-0.1-0.1

Ti=4, k4=k2*1.7,-0.2-0.200

う時間は変化がない，その後の波形は FF つきのほうが，大き-10200100チに入っているため，クラッチ信号は速いスピードで max 値まで達している．しかし，ムダ時間のためか船が止まってしま

10-0.3-0.3

ねた結果をしめす．外乱 FF つきは，外乱信号が直接クラッく振動している．以上の結果より外乱に対しての効果を確認

時間

Fig.9 PI 制御改造型ステップ応答例（不感帯あり,なしすることはできなかった．の重ね書き）Ti=４sec,K1=1.0,目標値 0.2，5.
（１）

入力信号

結言

制御対象モデルについて

今回の船のモデルは，１次遅れとムダ時間である程度の0.2近似はできる．ランプ状の入力信号で実データと比較したと外乱信号
0ころ，良好な結果が得られた．

100sec（２）*比例制御：実験データを取った漁船では，比例制御系のみ

Fig.10 外乱信号波形で自動制御を行うことは難しい．安定性の確保できるゲイ

外乱 FF ゲイン

ｋff

K1
Ti S

+++ンでは，定常偏差が大きくなりすぎる．また，船のクラッチ
外乱信号

Kdf
K0

入力 FF ゲインに対するエンジン出力を上げてもスクリューを逆転しても比例ゲインを大きくとることはできない．現在までの企業でy 2の実験は比例制御であった．

―−TL SK 0e
1 + TS*PI 制御：PI 制御系で安定させることはできるが，安定性を確保しつつ応答を速くすることは難しい．

+*PI 改造型制御系：安定性もよく応答性も速くすることができ

y1
Fig.11 FF ブロック線図

る．

y（３）

100sec 後から Fig.10 のようなステップ外乱を入力した．また，外乱の影響からの応答性を上げるため，｢入力信号と外乱信号のフィードフォワード項を追加したもの」を検討した．Fig.11にそのブロック線図の一部を示す．
ジンに入力することで，外乱にすばやく，反応させることである．また外乱信号は，実際の場合は測定することができないため，コントローラ内部にモデルを持たせ，モデル結果使用可能となる．

PI 改造型制御系への外乱入力

ステップ状外乱が入った後の応答を速くする目的で，外乱信号をフィードフォワード的に系に入力したが，効果はみられなかった．ステップ状外乱に対して，完全な対応をとるには，ムダ時間をなくすこと，外乱を予測することであるが，これこの系の狙いは，外乱信号を積分項を通さずに直接エンと実速度データ

各種制御方法について

y1

y との差によって外乱を演算させることでは現実的には難しい．
（４）クラッチ部の不感帯部についてクラッチ装置の不感帯部をなくすことで，応答を速くすることはできる，しかし制御性にはあまり影響は見られなかった．

出力船速度
出力船速度yy

船I-P制御 不感帯つき H18,5,230.3