船舶用自動操舵装置
【課題】船体モデルにおける船体パラメータを同定する同定機能を有する船舶用自動操舵装置において、同定演算部から得られた同定値に制限を加えた更新値でノミナル値を更新するようにして、同定誤差の影響を低減する。
【解決手段】各変針モードの度に船体パラメータを同定する同定演算部32と、同定演算部32で同定された船体パラメータに対して制限をかけた更新値を使用するべき船体パラメータとして出力する更新判断部34を備える。更新判断部34は、各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求め、同定演算部32から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする。
【解決手段】各変針モードの度に船体パラメータを同定する同定演算部32と、同定演算部32で同定された船体パラメータに対して制限をかけた更新値を使用するべき船体パラメータとして出力する更新判断部34を備える。更新判断部34は、各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求め、同定演算部32から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、船体モデルにおける船体パラメータを同定する同定機能を有する船舶用自動操舵装置に関する。
【背景技術】
【0002】
船舶用自動操舵装置は、設定方位にジャイロコンパスからの船首方位を追従させるために舵を制御する装置であり、その制御系は、設定方位と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求め制御ゲインを乗じて制御量である命令舵角を操舵機に出力する。操舵機は舵を動かして、船体に旋回角速度を誘起させて方位を変化させる。
【0003】
図1を参照して自動操舵装置を含む全体のシステムを説明すると、12は自動操舵装置、14は操舵機、16は船体であり、自動操舵装置12は、さらに、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28、加算器24、30、同定演算部32を備えている。
【0004】
軌道演算部22は設定方位ψSを入力し、設定方位ψSから軌道計画に基づいた参照針路ψRを演算するものである。加算器24で参照針路ψRと船体16の船首方位ψとの偏差ψeがとられ、フィードバック制御器28において、制御ゲインが乗じられる。フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御器28の出力が加算器30で加算されて、命令舵角δcとなる。
【0005】
同定演算部32は、船体パラメータを同定するもので、同定された船体パラメータは、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御部28へと入力されて、各演算及び制御に用いられる。
【0006】
例えば、貨物船やタンカーなどの船舶は荷物の積み下ろしにより喫水が変化する。そのため、船体特性が変化し積み下ろし前の制御ゲインを用いると、操舵系の閉ループ安定性が低下しヨーイングを生じる場合を起こす。この状況を回避するために船体パラメータを同定し、制御ゲインを設定する方法として、本出願人による特許文献1が提案されている。
【0007】
特許文献1では、同定演算部は、入力データとしての命令舵角と出力データとしての船首方位が供給されてそれぞれのデータを蓄積し、蓄積された入力データから同定モデルを用いてモデル出力データを出力し、該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2006−321455号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、実際の船体は非線形特性をもつことが知られている。非線形特性の影響を受けないようにするために、例えば、同定計算を開始するための条件として制約(船速条件,変針条件)を加えることにより線形モデルに近似して、船体パラメータを求めることができる。
【0010】
しかしながら、変針の形態は本船状態、変針条件、操船者による趣向および海象により均一にならない。例えば15度の自動変針を、15度変針で一回にするか、5度変針で三回にするかによって非線形特性の影響が異なる。同定値の誤差は前者の場合問題にならないが、後者の場合非線形特性が強く表れると考えられる。また荒天時の波浪外乱の増加に比例して、同定誤差は増加する。その結果通常の海象において、同定誤差は殆ど制御系の許容範囲内に収まるが、稀に変針形態によって許容範囲外になる状況が想定される。従って同定誤差が大きいと見なされる場合は、同定演算部で得られた同定値を制限する必要がある。
【0011】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、同定演算部から得られた同定値に制限を加えた更新値で船体パラメータを更新するようにして、同定誤差の影響を低減することができる船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前述した目的を達成するために、請求項1記載の発明は、設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、を備え、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする。
【0013】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新処理部は、前記少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と1との差異を前記尺度とすることを特徴とする。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新処理部は、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲外にあって、且つ前記第1範囲内よりも広い第2範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第2範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新判断部は、
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも1つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定演算部から出力された少なくとも1つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項5記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする。
【0018】
請求項7記載の発明は、請求項2または3記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、
【0019】
【数1】
で表され、
前記指数は、Ks/Tsの同定値と、前記平均値算出部で求めたKs/Tsの平均値との比とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、同定演算部を備えた従来の装置に対して、更新判断部を追加するだけでよいために、適用が容易である。複数の船体パラメータの更新値の平均値を新たな更新値として採用するため、バラツキを抑制できる。
【0021】
また、制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を導入し、その評価量が小さいときの船体パラメータの更新値の平均値を用いて、更新処理を行うために、実際の状況に適応した、適切な更新値とすることができる。
【0022】
また、各保針モード中で最小評価量を求めてそれを各保針モードに対応する評価量とすることで、波浪外乱の影響を低減した実応答によって、同定値の適合性を評価するため、信頼性が得られる。
【0023】
規定尺度を決めるための指数として、少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの平均値との比を採用することにより、指数が無次元となるために、小型船から大型船まで広範囲に適用できる。
【0024】
同定値に制限をかけることで、同定値の信頼性を向上させ、実用範囲の値を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。
【図2】図1の同定演算部の構成を表すブロック図である。
【図3】制御対象の構成を表すブロック図である。
【図4】同定モデルの構成を表すブロック図である。
【図5】同定演算部及び更新判断部のシーケンスを表す図である。
【図6】更新判断部の構成を表すブロック図である
【図7】Ksn/Tsnのフル・バラスト特性を表すグラフである。
【図8】Ksn/Tsnと評価量Jとの関係を表すグラフである。
【図9】フィードバック制御器の構成を表すブロック図である。
【図10】安定船のγに対するTγとKsn/Tsnとの関係を表すグラフである。
【図11】安定船のγに対するKd とKsn/Tsnとの関係を表すグラフである。
【図12】安定船と不安定船のγに対する1/TsnとKsn/Tsnとの関係を表すグラフである。
【図13】広い更新判断の特性を示す図である。
【図14】狭い更新判断の特性を示す図である。
【図15A】更新判断部による処理を示すフローチャートである。
【図15B】更新判断部による処理を示すフローチャートである。
【図15C】更新判断部による処理を示すフローチャートである。
【図16】本発明によるシミュレーション結果を表すグラフである。
【図17】本発明によるシミュレーション結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【0027】
図1は、本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。図において、12は自動操舵装置、14は操舵機、16は船体である。操舵機14及び船体16を合わせたものが制御対象となる船体プラント18である。自動操舵装置12は、さらに、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28、加算器30、24、同定演算部32及び更新判断部34を備えている。加算器24で参照針路ψRと船体16の船首方位ψとの偏差ψeがとられ、フィードバック制御器28は偏差ψe及びフィードバック制御器28の出力から推定偏差、推定角速度を求める推定器を含むことができる。背景技術にて既に説明した部分については、説明を省略する。
【0028】
更新判断部34は、同定演算部32で演算された同定値に対して制限をかけた更新値を、船体パラメータのノミナル値として、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28に対して、出力する。軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28では、これらの船体パラメータのノミナル値を用いて各演算及び制御を行う。尚、船体パラメータの初期値は、航海毎にデフォルト値を設定する。
【0029】
図2は、同定演算部32の構成を表すブロック図である。同定演算部32には、実プロセスから制御対象の入出力データが時系列データとして供給されるので、これらの入力データ及び出力データを蓄積する入力データ記憶部40、出力データ記憶部42を備える。入力データ記憶部40及び出力データ記憶部42は、リングバッファ型メモリとすることができる。さらに、同定演算部32は、データ抽出部43、同定モデル44、減算器46及びパラメータ調節部48を備える。
【0030】
同定モデル44で得られる出力と、制御対象の出力との同定誤差γを求め、パラメータ調節部48によってγが最小になるようにモデルのパラメータを調整する。
【0031】
まず、同定演算の原理について以下、簡単に説明する。
1.同定モデル
同定モデル44は、船体モデル、外乱モデル及び船体運動の初期値とから構成され、入力データである命令舵角δcを入力しモデル出力データであるモデル船首方位ψmを出力する。以下、船体モデル、外乱モデル及び船体運動についてそれぞれ説明する。
【0032】
1.1 船体モデル
船体モデルは、操舵機と船体とを一体化したものとし、操舵機の時定数(船体の時定数に比較して十分に小さい)やオンオフ制御の非線形性などの不確定特性を時定数の大きい船体特性に吸収させて、舵速度や許容舵角などの確定要素を残存させる。そして、船体モデルとしては、以下の式を採用する(図3参照)。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、Pは船体モデルの伝達関数、ψ(s)は船首方位、Ksn、Tsn、T3snは、操縦性指数を表す船体パラメータのノミナル値であり、それぞれ旋回力ゲイン[1/s/deg]、二つの時定数[s]をそれぞれ示し、Ts>T3sである。これらは、安定船の場合、Ksn>0,Tsn>0,T3sn>0、不安定船の場合、Ksn<0,Tsn<0,Ts3n>0となっている。また、Ksm、Tsm、T3smまたはその組み合わせであるx1、x2、x3を同定するべき船体パラメータとする。
【0035】
1.2 外乱モデル
外乱モデルは、船体と風との相対速度によって発生する船体の方位軸まわりのモーメントを舵角オフセットに換算したδoffsetで表す。相対速度ベクトルの絶対値の時間変化が微小とすれば、相対速度ベクトルは方位ψの関数として扱えるので、このことから舵角オフセットを、
【0036】
【数3】
と近似する。ここで、δoffsetは外乱モデルの舵角成分を、δO(時間微分δO・=0)は変針前または保針時の舵角オフセットを、cδは変針後の舵角オフセット係数を示す。
【0037】
1.3 船体運動
船体運動の初期値は(2)式より直接取得できる方位と取得できない旋回角速度とがある。角速度の初期値応答は、
【0038】
【数4】
になり、方位変化は、
【0039】
【数5】
になり、方位定常値は(1−T3s/Ts)r0Tsである。角速度初期値r0を考慮しないと、方位変化が同定誤差の原因になるが、角速度初期値は直接取得することはできないから、角速度初期値を同定パラメータとして同定モデルに含ませることにより、同定誤差を防止する。
【0040】
1.4 同定モデル
以上の船体モデル、舵角オフセット及び角速度初期値から図4に示す同定モデルを構成する。舵角オフセットに関しては、命令舵角に追加される。尚、δ0/sとするのは、一定値の入力とするためである。
同定モデルの伝達関数は、
【0041】
【数6】
になる。ここで、添字(・)mは、モデル値を意味する。よって、同定モデルは3次系となり、同定パラメータはx1m、x2m、x3m、δom、cδm、r0mの6個となる。
【0042】
2. 入力データと出力データ
同定演算部32は、操船者または自動操船による命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとする。
【0043】
簡単のため船体モデルのみを考慮すると、同定誤差γhは、(1)式及び(2)式を用いて制御対象の船首方位とモデル船首方位との差となり、
【0044】
【数7】
になる。
【0045】
上式よりP−Pm=0、即ちγh=0となるパラメータ条件を求めると、x1m=x1、x2m=x2、x3m=x3、T3sm=T3snを得る。
【0046】
3. 評価関数及び同定範囲
3.1 評価関数
パラメータ調節部48には、上述のごとく図2に示すように、命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとして蓄積されたデータに対して、同定モデル44のモデル出力データと、実プロセスの出力データとの差異となる、減算器46による同定誤差γが順次入力される。パラメータ調節部48では、同定誤差γをスカラー量に変換した評価関数Jを求め、該評価関数Jを最小にするパラメータを調整する。評価関数Jとして、同定誤差γの二乗和とし、
【0047】
【数8】
と定義することができる。ここでnは同定の時間範囲内にある同定データ数を表す。勿論、二乗和とする他に、同定誤差の絶対値の和とすることもでき、または適宜重み付け係数をかけることもでき、任意の評価関数を採用することができる。
【0048】
モデルの出力はパラメータに依存するので、評価関数Jは非線形関数となる。よって、パラメータ調節部48では、多変数関数である評価関数Jを最小化するモデルのパラメータを求める。かかる演算は、公知の任意の手段、例えば、SQP(逐次型二次計画法sequential quadratic programming algorithm)のアルゴリズムを用いて行うことができ、評価関数の極小解を求め、該極小解となる値を同定値とする。
【0049】
4. シーケンス
図5は、同定演算部32及び更新判断部34のシーケンスを表す。自動操舵装置12は、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードと、を有しており、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により変針モードが開始され所定時間経過すると、保針モードとなる。
【0050】
同定演算部32による処理は、主として、変針モード開始と同時に開始され、入力データ記憶部40及び出力データ記憶部42による入力データ及び出力データの蓄積は、変針モード中においてなされる。所定時間経過後に開始する保針モードで、蓄積されたデータに基づき、同定モデル44、減算器46及びパラメータ調節部48による同定パラメータの同定値の計算がなされる。
【0051】
同定値の計算がなされると、引き続き、保針モードにおいて更新判断部34により、更新値の計算がなされる。計算後、更新値が各船体パラメータのノミナル値となり、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御器28へと出力される。一方、更新判断部34では、更新値の計算後、次の変針モードが開始されるまで、評価量等の計算を行う。
【0052】
5. 更新処理
図6は、更新判断部34の構成を表すブロック図である。更新判断部34は、データ記憶部62、評価量算出部64、パラメータ配列蓄積部65、平均値算出部66、同定値制限部68、更新処理部70及び更新記憶部72を備える。
【0053】
船体パラメータは正負をもつが、比率Ksn/Tsnは常に正になるために安定船及び不安定船の両方で兼用できる。従って、更新判断に当たっては、このKsn/Tsnの船体パラメータを用いて行うことにする。
【0054】
図7に、参考文献Kensaku Nomoto:Response Analysis of Manoeuvrability and its Application to Ship Design,60th Anniversary Series,Society of Naval Architects of Japan,Vol.11, pp.43-51,1966 から引用したKsn/Tsnのフル・バラスト特性を示す。同図からフル⇔バラスト間のKsn/Tsn比率は
【0055】
【数9】
になる。ここで ’:無次元指数,B:バラスト,F:フルを表す。上の比率は有次元指数においても等価である。よって、上記Ksn/Tsn比率を参考にすると
・Ksn/Tsnの比率の変動範囲は喫水変化も含めて1.3倍以内に収まる
・Ksn/Tsnは喫水変化に対して、Ksn、Tsnと共に比例的に変動する
ことを仮定することができる。
【0056】
6. 評価量の計算
保針モード中に船体パラメータのノミナル値の適合具合を見積もるための指数を、評価量として導入する。図8は評価量の特性を表し、ノミナル値(船速修正による変化は無視する)が実際の船体パラメータにほぼ一致すると評価量は最小値に近づく。
【0057】
評価量が波浪外乱の影響を受けないようにするために、変針から次の変針までの各保針モード中で最小値をとる外乱最小評価量を各保針モードの評価量として選ぶ。選ばれた評価量は1つの保針モードの中で海象が最も穏やかな状態だった場合に相当する。そして、各保針モード毎に選ばれた評価量の中からさらに選ばれた評価量に対応する船体パラメータのノミナル値の平均値を求めて、その平均値から更新値を求める。
【0058】
6.1 時系列データ処理
データ記憶部62は、保針モードの制御対象に関する時系列データxψ,xδ(添え字ψ:方位,δ:舵角(命令舵角δcとしてもよい))を所定時間毎(例えば1秒)に収録している。データ記憶部62は、リングバッファ型メモリとすることができる。
【0059】
6.2. 評価量算出
評価量算出部64は、それぞれの各保針モードの時系列データxψ,xδの標準偏差σψ,σδを
【0060】
【数10】
より算出する。ここでx:時系列データ、x-:平均値、σ:標準偏差、N:データ数(例えば512個)である。
さらに、船体パラメータのノミナル値の適合具合を計る評価量として、
【0061】
【数11】
【0062】
【数12】
を算出する。ここでJkeepiは1つの保針モード中のデータ数N毎の評価量であり、Jは、その複数の評価量の中の最小値である外乱最小評価量である(パラメータ調節部48のJと異なることに注意されたい)。ここで、1つの保針モード中は、船体パラメータのノミナル値は同じ値が維持されていることに留意されたい。また、weightKP は、データ収録中に比例ゲインKp(図9参照)が変化する場合(例えば、比例ゲインが、Kpopen=1とKpconf=2.25または1.5との間で変化できるものとする)に、その比例ゲインの変化による舵角変動を抑制するための重みづけ係数で
【0063】
【数13】
を示す。ここでTopen,Tconf:それぞれ比例ゲインKpopenとKpconfの印加時間、Tweight =N×1[s]とする。比例ゲインKp=1で固定である場合には、weightKP=1である。
【0064】
外乱最小評価量は、各保針モード中で、制御対象に関するデータのばらつきが最も小さいことを表しており、つまり、1つの保針モードの中で、海象が最も穏やかな状態だった期間に相当すると考えられる。この外乱最小評価量を、その保針モードの評価量として定めることで、波浪外乱の影響を低減した状態での船体パラメータのノミナル値の適合性を判断することができる。
【0065】
尚、(6)式の評価量は、制御対象の出力である方位と、制御対象の入力側にある舵角の両方のデータのばらつきを評価対象としているが、これに限るものではなく、制御対象の出力側、入力側及び中間におけるそれぞれのデータのいずれか1つ以上を評価対象とすることができる。
【0066】
7. パラメータ配列設定と平均値計算
パラメータ配列蓄積部65は、保針モードに対応する評価量J1〜Jnとそれに対応する船体パラメータのノミナル値、即ち、更新値を対応付けて、それらのパラメータ配列
【0067】
【数14】
を蓄積する。ここでn:更新回数である。変針が行われる度に、更新回数nが増加する。
【0068】
平均値算出部66は、蓄積されたJ1〜Jnのうちでさらに最小値Jminを与える船体パラメータを
【0069】
【数15】
で求める。ここで添え字min:評価量が最小値を意味し、初回時は初期値を設定する。Pminを小さい順に並べると次のようになる。
【0070】
【数16】
【0071】
バラツキを抑制するために、船体パラメータのPmini からi=1〜kset 個の平均値((4)式参照)を算出する(kset=1の場合は、Pmin1 の船体パラメータとする)。例えば、ksetとしては、kset=3と設定することができる。このとき
【0072】
【数17】
【0073】
【数18】
になり、次式の関係をもつ。
【0074】
【数19】
【0075】
尚、同じ船でも安定船と不安定船との間で変化する場合があるので、パラメータ配列は、安定船用と不安定船用とでそれぞれ設け、平均値も安定船用と不安定船用とでそれぞれ分けて計算するようにするとよい。
【0076】
8. 同定値の制限
同定値制限部68は、同定演算部32より得られた船体パラメータの同定値を受け取り、これに制限をかける。即ち、同定演算部32から求められた船体パラメータの同定値は同定誤差を含むために、まず、その制限をかけて、制限を通過したものと、制限を通過しないものとで、異なる処理を施すようにする。
【0077】
この制限は、船体パラメータのうちのTsmに対して直接かけるようにする。
【0078】
また同定値は変針時の船速に依存するので、船速変化に対応するために基準船速に換算し、更新の際現在の船速に換算し直す。
【0079】
ここで、船速換算の範囲は基準船速の0.5倍以上1.5倍以下とし、同定時と更新時との船速差によるパラメータ変動を抑制するために
【0080】
【数20】
によって船速換算する。ここで添え字V1:変針時船速、V1,V2,VS:それぞれ変針時船速,更新時船速,基準船速である。
【0081】
8.1 第1の制限
時定数Tsmは、
【0082】
【数21】
とし、ここで、Tsnlow、Tsnhighは時定数Tsmとして、許容できる範囲の下限値と上限値とする。これらの値は、経験則上、妥当な値を適宜採用することができ、例えば以下の表の値を用いることができる。
【0083】
【表1】
【0084】
8.2 第2の制限
許容できる微分ゲインKdに基づきTsmの上限値と下限値を定めて、Tsmをその範囲内に制限する。
【0085】
8.2.1 フィードバック制御器
ここで、微分ゲインKdと船体パラメータとの関係について説明する。フィードバック制御器28は、図9のように構成され、フィードバック制御器28は、偏差ψe=ψR-ψ及びフィードバック制御器28の出力の命令舵角δcから推定偏差ψe^、推定角速度r^を求める推定器52と、比例ゲイン54、微分ゲイン56と、を含む。KP,Kd はフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインとを示す。フィードバック制御器28は、推定器52からの推定偏差ψe^に対して比例ゲインKPを乗算し、推定器52からの推定角速度r^に対して微分ゲインKdを乗算し、これらを加算して、命令舵角δcを出力する。
船体モデルを表す(1)、(2)式から(図3参照)、
【0086】
【数22】
と表すことができる。ここでxは状態量で
【0087】
【数23】
を、ψは方位を、rx,r はそれぞれ角速度を、添字(・)T は転置行列を意味する。
命令舵角δcは、方位ψと角速度r,rxとを用いて
【0088】
【数24】
と表すことができる。
【0089】
閉ループ特性を調べるために、(21)式の命令舵角δcを(18)式の船体モデルに代入すると
【0090】
【数25】
になる。上式の特性多項式を2次標準系に対応させると
【0091】
【数26】
になる。ここでλn はノミナル値による操舵系の特性多項式を、detは行列式を、sはラプラス演算子を意味し、Iは2×2 の単位行列を示す。ζn,ωn は2次標準系の操舵系のそれぞれ減衰係数,固有周波数[rad/s]を示す。
【0092】
(22)式から、フィードバックゲインKp,Kdを特性多項式λnから定めると、
【0093】
【数27】
になる。設計パラメータを比例ゲインKP(例えば、KP=1)と減衰係数ζn(例えば、ζn=1/√2)とに選ぶと、上式と(22)式の2次標準系とから微分ゲインKdと固有周波数ωnとはそれぞれ
【0094】
【数28】
となる。
【0095】
8.2.2 Tsnの範囲
Tsnの上限値と下限値とを微分ゲインKd に基づいて定め、上限値と下限値との間でTsnの制限をかける。簡単化のためTs3n =0とおくと、(24)、(25)式は、
【0096】
【数29】
となり、その微分ゲインKdの最大値は、
【0097】
【数30】
を得る。ここでζn =1/√2:減衰係数,Kp=1:比例ゲインとする。上式から不安定船の微分ゲインの最大値の分子はTsn<0によらず正になるが、安定船の微分ゲインの最大値の分子は、Tsn の値によっては、ゼロになることが分かる。よって、Tsnの制限値を
【0098】
【数31】
と定める。ここでγ :スケールファクタ(同定演算部32のγ と異なることに注意されたい)で、γ=1のときKd=0に相当するので、下限値としては、γ>1の値を選ぶ。図10及び図11は、γ に対するそれぞれTγ(表1の制限:一点破線)、Kd を示す。図12は安定船と不安定船とを含めた1/Tγ制限を示す。図11から微分ゲインKdは、γ=6〜8でほとんど変化がない。これより
【0099】
【数32】
を選ぶ。表2に参考値を示す。
【0100】
【表2】
8.3 Tsmの制限
安定船の同定値Tsm は、以上の第1の制限及び第2の制限を受けるものとする。即ち、
【0101】
【数33】
の制限を受ける。図10より通常の範囲で、(17)式より(27)式の方の制限の方が厳しい。不安定船は、(27)式の制限を受ける。
【0102】
制限から外れた同定値に対しては、平均値算出部66で求めた平均値((12)〜(14)式)を更新値として出力するようにする。
【0103】
9. 更新判断と更新値出力
更新処理部70では、制限を通過した同定値に対して次の更新判断を行い、この判断において、平均値算出部66で求めた平均値と制限を通過した同定値とを用いて、広い範囲と狭い範囲との更新条件で判断して更新値を求める。更新回数が少ないと広い更新判断になり、同定値のバラツキが小さくなると狭い更新判断に遷移する。狭い更新判断はその航海が終了するまで保持し、次の航海で広い更新判断にリセットする。
【0104】
無次元指数CRを導入し、この指数を尺度として同定値が平均値算出部66で求めた平均値((14)式)からどの程度離れているかを測り、その離反程度に応じて更新を行う。無次元指数CRは、平均値と同定値から
【0105】
【数34】
に定める。ここで添え字update:更新値、SVは、更新範囲を設定する係数であり、その最大値をSVmaxとする。SVは、平均値からの離反程度を表す規定尺度であり、前述の図7に基づくKsn/Tsnの比率の変動範囲が1.3倍以内に収まっていることから、例えば、1.3に設定し、SVmaxは、経験則上2.5程度に設定するとよい。
【0106】
無次元指数CRを導入することで、小型船から大型船まで各船舶によらずに汎用性を持たせた判定を行うことができる。
【0107】
9.1 判断切替
広い更新判断から狭い更新判断への切り替えは、同定値による更新
【0108】
【数35】
が所定回数連続したとき(例えば、kmode =2kset 回)連続したときに実施するものとする。
【0109】
広い更新判断は同定値が変動するとき、適度な更新値を出力する。ただし同定値の変動が連続して小さくなっても、更新値がその後の変動に連動してしまうという現象が起こるため、その現象を回避するために、狭い更新判断では同定値の突発性変動に対して同定値を更新しないようにする。
【0110】
9.2 広い更新判断
広い更新判断では、無次元指数CRに対して、その更新値CRupdateを図13に示すように、
【0111】
【数36】
に定める。ここで1:ノミナル値の平均値への更新を意味し、結果として、更新値は
【0112】
【数37】
になる。ここで
【0113】
【数38】
を示す。
即ち、無次元指数CRが、
【0114】
【数39】
となるとき、SV−1,SVの尺度で同定値を抑制し、無次元指数CRが、
【0115】
【数40】
のとき同定値を平均値とすることで、同定値の変動を抑制する。
【0116】
9.3 狭い更新判断
狭い更新判断では、無次元指数CRに対して、その更新値Cupdateを図14に示すように定める。但し、無次元指数は、Ksm/Tsmによっているため、CR=1でも、
【0117】
【数41】
は保証されないので、微分ゲインが必要な値より小さく設定される場合(またはその逆の場合)がある。それらの場合を回避するため、Tsmに制限を設ける。すなわち(26)式より
【0118】
【数42】
を用いて(Kp=1)、安定船の下限値を設定すると
【0119】
【数43】
になる。ここでz*=0.5:減衰係数の下限許容値、SVT =2.0:上限値であり、Tsnlow,Tsnhighは表1を参照されたい。これより
【0120】
【数44】
になる。狭い更新判断では広い更新判断よりも、同定値の変動をさらに抑制するように、更新値の尺度が設定される。このとき更新値は
【0121】
【数45】
になる。
【0122】
10. アルゴリズム
更新判断部34による処理を図15A〜15Cに示す。
【0123】
保針モードにおいて、同定値制限部68または更新処理部70による更新がなされると、図15Aに示す処理が開始される。データ記憶部62に順次蓄積されるデータに基づき、評価量算出部64が評価量の算出を行い、外乱最小評価量を更新して(ステップS10)、パラメータ配列蓄積部65に蓄積をする(ステップS12)。また、平均値算出部66は、パラメータ配列蓄積部65で蓄積された評価量に基づき、kset個の評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めて、その最新の平均値を保持する(ステップS14)。この図15AのステップS10〜ステップS14の処理は、保針モード中繰り返される(ステップS16)。
【0124】
次に、変針モード後、同定値演算部32で同定値計算がなされると、図15Bに示す処理が開始される。同定値制限部68で、同定値が制限を通過したか否かを、(27)式(不安定船)または(28)式(安定船)に基づき、判定する(ステップS20)。
【0125】
その判断結果で通過したと判定された場合には、更新処理部70による更新判断に進む(ステップS22)。
【0126】
一方、ステップS10の判定において、同定値が制限を通過しなかった場合には、同定値制限部68は、直前の評価量Jが上位kset内に入るか否かを判定する(ステップS28)。上位kset内に入る場合には、今までの更新値、即ちノミナル値をそのまま新たな更新値とする(ステップS30)。また、上位kset内に入らない場合には、平均値((33)式)を新たな更新値として更新する(ステップS32)。
【0127】
また、図15BのステップS22の更新判断に進んだときには、図15Cに示す処理が開始され、狭い更新判断の切り替え条件を満足するかを判定し(ステップS40)、条件を満足するか否かに応じて何れかの更新判断に基づいて、(32)式(ステップS42)、または(42)式(ステップS44)で更新値を求めて、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御器28に出力すると共に、更新記憶部72に同定値演算部での同定値計算を行った変針方向(右舷CW,左舷CCW)に応じて及び船体特性(安定船,不安定船)に応じて記憶する(ステップS46)。
【0128】
また、変針モードになったときに、変針方向に応じた更新値が出力されるようにする。
【0129】
11. 検証
本発明をシミュレーションによって検証する。
【0130】
条件:真値:Ks =0.03[1/s],Ts =50[s],Ts3=0.01[s],初期値:Ksn=2Ks,Tsn =2Ts,Ts3n =Ts3,初期方位誤差3度。上記条件でシミュレーションした結果を図16及び図17に示す。繰返し回数は30回で,1から15回(前半)と16から30回(後半)との同定値(図中model)は同一である。前半が広い更新判断に,後半が狭い更新判断になっている。図16の中段でCR nominal=CR update とおく。
【0131】
図16より,前半は更新値(図中nominal)の変動が大きいがKsn/Tsnの抑制が効き、後半は更新値単体の抑制も効くことが分かる。図17より、前半はKsn/Tsnの誤差は抑制されるがKsn、Tsnの誤差は抑制されないことが分かる。後半は同定値の変動があっても平均値に更新されるため、変動が少ない。
【0132】
12. まとめ
以上のように、ノミナル値の適正具合を実際の保針モードから評価し,その評価量に基づいて同定値の更新判断を実施することにより、船体パラメータの更新が円滑に実施され、突発性変動を除去することができる。
【符号の説明】
【0133】
12 自動操舵装置
18 制御対象
32 同定演算部
34 更新判断部
48 パラメータ調節部
62 データ記憶部
64 評価量算出部
65 パラメータ配列蓄積部
66 平均値算出部
68 同定値制限部
70 更新処理部
【技術分野】
【0001】
本発明は、船体モデルにおける船体パラメータを同定する同定機能を有する船舶用自動操舵装置に関する。
【背景技術】
【0002】
船舶用自動操舵装置は、設定方位にジャイロコンパスからの船首方位を追従させるために舵を制御する装置であり、その制御系は、設定方位と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求め制御ゲインを乗じて制御量である命令舵角を操舵機に出力する。操舵機は舵を動かして、船体に旋回角速度を誘起させて方位を変化させる。
【0003】
図1を参照して自動操舵装置を含む全体のシステムを説明すると、12は自動操舵装置、14は操舵機、16は船体であり、自動操舵装置12は、さらに、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28、加算器24、30、同定演算部32を備えている。
【0004】
軌道演算部22は設定方位ψSを入力し、設定方位ψSから軌道計画に基づいた参照針路ψRを演算するものである。加算器24で参照針路ψRと船体16の船首方位ψとの偏差ψeがとられ、フィードバック制御器28において、制御ゲインが乗じられる。フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御器28の出力が加算器30で加算されて、命令舵角δcとなる。
【0005】
同定演算部32は、船体パラメータを同定するもので、同定された船体パラメータは、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御部28へと入力されて、各演算及び制御に用いられる。
【0006】
例えば、貨物船やタンカーなどの船舶は荷物の積み下ろしにより喫水が変化する。そのため、船体特性が変化し積み下ろし前の制御ゲインを用いると、操舵系の閉ループ安定性が低下しヨーイングを生じる場合を起こす。この状況を回避するために船体パラメータを同定し、制御ゲインを設定する方法として、本出願人による特許文献1が提案されている。
【0007】
特許文献1では、同定演算部は、入力データとしての命令舵角と出力データとしての船首方位が供給されてそれぞれのデータを蓄積し、蓄積された入力データから同定モデルを用いてモデル出力データを出力し、該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2006−321455号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、実際の船体は非線形特性をもつことが知られている。非線形特性の影響を受けないようにするために、例えば、同定計算を開始するための条件として制約(船速条件,変針条件)を加えることにより線形モデルに近似して、船体パラメータを求めることができる。
【0010】
しかしながら、変針の形態は本船状態、変針条件、操船者による趣向および海象により均一にならない。例えば15度の自動変針を、15度変針で一回にするか、5度変針で三回にするかによって非線形特性の影響が異なる。同定値の誤差は前者の場合問題にならないが、後者の場合非線形特性が強く表れると考えられる。また荒天時の波浪外乱の増加に比例して、同定誤差は増加する。その結果通常の海象において、同定誤差は殆ど制御系の許容範囲内に収まるが、稀に変針形態によって許容範囲外になる状況が想定される。従って同定誤差が大きいと見なされる場合は、同定演算部で得られた同定値を制限する必要がある。
【0011】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、同定演算部から得られた同定値に制限を加えた更新値で船体パラメータを更新するようにして、同定誤差の影響を低減することができる船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前述した目的を達成するために、請求項1記載の発明は、設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、を備え、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする。
【0013】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新処理部は、前記少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と1との差異を前記尺度とすることを特徴とする。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新処理部は、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲外にあって、且つ前記第1範囲内よりも広い第2範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第2範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新判断部は、
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも1つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定演算部から出力された少なくとも1つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項5記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする。
【0018】
請求項7記載の発明は、請求項2または3記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、
【0019】
【数1】
で表され、
前記指数は、Ks/Tsの同定値と、前記平均値算出部で求めたKs/Tsの平均値との比とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、同定演算部を備えた従来の装置に対して、更新判断部を追加するだけでよいために、適用が容易である。複数の船体パラメータの更新値の平均値を新たな更新値として採用するため、バラツキを抑制できる。
【0021】
また、制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を導入し、その評価量が小さいときの船体パラメータの更新値の平均値を用いて、更新処理を行うために、実際の状況に適応した、適切な更新値とすることができる。
【0022】
また、各保針モード中で最小評価量を求めてそれを各保針モードに対応する評価量とすることで、波浪外乱の影響を低減した実応答によって、同定値の適合性を評価するため、信頼性が得られる。
【0023】
規定尺度を決めるための指数として、少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの平均値との比を採用することにより、指数が無次元となるために、小型船から大型船まで広範囲に適用できる。
【0024】
同定値に制限をかけることで、同定値の信頼性を向上させ、実用範囲の値を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。
【図2】図1の同定演算部の構成を表すブロック図である。
【図3】制御対象の構成を表すブロック図である。
【図4】同定モデルの構成を表すブロック図である。
【図5】同定演算部及び更新判断部のシーケンスを表す図である。
【図6】更新判断部の構成を表すブロック図である
【図7】Ksn/Tsnのフル・バラスト特性を表すグラフである。
【図8】Ksn/Tsnと評価量Jとの関係を表すグラフである。
【図9】フィードバック制御器の構成を表すブロック図である。
【図10】安定船のγに対するTγとKsn/Tsnとの関係を表すグラフである。
【図11】安定船のγに対するKd とKsn/Tsnとの関係を表すグラフである。
【図12】安定船と不安定船のγに対する1/TsnとKsn/Tsnとの関係を表すグラフである。
【図13】広い更新判断の特性を示す図である。
【図14】狭い更新判断の特性を示す図である。
【図15A】更新判断部による処理を示すフローチャートである。
【図15B】更新判断部による処理を示すフローチャートである。
【図15C】更新判断部による処理を示すフローチャートである。
【図16】本発明によるシミュレーション結果を表すグラフである。
【図17】本発明によるシミュレーション結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【0027】
図1は、本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。図において、12は自動操舵装置、14は操舵機、16は船体である。操舵機14及び船体16を合わせたものが制御対象となる船体プラント18である。自動操舵装置12は、さらに、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28、加算器30、24、同定演算部32及び更新判断部34を備えている。加算器24で参照針路ψRと船体16の船首方位ψとの偏差ψeがとられ、フィードバック制御器28は偏差ψe及びフィードバック制御器28の出力から推定偏差、推定角速度を求める推定器を含むことができる。背景技術にて既に説明した部分については、説明を省略する。
【0028】
更新判断部34は、同定演算部32で演算された同定値に対して制限をかけた更新値を、船体パラメータのノミナル値として、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28に対して、出力する。軌道演算部22、フィードフォワード制御器26、フィードバック制御器28では、これらの船体パラメータのノミナル値を用いて各演算及び制御を行う。尚、船体パラメータの初期値は、航海毎にデフォルト値を設定する。
【0029】
図2は、同定演算部32の構成を表すブロック図である。同定演算部32には、実プロセスから制御対象の入出力データが時系列データとして供給されるので、これらの入力データ及び出力データを蓄積する入力データ記憶部40、出力データ記憶部42を備える。入力データ記憶部40及び出力データ記憶部42は、リングバッファ型メモリとすることができる。さらに、同定演算部32は、データ抽出部43、同定モデル44、減算器46及びパラメータ調節部48を備える。
【0030】
同定モデル44で得られる出力と、制御対象の出力との同定誤差γを求め、パラメータ調節部48によってγが最小になるようにモデルのパラメータを調整する。
【0031】
まず、同定演算の原理について以下、簡単に説明する。
1.同定モデル
同定モデル44は、船体モデル、外乱モデル及び船体運動の初期値とから構成され、入力データである命令舵角δcを入力しモデル出力データであるモデル船首方位ψmを出力する。以下、船体モデル、外乱モデル及び船体運動についてそれぞれ説明する。
【0032】
1.1 船体モデル
船体モデルは、操舵機と船体とを一体化したものとし、操舵機の時定数(船体の時定数に比較して十分に小さい)やオンオフ制御の非線形性などの不確定特性を時定数の大きい船体特性に吸収させて、舵速度や許容舵角などの確定要素を残存させる。そして、船体モデルとしては、以下の式を採用する(図3参照)。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、Pは船体モデルの伝達関数、ψ(s)は船首方位、Ksn、Tsn、T3snは、操縦性指数を表す船体パラメータのノミナル値であり、それぞれ旋回力ゲイン[1/s/deg]、二つの時定数[s]をそれぞれ示し、Ts>T3sである。これらは、安定船の場合、Ksn>0,Tsn>0,T3sn>0、不安定船の場合、Ksn<0,Tsn<0,Ts3n>0となっている。また、Ksm、Tsm、T3smまたはその組み合わせであるx1、x2、x3を同定するべき船体パラメータとする。
【0035】
1.2 外乱モデル
外乱モデルは、船体と風との相対速度によって発生する船体の方位軸まわりのモーメントを舵角オフセットに換算したδoffsetで表す。相対速度ベクトルの絶対値の時間変化が微小とすれば、相対速度ベクトルは方位ψの関数として扱えるので、このことから舵角オフセットを、
【0036】
【数3】
と近似する。ここで、δoffsetは外乱モデルの舵角成分を、δO(時間微分δO・=0)は変針前または保針時の舵角オフセットを、cδは変針後の舵角オフセット係数を示す。
【0037】
1.3 船体運動
船体運動の初期値は(2)式より直接取得できる方位と取得できない旋回角速度とがある。角速度の初期値応答は、
【0038】
【数4】
になり、方位変化は、
【0039】
【数5】
になり、方位定常値は(1−T3s/Ts)r0Tsである。角速度初期値r0を考慮しないと、方位変化が同定誤差の原因になるが、角速度初期値は直接取得することはできないから、角速度初期値を同定パラメータとして同定モデルに含ませることにより、同定誤差を防止する。
【0040】
1.4 同定モデル
以上の船体モデル、舵角オフセット及び角速度初期値から図4に示す同定モデルを構成する。舵角オフセットに関しては、命令舵角に追加される。尚、δ0/sとするのは、一定値の入力とするためである。
同定モデルの伝達関数は、
【0041】
【数6】
になる。ここで、添字(・)mは、モデル値を意味する。よって、同定モデルは3次系となり、同定パラメータはx1m、x2m、x3m、δom、cδm、r0mの6個となる。
【0042】
2. 入力データと出力データ
同定演算部32は、操船者または自動操船による命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとする。
【0043】
簡単のため船体モデルのみを考慮すると、同定誤差γhは、(1)式及び(2)式を用いて制御対象の船首方位とモデル船首方位との差となり、
【0044】
【数7】
になる。
【0045】
上式よりP−Pm=0、即ちγh=0となるパラメータ条件を求めると、x1m=x1、x2m=x2、x3m=x3、T3sm=T3snを得る。
【0046】
3. 評価関数及び同定範囲
3.1 評価関数
パラメータ調節部48には、上述のごとく図2に示すように、命令舵角δcを入力データとし、船首方位ψを出力データとして蓄積されたデータに対して、同定モデル44のモデル出力データと、実プロセスの出力データとの差異となる、減算器46による同定誤差γが順次入力される。パラメータ調節部48では、同定誤差γをスカラー量に変換した評価関数Jを求め、該評価関数Jを最小にするパラメータを調整する。評価関数Jとして、同定誤差γの二乗和とし、
【0047】
【数8】
と定義することができる。ここでnは同定の時間範囲内にある同定データ数を表す。勿論、二乗和とする他に、同定誤差の絶対値の和とすることもでき、または適宜重み付け係数をかけることもでき、任意の評価関数を採用することができる。
【0048】
モデルの出力はパラメータに依存するので、評価関数Jは非線形関数となる。よって、パラメータ調節部48では、多変数関数である評価関数Jを最小化するモデルのパラメータを求める。かかる演算は、公知の任意の手段、例えば、SQP(逐次型二次計画法sequential quadratic programming algorithm)のアルゴリズムを用いて行うことができ、評価関数の極小解を求め、該極小解となる値を同定値とする。
【0049】
4. シーケンス
図5は、同定演算部32及び更新判断部34のシーケンスを表す。自動操舵装置12は、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードと、を有しており、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により変針モードが開始され所定時間経過すると、保針モードとなる。
【0050】
同定演算部32による処理は、主として、変針モード開始と同時に開始され、入力データ記憶部40及び出力データ記憶部42による入力データ及び出力データの蓄積は、変針モード中においてなされる。所定時間経過後に開始する保針モードで、蓄積されたデータに基づき、同定モデル44、減算器46及びパラメータ調節部48による同定パラメータの同定値の計算がなされる。
【0051】
同定値の計算がなされると、引き続き、保針モードにおいて更新判断部34により、更新値の計算がなされる。計算後、更新値が各船体パラメータのノミナル値となり、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御器28へと出力される。一方、更新判断部34では、更新値の計算後、次の変針モードが開始されるまで、評価量等の計算を行う。
【0052】
5. 更新処理
図6は、更新判断部34の構成を表すブロック図である。更新判断部34は、データ記憶部62、評価量算出部64、パラメータ配列蓄積部65、平均値算出部66、同定値制限部68、更新処理部70及び更新記憶部72を備える。
【0053】
船体パラメータは正負をもつが、比率Ksn/Tsnは常に正になるために安定船及び不安定船の両方で兼用できる。従って、更新判断に当たっては、このKsn/Tsnの船体パラメータを用いて行うことにする。
【0054】
図7に、参考文献Kensaku Nomoto:Response Analysis of Manoeuvrability and its Application to Ship Design,60th Anniversary Series,Society of Naval Architects of Japan,Vol.11, pp.43-51,1966 から引用したKsn/Tsnのフル・バラスト特性を示す。同図からフル⇔バラスト間のKsn/Tsn比率は
【0055】
【数9】
になる。ここで ’:無次元指数,B:バラスト,F:フルを表す。上の比率は有次元指数においても等価である。よって、上記Ksn/Tsn比率を参考にすると
・Ksn/Tsnの比率の変動範囲は喫水変化も含めて1.3倍以内に収まる
・Ksn/Tsnは喫水変化に対して、Ksn、Tsnと共に比例的に変動する
ことを仮定することができる。
【0056】
6. 評価量の計算
保針モード中に船体パラメータのノミナル値の適合具合を見積もるための指数を、評価量として導入する。図8は評価量の特性を表し、ノミナル値(船速修正による変化は無視する)が実際の船体パラメータにほぼ一致すると評価量は最小値に近づく。
【0057】
評価量が波浪外乱の影響を受けないようにするために、変針から次の変針までの各保針モード中で最小値をとる外乱最小評価量を各保針モードの評価量として選ぶ。選ばれた評価量は1つの保針モードの中で海象が最も穏やかな状態だった場合に相当する。そして、各保針モード毎に選ばれた評価量の中からさらに選ばれた評価量に対応する船体パラメータのノミナル値の平均値を求めて、その平均値から更新値を求める。
【0058】
6.1 時系列データ処理
データ記憶部62は、保針モードの制御対象に関する時系列データxψ,xδ(添え字ψ:方位,δ:舵角(命令舵角δcとしてもよい))を所定時間毎(例えば1秒)に収録している。データ記憶部62は、リングバッファ型メモリとすることができる。
【0059】
6.2. 評価量算出
評価量算出部64は、それぞれの各保針モードの時系列データxψ,xδの標準偏差σψ,σδを
【0060】
【数10】
より算出する。ここでx:時系列データ、x-:平均値、σ:標準偏差、N:データ数(例えば512個)である。
さらに、船体パラメータのノミナル値の適合具合を計る評価量として、
【0061】
【数11】
【0062】
【数12】
を算出する。ここでJkeepiは1つの保針モード中のデータ数N毎の評価量であり、Jは、その複数の評価量の中の最小値である外乱最小評価量である(パラメータ調節部48のJと異なることに注意されたい)。ここで、1つの保針モード中は、船体パラメータのノミナル値は同じ値が維持されていることに留意されたい。また、weightKP は、データ収録中に比例ゲインKp(図9参照)が変化する場合(例えば、比例ゲインが、Kpopen=1とKpconf=2.25または1.5との間で変化できるものとする)に、その比例ゲインの変化による舵角変動を抑制するための重みづけ係数で
【0063】
【数13】
を示す。ここでTopen,Tconf:それぞれ比例ゲインKpopenとKpconfの印加時間、Tweight =N×1[s]とする。比例ゲインKp=1で固定である場合には、weightKP=1である。
【0064】
外乱最小評価量は、各保針モード中で、制御対象に関するデータのばらつきが最も小さいことを表しており、つまり、1つの保針モードの中で、海象が最も穏やかな状態だった期間に相当すると考えられる。この外乱最小評価量を、その保針モードの評価量として定めることで、波浪外乱の影響を低減した状態での船体パラメータのノミナル値の適合性を判断することができる。
【0065】
尚、(6)式の評価量は、制御対象の出力である方位と、制御対象の入力側にある舵角の両方のデータのばらつきを評価対象としているが、これに限るものではなく、制御対象の出力側、入力側及び中間におけるそれぞれのデータのいずれか1つ以上を評価対象とすることができる。
【0066】
7. パラメータ配列設定と平均値計算
パラメータ配列蓄積部65は、保針モードに対応する評価量J1〜Jnとそれに対応する船体パラメータのノミナル値、即ち、更新値を対応付けて、それらのパラメータ配列
【0067】
【数14】
を蓄積する。ここでn:更新回数である。変針が行われる度に、更新回数nが増加する。
【0068】
平均値算出部66は、蓄積されたJ1〜Jnのうちでさらに最小値Jminを与える船体パラメータを
【0069】
【数15】
で求める。ここで添え字min:評価量が最小値を意味し、初回時は初期値を設定する。Pminを小さい順に並べると次のようになる。
【0070】
【数16】
【0071】
バラツキを抑制するために、船体パラメータのPmini からi=1〜kset 個の平均値((4)式参照)を算出する(kset=1の場合は、Pmin1 の船体パラメータとする)。例えば、ksetとしては、kset=3と設定することができる。このとき
【0072】
【数17】
【0073】
【数18】
になり、次式の関係をもつ。
【0074】
【数19】
【0075】
尚、同じ船でも安定船と不安定船との間で変化する場合があるので、パラメータ配列は、安定船用と不安定船用とでそれぞれ設け、平均値も安定船用と不安定船用とでそれぞれ分けて計算するようにするとよい。
【0076】
8. 同定値の制限
同定値制限部68は、同定演算部32より得られた船体パラメータの同定値を受け取り、これに制限をかける。即ち、同定演算部32から求められた船体パラメータの同定値は同定誤差を含むために、まず、その制限をかけて、制限を通過したものと、制限を通過しないものとで、異なる処理を施すようにする。
【0077】
この制限は、船体パラメータのうちのTsmに対して直接かけるようにする。
【0078】
また同定値は変針時の船速に依存するので、船速変化に対応するために基準船速に換算し、更新の際現在の船速に換算し直す。
【0079】
ここで、船速換算の範囲は基準船速の0.5倍以上1.5倍以下とし、同定時と更新時との船速差によるパラメータ変動を抑制するために
【0080】
【数20】
によって船速換算する。ここで添え字V1:変針時船速、V1,V2,VS:それぞれ変針時船速,更新時船速,基準船速である。
【0081】
8.1 第1の制限
時定数Tsmは、
【0082】
【数21】
とし、ここで、Tsnlow、Tsnhighは時定数Tsmとして、許容できる範囲の下限値と上限値とする。これらの値は、経験則上、妥当な値を適宜採用することができ、例えば以下の表の値を用いることができる。
【0083】
【表1】
【0084】
8.2 第2の制限
許容できる微分ゲインKdに基づきTsmの上限値と下限値を定めて、Tsmをその範囲内に制限する。
【0085】
8.2.1 フィードバック制御器
ここで、微分ゲインKdと船体パラメータとの関係について説明する。フィードバック制御器28は、図9のように構成され、フィードバック制御器28は、偏差ψe=ψR-ψ及びフィードバック制御器28の出力の命令舵角δcから推定偏差ψe^、推定角速度r^を求める推定器52と、比例ゲイン54、微分ゲイン56と、を含む。KP,Kd はフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインとを示す。フィードバック制御器28は、推定器52からの推定偏差ψe^に対して比例ゲインKPを乗算し、推定器52からの推定角速度r^に対して微分ゲインKdを乗算し、これらを加算して、命令舵角δcを出力する。
船体モデルを表す(1)、(2)式から(図3参照)、
【0086】
【数22】
と表すことができる。ここでxは状態量で
【0087】
【数23】
を、ψは方位を、rx,r はそれぞれ角速度を、添字(・)T は転置行列を意味する。
命令舵角δcは、方位ψと角速度r,rxとを用いて
【0088】
【数24】
と表すことができる。
【0089】
閉ループ特性を調べるために、(21)式の命令舵角δcを(18)式の船体モデルに代入すると
【0090】
【数25】
になる。上式の特性多項式を2次標準系に対応させると
【0091】
【数26】
になる。ここでλn はノミナル値による操舵系の特性多項式を、detは行列式を、sはラプラス演算子を意味し、Iは2×2 の単位行列を示す。ζn,ωn は2次標準系の操舵系のそれぞれ減衰係数,固有周波数[rad/s]を示す。
【0092】
(22)式から、フィードバックゲインKp,Kdを特性多項式λnから定めると、
【0093】
【数27】
になる。設計パラメータを比例ゲインKP(例えば、KP=1)と減衰係数ζn(例えば、ζn=1/√2)とに選ぶと、上式と(22)式の2次標準系とから微分ゲインKdと固有周波数ωnとはそれぞれ
【0094】
【数28】
となる。
【0095】
8.2.2 Tsnの範囲
Tsnの上限値と下限値とを微分ゲインKd に基づいて定め、上限値と下限値との間でTsnの制限をかける。簡単化のためTs3n =0とおくと、(24)、(25)式は、
【0096】
【数29】
となり、その微分ゲインKdの最大値は、
【0097】
【数30】
を得る。ここでζn =1/√2:減衰係数,Kp=1:比例ゲインとする。上式から不安定船の微分ゲインの最大値の分子はTsn<0によらず正になるが、安定船の微分ゲインの最大値の分子は、Tsn の値によっては、ゼロになることが分かる。よって、Tsnの制限値を
【0098】
【数31】
と定める。ここでγ :スケールファクタ(同定演算部32のγ と異なることに注意されたい)で、γ=1のときKd=0に相当するので、下限値としては、γ>1の値を選ぶ。図10及び図11は、γ に対するそれぞれTγ(表1の制限:一点破線)、Kd を示す。図12は安定船と不安定船とを含めた1/Tγ制限を示す。図11から微分ゲインKdは、γ=6〜8でほとんど変化がない。これより
【0099】
【数32】
を選ぶ。表2に参考値を示す。
【0100】
【表2】
8.3 Tsmの制限
安定船の同定値Tsm は、以上の第1の制限及び第2の制限を受けるものとする。即ち、
【0101】
【数33】
の制限を受ける。図10より通常の範囲で、(17)式より(27)式の方の制限の方が厳しい。不安定船は、(27)式の制限を受ける。
【0102】
制限から外れた同定値に対しては、平均値算出部66で求めた平均値((12)〜(14)式)を更新値として出力するようにする。
【0103】
9. 更新判断と更新値出力
更新処理部70では、制限を通過した同定値に対して次の更新判断を行い、この判断において、平均値算出部66で求めた平均値と制限を通過した同定値とを用いて、広い範囲と狭い範囲との更新条件で判断して更新値を求める。更新回数が少ないと広い更新判断になり、同定値のバラツキが小さくなると狭い更新判断に遷移する。狭い更新判断はその航海が終了するまで保持し、次の航海で広い更新判断にリセットする。
【0104】
無次元指数CRを導入し、この指数を尺度として同定値が平均値算出部66で求めた平均値((14)式)からどの程度離れているかを測り、その離反程度に応じて更新を行う。無次元指数CRは、平均値と同定値から
【0105】
【数34】
に定める。ここで添え字update:更新値、SVは、更新範囲を設定する係数であり、その最大値をSVmaxとする。SVは、平均値からの離反程度を表す規定尺度であり、前述の図7に基づくKsn/Tsnの比率の変動範囲が1.3倍以内に収まっていることから、例えば、1.3に設定し、SVmaxは、経験則上2.5程度に設定するとよい。
【0106】
無次元指数CRを導入することで、小型船から大型船まで各船舶によらずに汎用性を持たせた判定を行うことができる。
【0107】
9.1 判断切替
広い更新判断から狭い更新判断への切り替えは、同定値による更新
【0108】
【数35】
が所定回数連続したとき(例えば、kmode =2kset 回)連続したときに実施するものとする。
【0109】
広い更新判断は同定値が変動するとき、適度な更新値を出力する。ただし同定値の変動が連続して小さくなっても、更新値がその後の変動に連動してしまうという現象が起こるため、その現象を回避するために、狭い更新判断では同定値の突発性変動に対して同定値を更新しないようにする。
【0110】
9.2 広い更新判断
広い更新判断では、無次元指数CRに対して、その更新値CRupdateを図13に示すように、
【0111】
【数36】
に定める。ここで1:ノミナル値の平均値への更新を意味し、結果として、更新値は
【0112】
【数37】
になる。ここで
【0113】
【数38】
を示す。
即ち、無次元指数CRが、
【0114】
【数39】
となるとき、SV−1,SVの尺度で同定値を抑制し、無次元指数CRが、
【0115】
【数40】
のとき同定値を平均値とすることで、同定値の変動を抑制する。
【0116】
9.3 狭い更新判断
狭い更新判断では、無次元指数CRに対して、その更新値Cupdateを図14に示すように定める。但し、無次元指数は、Ksm/Tsmによっているため、CR=1でも、
【0117】
【数41】
は保証されないので、微分ゲインが必要な値より小さく設定される場合(またはその逆の場合)がある。それらの場合を回避するため、Tsmに制限を設ける。すなわち(26)式より
【0118】
【数42】
を用いて(Kp=1)、安定船の下限値を設定すると
【0119】
【数43】
になる。ここでz*=0.5:減衰係数の下限許容値、SVT =2.0:上限値であり、Tsnlow,Tsnhighは表1を参照されたい。これより
【0120】
【数44】
になる。狭い更新判断では広い更新判断よりも、同定値の変動をさらに抑制するように、更新値の尺度が設定される。このとき更新値は
【0121】
【数45】
になる。
【0122】
10. アルゴリズム
更新判断部34による処理を図15A〜15Cに示す。
【0123】
保針モードにおいて、同定値制限部68または更新処理部70による更新がなされると、図15Aに示す処理が開始される。データ記憶部62に順次蓄積されるデータに基づき、評価量算出部64が評価量の算出を行い、外乱最小評価量を更新して(ステップS10)、パラメータ配列蓄積部65に蓄積をする(ステップS12)。また、平均値算出部66は、パラメータ配列蓄積部65で蓄積された評価量に基づき、kset個の評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めて、その最新の平均値を保持する(ステップS14)。この図15AのステップS10〜ステップS14の処理は、保針モード中繰り返される(ステップS16)。
【0124】
次に、変針モード後、同定値演算部32で同定値計算がなされると、図15Bに示す処理が開始される。同定値制限部68で、同定値が制限を通過したか否かを、(27)式(不安定船)または(28)式(安定船)に基づき、判定する(ステップS20)。
【0125】
その判断結果で通過したと判定された場合には、更新処理部70による更新判断に進む(ステップS22)。
【0126】
一方、ステップS10の判定において、同定値が制限を通過しなかった場合には、同定値制限部68は、直前の評価量Jが上位kset内に入るか否かを判定する(ステップS28)。上位kset内に入る場合には、今までの更新値、即ちノミナル値をそのまま新たな更新値とする(ステップS30)。また、上位kset内に入らない場合には、平均値((33)式)を新たな更新値として更新する(ステップS32)。
【0127】
また、図15BのステップS22の更新判断に進んだときには、図15Cに示す処理が開始され、狭い更新判断の切り替え条件を満足するかを判定し(ステップS40)、条件を満足するか否かに応じて何れかの更新判断に基づいて、(32)式(ステップS42)、または(42)式(ステップS44)で更新値を求めて、軌道演算部22、フィードフォワード制御器26及びフィードバック制御器28に出力すると共に、更新記憶部72に同定値演算部での同定値計算を行った変針方向(右舷CW,左舷CCW)に応じて及び船体特性(安定船,不安定船)に応じて記憶する(ステップS46)。
【0128】
また、変針モードになったときに、変針方向に応じた更新値が出力されるようにする。
【0129】
11. 検証
本発明をシミュレーションによって検証する。
【0130】
条件:真値:Ks =0.03[1/s],Ts =50[s],Ts3=0.01[s],初期値:Ksn=2Ks,Tsn =2Ts,Ts3n =Ts3,初期方位誤差3度。上記条件でシミュレーションした結果を図16及び図17に示す。繰返し回数は30回で,1から15回(前半)と16から30回(後半)との同定値(図中model)は同一である。前半が広い更新判断に,後半が狭い更新判断になっている。図16の中段でCR nominal=CR update とおく。
【0131】
図16より,前半は更新値(図中nominal)の変動が大きいがKsn/Tsnの抑制が効き、後半は更新値単体の抑制も効くことが分かる。図17より、前半はKsn/Tsnの誤差は抑制されるがKsn、Tsnの誤差は抑制されないことが分かる。後半は同定値の変動があっても平均値に更新されるため、変動が少ない。
【0132】
12. まとめ
以上のように、ノミナル値の適正具合を実際の保針モードから評価し,その評価量に基づいて同定値の更新判断を実施することにより、船体パラメータの更新が円滑に実施され、突発性変動を除去することができる。
【符号の説明】
【0133】
12 自動操舵装置
18 制御対象
32 同定演算部
34 更新判断部
48 パラメータ調節部
62 データ記憶部
64 評価量算出部
65 パラメータ配列蓄積部
66 平均値算出部
68 同定値制限部
70 更新処理部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、を備え、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
【請求項2】
前記更新処理部は、前記少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と1との差異を前記尺度とすることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項3】
前記更新処理部は、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲外にあって、且つ前記第1範囲内よりも広い第2範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第2範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする請求項2記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項4】
前記更新判断部は、
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも1つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項5】
前記同定演算部から出力された少なくとも1つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項6】
前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする請求項5記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項7】
前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、
【数1】
で表され、
前記指数は、Ks/Tsの同定値と、前記平均値算出部で求めたKs/Tsの平均値との比とすることを特徴とする請求項2または3記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項1】
設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、を備え、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも1つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
【請求項2】
前記更新処理部は、前記少なくとも1つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と1との差異を前記尺度とすることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項3】
前記更新処理部は、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲外にあって、且つ前記第1範囲内よりも広い第2範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第2範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が1を含む第1範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第1範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする請求項2記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項4】
前記更新判断部は、
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも1つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項5】
前記同定演算部から出力された少なくとも1つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項6】
前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする請求項5記載の船舶用自動操舵装置。
【請求項7】
前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、
【数1】
で表され、
前記指数は、Ks/Tsの同定値と、前記平均値算出部で求めたKs/Tsの平均値との比とすることを特徴とする請求項2または3記載の船舶用自動操舵装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2012−71621(P2012−71621A)
【公開日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−215854(P2010−215854)
【出願日】平成22年9月27日(2010.9.27)
【出願人】(000003388)東京計器株式会社 (103)
【公開日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月27日(2010.9.27)
【出願人】(000003388)東京計器株式会社 (103)
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