JPH0462919B2

JPH0462919B2 -

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Publication number: JPH0462919B2
Application number: JP58207223A
Authority: JP
Inventors: Noryuki Akasaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1983-11-04
Filing date: 1983-11-04
Publication date: 1992-10-08
Also published as: JPS6099796A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、船舶の位置および方位の制御を行な
えるようにした、船舶の制御装置に関する。

従来、船舶の制御装置において、船舶の位置お
よび方位を一定に保つ定点保持制御を行なう場
合、第１図に示すように船体１の中心線上に設け
られた首振式スラスタ２，３により船体１が駆動
される。

このスラスタ２の推力の大きさT₁はスラスタ
２の翼各₁を変えることにより調整され、推力
の方向はスラスタ２の旋回角θ₁を変えることによ
りそれぞれ調整される。

同様に、スラスタ３の推力の大きさT₂は翼角
₂を変えることにより、推力の方向はスラスタ
３の旋回角θ₂を変えることにより、それぞれ調整
される。

これらのスラスタ２、３の翼角₁，₂および
旋回角θ₁，θ₂を制御して船体１の定点保持制御を
行なうために、第２図に示す船舶の定点保持制御
系が構成されている。この制御系の制御対象とな
る船体１の運動を示す船体運動部４は、次のよう
に表わされている。

ｘ・₁＝x₂ ｘ・₂＝A₁x₁＋A₂x₂＋Bu＋ｄこれらの式に用いられている変数x₁，x₂，ｕ，
ｄはベクトルであり、それぞれ次の要素から成
る。

x₁ ^T＝（x₀，y₀，ψ） x₂ ^T＝（u_a，v_a，γ） u^T＝（，θ₁，₂，θ₂） d^T＝（d₁，d₂，d₃）ここで、各変数の意味は、次の通りである。

x₀，y₀：第３図に示す空間固定座標系で原点を
設定位置とした場合の船体１の位置偏差。

ψ：第３図に示す空間固定座標系で、y₀軸を設
定方位とした場合の船体１の方位偏差。

u_a，v_a：船体１のx₀軸およびy₀軸方向速度成
分。

u_a＝dx₀／dt，v_a＝dy₀／dtとなる。

γ：船体１の角速度 γ＝dψ／dtとなる。

d₁，d₂：外乱力によつて船体１に加えられる加
速度のx₀軸およびy₀軸方向加速度成分。

d₃：外乱モーメントによつて船体１に加えられ
る角加速度成分。

A₁，A₂：３×３次定数行列Ｂ：３×４次定数行列このような船体１の実際の位置および方位x₁ ^T
＝（x₀，y₀，ψ）が、検出器５によつて検出され
る。

また、船体１の位置および方位の設定値x_1sが
設定器６に設定される。ただし、x_1s ^T＝（x_s，y_s，
ψ_s）であり、 x_s，y_s：空間固定座標系での船体１の設定値。

ψs：空間固定座標系での船体１の設定方位。

第３図ではψs＝０を示している。

そして、減算器７において、設定器６からの選
定値x_1sと検出器５からで検出される船体１の位
置および方位x₁とが減算されて、偏差ベクトルε
が、次のように求められる。

ε＝x_1s−x₁ この偏差ベクトルεがPID制御を行なう制御器
８に入力され、スラスタ２，３の制御信号u_dが、
次のように求められる。

u_d＝ L₁ε（１／ｓ）ε＋L₃｛ｓ／（１＋Ts）｝ε ただし、制御信号u_dはベクトルであり、次の要
素から成る。

u_d ^T＝（₁ｄ，θ₁ｄ，₂ｄ，θ₂ｄ）ここで、各変数の意味は次の通りである。

₁ｄ，θ₁ｄ：制御器８からのスラスタ２に対す
る制御信号で₁ｄは翼角₁の制御信号、θ₁
ｄは旋回角θ₁の制御信号である。

₂ｄ，θ₂ｄ：制御器８からのスラスタ３に対す
る制御信号で₂ｄは翼角₂の制御信号、θ₂
ｄは旋回角θ₂の制御信号である。

L₁，L₂，L₃：制御ゲインを表わす４×３次の
行列であり、L₁は比例ゲイン，L₂は積分
ゲイン，L₃は微分ゲインを表わす。

ｓ：ラプラス演算子Ｔ：時定数ただし、制御器８における制御演算での微分動
作は、不完全微分を使つている。

このような制御信号u_dを受けて、サーボ機構９
においてスラスタ２，３の駆動制御が行なわれ
る。

すなわち、制御信号u_dの各値₁ｄ，θ₁ｄ，₂
ｄ，θ₂ｄは、スラスタ２，３の最大翼角maxお
よび最大旋回角θmaxにより、それぞれ ₁′ｄ＝₁ｄ／max， θ₁′ｄ＝θ₁ｄ／θmax ₂′ｄ＝₂ｄ／max， θ₂′ｄ＝θ₂ｄ／θmax のように正規化されて、サーボ機構９に入力され
る。ただし、max＞０，θmax＝90°である。

同様に、スラスタ２，３の翼角₁，₂および
旋回角θ₁，θ₂も正規化されて、それぞれ₁′，
₂′，θ₁′，θ₂′となる。

また、スラスタ２，３の翼角₁，₂は、前進
推力のとき正、後進推力のとき負とし、旋回角
θ₁，θ₂は、右向き推力のとき正、左向き推力のと
き負とする。そして、第４図のスラスタ３のよう
に後進推力の場合、推力の矢印を反対側に延ばし
た点線の方向をスラスタ２，３の旋回角θ₁，θ₂と
する。すなわち第４図では、θ₁＞０であり、θ₂＜
０である。

これにより、次の条件が成り立つ。

−１≦₁′≦１，−１≦₂′≦１ −１≦θ₁′≦１，−１≦θ₂′≦１サーボ機構９において、スラスタ２，３の駆動
部は、それぞれ積分器１４，１５，１６，１７と
して表わされている。このサーボ機構９は、スラ
スタ２の翼角サーボ部および旋回角サーボ部とス
ラスタ３の翼角サーボ部および旋回角サーボ部と
に分かれている。そして、それぞれのサーボ部が
増幅器１０，１１，１２，１３および積分器１
４，１５，１６，１７を含んだフイードバツクル
ープを形成する制御系として構成されている。

これらの増幅器１０，１１，１２，１３は、第
５，６図に示すようにリミツタ特性を有してお
り、それぞれの増幅器１０，１１，１２，１３へ
の誤差入力ｅ＝₁′ｄ−₁′が大きくなると、出
力が一定になつてしまう。また、第５図に示すよ
うに、翼角サーボ部を構成する積分器１４，１６
は、時定数T₁をもつ伝達関数（１／T₁ｓ）で表
わされる。同様に、第６図に示すように、旋回角
サーボ部を構成する積分器１５，１７は、時定数
T₂をもつ伝達関数（１／T₂ｓ）で表わされる。
この場合、T₁＝10秒，T₂＝５秒となつている。

したがつて、スラスタ２の翼角₁の制御のみ
に注目すると、第７図に示すような船舶の定点保
持制御系が構成されていることがわかる。

このような従来の船舶の制御装置においては、
サーボ機構９の翼角サーボ部において増幅器１
０、１２のリミツタ特性のために、翼角₁，₂
の変化速度は最大で（max／T₁）＝（max／
10）［度／sec］に抑えられている。同様に、旋回
角サーボ部において増幅器１１，１３のリミツタ
特性のために、旋回角θ₁，θ₂の変化速度は最大で
（θmax／T₂）＝（90°／５）＝18［度／sec］に抑えら
れている。

したがつて、制御器８から出力される制御信号
u_dの各変数（₁ｄ，θ₁ｄ，₂ｄ，θ₂ｄ）の変化速
度が上述の最大速度よりも速いときには、スラス
タ２，３の駆動制御が時間的に遅れることになつ
てしまう。

このようにスラスタ２，３の翼角₁，₂およ
び旋回角θ₁，θ₂のサーボ機構９の応答遅れのため
に、船舶の定点保持制御系の制御性能が悪化して
しまう。そして、応答遅れがさらに大きくなる
と、制御系が不安定になつてしまうという問題点
がある。

このような応答遅れによる性能低下をなくすた
めには、サーボ機構９の応答速度を上げる、すな
わちサーボ機構９の時定数T₁，T₂を小さくしな
ければならない。しかし、これらの時定数T₁，
T₂はスラスタ２，３の機構および強度により決
まる値である。したがつて、時定数T₁，T₂を小
さくすると、スラスタ２，３の機構および強度が
悪化してしまうので、時定数T₁，T₂を小さくす
ることは不可能であるという問題点もある。

このため、船体１が突風のように大きくて速い
外乱を受けた場合、制御器８から出力される制御
信号u_dの変化速度は大きくなるが、サーボ機構９
の応答遅れにより、スラスタ２，３の翼角₁，
₂および旋回角θ₁，θ₂はこれに対応して変化でき
ない。

したがつて、このような従来の船舶の制御装置
においては、船舶に大幅な突変外乱が加えられた
場合、制御系が不安定になつてしまうという問題
点がある。

本発明は、このような問題点を解決しようとす
るもので、応答性がよく、大幅な突変外乱を受け
たときでも、制御系の安定を保つことができるよ
うにした、船舶の制御装置を提供することを目的
とする。

このため、本発明の船舶の制御装置は、船体の
位置および方位を設定する設定器と、船体の位置
および方位を検出する検出器と、上記の設定器お
よび検出器からの信号を受けて両信号の減算を行
なう減算器と、同減算器からの信号を受けて船体
の位置および方位の調整のための制御信号を出力
する制御器と、同制御器からの制御信号を受ける
べく増幅器および積分器を含んでフイードバツク
ループが形成された船体駆動用サーボ機構とをそ
なえ、上記制御器による制御系を安定化すべく同
制御器からの制御信号と上記サーボ機構の積分器
からの出力信号とを受けて両信号の差の絶対値が
基準量を超える場合には同制御器の制御ゲインを
減少させるように同制御ゲインの選択を行なう安
定化装置が設けられたことを特徴としている。

以下、図面により本発明の一実施例としての船
舶の制御装置について説明すると、第８図はその
船体駆動用サーボ機構における増幅器のリミツタ
特性を示す説明図、第９図はその制御系における
入力振幅と上記リミツタ特性を示す記述関数との
関係を示すグラフ、第１０図はその制御系の一部
を示す系統図、第１１図はその要部を示す系統
図、第１２図はその作用の順序を示す流れ図、第
１３，１４図はいずれもその動作の詳細を示す説
明図、第１５図は想定された風速変化を示すグラ
フ、第１６，１７図はいずれも本発明の船舶の制
御装置による全体の動作を説明するためのグラ
フ、第１８図は本発明の船舶の制御装置の全体を
示す系統図であり、図中第１〜７図と同じ符号は
ほぼ同様のものを示す。

まず、本発明の原理について説明する。スラス
タ２，３のサーボ機構９の応答遅れを検討するた
めに、その増幅器１０のリミツタ特性を明らかに
する。この増幅器１０のリミツタ特性を表わすの
に、記述関数Ｎを用いる。

第８図に示すようなリミツタ特性を増幅器１０
への入力ｘとして、次のような振幅e_i、周波数ω
の正弦波関数を考える。

ｘ（ｔ）＝e_isinωt 入力ｘ（ｔ）を受ける増幅器１０の出力ｙ（ｔ）
は、周波数ωの基本波成分の他に、奇数次の高調
波成分を含む。これは、増幅器１０が原点に対称
な特性を持つためである。したがつて、ｙ（ｔ）
は次のように表わされる。

ｙ（ｔ）＝e₀sinωt＋e₃sin3ωt ＋e₅sin5ωt＋…… 記述関数Ｎは、入力ｘと出力ｙとの基本波成分
の振幅比で定義される。

Ｎ＝e₀／e_i すなわち、Ｎは基本波成分についての増幅器１
０のゲインを表わしており、入力ｘの周波数ωに
は依存しない。しかし、Ｎは入力ｘの振幅e_iの大
きさによつて異なり、e_iの関数として次のように
求められる。

これにより、入力振幅e_iとＮとの関係は、第９
図のようになり、入力振幅e_iが大きくなるにつれ
て、Ｎは単調に減少していくのがわかる。

この記述関数Ｎを増幅器１０の等価ゲインとし
てスラスタ２の翼角サーボ部を表現すると、第１
０図のようになる。すなわち、この制御系の入力
₁′ｄと出力₁′との間の伝達関数をG_N（ｓ）とす
ると、G_N（ｓ）は次式のような１次遅れ系として
表わされる。

G_N（ｓ）＝１／１＋（T₁／Ｎ）_s＝１／１＋（10／Ｎ
）_s したがつて、増幅器１０への誤差入力ｅ＝
₁′ｄ−₁′が小さいときには、第９図より増幅
器１０の等価ゲインＮの値は大きいので、G_N
（ｓ）における１次遅れ系の時定数T₁／Ｎは小さ
い。したがつて、この翼角サーボ部の応答は速
く、スラスタ２の翼角₁は安定に制御される。

さらに、時定数T₁／Ｎが小さいので、制御器
８の制御ゲインL₁，L₂，L₃をもつと大きくすれ
ば、より応答性を向上させることが可能となる。

しかし、制御ゲインL₁，L₂，L₃を大きくする
につれて、制御器８から出力される制御信号u_dの
変化速度も大きくなり、その結果増幅器１０へ入
力される誤差入力ｅも大きくなつてしまう。この
誤差入力ｅが大きくなると、第９図に示すように
増幅器１０の等価ゲインＮが減少する。したがつ
て、翼角サーボ部の時定数T₁／Ｎは大きくなり、
翼角₁の制御系における応答遅れも大きくなつ
て、制御系の安定性が劣化してしまう。

以上を考慮することにより、次のような制御系
が考えられる。

船体１が受ける外乱が小さいときは、制御器８
から出力される制御信号u_dの変動は小さく、した
がつてスラスタ２，３のサーボ機構９の増幅器１
０，１１，１２，１３へ入力される誤差入力ｅも
小さい。そこで、大きな制御ゲインL₁，L₂，L₃
を用いて、応答性の速い良好な制御を行なう。

また、船体１の受ける外乱ｄが大きいときは、
増幅器１０，１１，１２，１３への誤差入力ｅも
大きくなる。このため、サーボ機構９の応答遅れ
が大きくなつて制御系全体の安定性が劣化してし
まう恐れがある。これを防ぐために、外乱ｄが大
きいときは小さい制御ゲインL₁，L₂，L₃を用い
て誤差入力ｅが大きくならないようにして、制御
系の安定性を保持する。

すなわち、外乱ｄの状態を増幅器１０，１１，
１２，１３への誤差入力ｅによつて監視し、その
誤差入力ｅの大きさの応じて制御ゲインL₁，L₂，
L₃を変化させて、船体１が大幅な突変外乱を受
けたときでも全体の制御系の安定を保つようにす
るのである。

したがつて、本発明の船舶の制御装置において
は、制御系が受ける外乱ｄの状態を増幅器１０，
１１，１２，１３への誤差入力ｅの大きさで監視
する。そして、制御ゲインL₁，L₂，L₃を選択す
るための基準値e₀を設け、｜ｅ｜＞e₀のときは制
御ゲインL₁，L₂，L₃をより小さな値に変え、｜ｅ
｜≦e₀のときは制御ゲインL₁，L₂，L₃をより大
きな値とする。

以上の原理に基づき、本発明の一実施例として
の船舶の制御装置においては、第１１，１８図に
示すように、サーボ機構９の積分器１４，１５，
１６，１７の出力₁′，θ₁′，₂′，θ₂′と制御器
８
からの制御信号u_dの正規化された値₁′ｄ，θ₁′
ｄ，₂′ｄ，θ₂′ｄとをそれぞれ受けて制御器８へ
制御ゲインL₁，L₂，L₃の値を与える、安定化装
置１８，３４，３５，３６が設けられている。

第１１図には、スラスタ２の翼角サーボ部のみ
が示されている。

各安定化装置１８，３４，３５，３６において
は、一定の時間間隔で連続して制御ゲインL₁，
L₂，L₃の選択、変更が行なわれる。

スラスタ２の翼角サーボ部に設けられた安定化
装置１８において、指数PHIDは、制御器８から
のスラスタ２の翼角制御信号₁′ｄ、PHIAは、
スラスタ２の実際の翼角₁′を示す。

第１２図に示す安定化装置１８には、増幅器１
０への誤差入力の値ER＝PHID−PHIAを出力す
る減算器２０と、その出力ERを受けて、絶対値
｜ER｜を出力する絶対値器２１とが設けられて
いる。

次に、絶対値器２１の出力｜ER｜を受けて、
制御ゲインL₁，L₂，L₃の選択を判断するための
基準量Ｅ（IPM）との大小を比較するための比較
器２２が設けられている。ここで、指数IPMは、
制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定値PARAMを指定
する指数で、IPMが大きいほど高い制御ゲイン
L₁，L₂，L₃が設定される。基準量Ｅは、使われ
ている制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定によつて変
更される。

また、前回における増幅器１０への入力の絶対
値｜ERP｜と基準量Ｅ（IPM）との大小を比較す
るための比較器２３と、制御ゲインL₁，L₂，L₃
の指数IPMの最大値を示す指数IMAXと等しい
か比較する比較器２４とが設けられている。

さらに、指数IPMを１つ増やす加算器２５と、
指数IPMを１つ増したときに指数KKKを０に指
定する指定器２６と、指数KKKが０に等しいか
比較する比較器２７と、指数IPMの最小値を示
す指数IMINに等しいか比較する比較器２８と、
指数IPMを１つ減らす減算器２９と、指数KKK
を１に指定する指定器３０とがそなえられてい
る。

さらにまた安定化装置１８には、絶対値器２１
の出力｜ER｜を次回の制御ゲインL₁，L₂，L₃選
択判断時まで値｜ERP｜として保持するための
保持器３１と、指数IPMで決まる制御ゲインL₁，
L₂，L₃の設定値PARAM（IPM）を制御器８に出
力するための設定器３２と、制御器８が制御演算
を終え、スラスタ２の翼角制御信号₁′ｄを出力
した時点で、₁′ｄの値を指数PHIDとして、次
回の制御ゲイン選択判断時までPHIDとして保持
し、同時にスラスタ２の実際の翼角₁′をPHIA
として保持しておくための保持器３３とが設けら
れている。

他の安定化装置３４，３５，３６も、同様の構
成となつている。

上述の構成により、本発明の一実施例としての
船舶の制御装置では、制御演算は一定時間間隔
（具体的には１秒間隔）で行なわれる。そして、
制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定変更は、この制御
演算と同期して行なわれる。

船体１の受ける外乱ｄが大きいときは、増幅器
１０，１１，１２，１３への誤差入力ｅも大きく
なる。すなわち、安定化装置１８，３４〜３６で
は、制御器８からの制御信号とサーボ機構９の積
分器１４〜１７から出力信号との差（＝誤差入力
ｅ）の絶対値｜ERP｜が基準量Ｅ（IPM）を超え
ることになるが、その場合、サーボ機構９の応答
遅れが大きくなつて制御系全体の安定性が劣化し
てしまう恐れがある。これを防ぐために、安定化
装置１８，３４〜３６では、上記のように外乱ｄ
が大きいときは制御器８において小さい制御ゲイ
ンL₁，L₂，L₃を選択し上記誤差入力ｅが大きく
ならないようにして、制御系の安定性が保持され
る。

第１２図に示す安定化装置１８の減算器２０で
は、前回の制御演算完了時におけるスラスタの翼
角制御信号₁′ｄの値PHIDとスラスタ２の実際
の翼角₁′の値PHIAとが保持器３３より入力さ
れ、その差EP＝PHID−PHIAが出力される。つ
ぎに、絶対値器２１では、減算器２０の出力ER
が入力され、その絶対値｜ER｜が出力される。

そして、比較器２２では、絶対値器２１の出力
｜ER｜と制御ゲインL₁，L₂，L₃の選択を判断す
る基準量Ｅ（IPM）との大小が比較される。ただ
し、基準量Ｅ（IPM）の決め方は後述する。

｜ER｜＜Ｅ（IPM）のときは、比較器２３で
前々回の制御演算完了時におけるスラスラ２の翼
角制御信号₁′ｄと実際の翼角₁′との差の絶対
値｜ERP｜と基準量Ｅ（IPM）とが比較される。

｜ERP｜＜Ｅ（IPM）のときは、今回および前
回とも増幅器１０への入力は基準量Ｅ（IPM）よ
り小さいので、制御ゲインL₁，L₂，L₃の指数
IPMを１つ増やして、より高い制御ゲインL₁，
L₂，L₃の設定値を選択するかどうか判断される。

比較器２４では、IPMとIMAXとが比較され
る。IPM＝IMAXならば、現在の制御ゲインL₁，
L₂，L₃以上に高い制御ゲインL₁，L₂，L₃は選択
できないので、制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定値
および指数IPMは、現在のままにしておく。そ
して指定器３０に進む。もし、IPM＜IMAXな
らば、加算器２５において、IPMが１つ増やさ
れる。同時に、指定器２６では、指数KKKが０
に指定される。これは、今回の制御ゲイン選択で
は、より高い制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定値を
選択したことを、次回の制御ゲインL₁，L₂，L₃
の選択判断のときまで記憶しておくためである。
そして、保持器３１に進む。

比較器２３で｜ERP｜＜Ｅ（IPM）のときは、
今回は増幅器１０への誤差入力｜ER｜は基準量
Ｅ（IPM）以下であつたが、前回は増幅器１０へ
の誤差入力｜ER｜は基準量Ｅ（IPM）以上であつ
たことになる。このときは、増幅器１０への誤差
入力ｅは減少しつつあるときで、より高い制御ゲ
インL₁，L₂，L₃の設定値を選択しないで、指数
IPMはそのままで現在の制御ゲインのL₁，L₂，
L₃の設定値を持続する。そして、指定器３０に
進む。

比較器２２で、｜ER｜≧Ｅ（IPM）のときは、
増幅器１０への誤差入力｜ER｜が基準量Ｅ
（IPM）を超えているので、より低い制御ゲイン
のセツトを選択するかどうかが判断される。

比較器２７では、指数KKKが０に等しいか比
較される。KKKが０に等しいときは、前回の制
御ゲインL₁，L₂，L₃選択の際に指数IPMを１つ
増やしてより高い制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定
値を選択している。そのため、｜ER｜≧Ｅ（IPM）
になつたのは、より高い制御ゲインL₁，L₂，L₃
に変えたことによる影響だと考えられる。したが
つて、比較器２７でKKK＝０のときは、｜ER｜
≧Ｅ（IPM）となつていてもより低い制御ゲイン
L₁，L₂，L₃の選択は行なわず、現在のの制御ゲ
インL₁，L₂，L₃を保持する。

比較器２７で指数KKKが０でないとする。こ
のときは、前回の制御ゲインL₁，L₂，L₃選択で
より高い制御ゲインL₁，L₂，L₃を選択している
ことはない。しかも、増幅器１０への入力｜ER
｜が基準量を超えているので、より低い制御ゲイ
ンを選択するかどうか判断される。

比較器２８では、IPMがIMINに等しいか比較
される。IPM＝IMINならば、現在の制御ゲイン
L₁，L₂，L₃より低い制御ゲインL₁，L₂，L₃は選
択できないので、制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定
値および指数IPMは、現在のままにしておく。
そして指定器３０に進む。IPM＞IMINならば、
減算器２９でIPMは１つ減らされる。そして指
定器３０に進む。

比較器２７で指数KKK＝０の判定を行なうの
は、次の理由による。仮に前回の制御ゲインL₁，
L₂，L₃の選択で高い制御ゲインL₁，L₂，L₃を選
択したとする。このときは、KKK＝０となつて
いる。この制御ゲインL₁，L₂，L₃の変化の影響
で｜ER｜≧Ｅ（IPM）になつたとする。比較器２
７がなく、IPM＝IMINでなければ、IPMは１つ
減らされることになる。したがつて、IPMは増
減を繰り返す可能性がある。そのため、前回より
高い制御ゲインL₁，L₂，L₃を選択しているとき
は、今回｜ER｜≧Ｅ（IPM）になつても、指数
IPMおよび制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定値は、
現在のままにしておく。

指定器３０では、指数KKKが１に指定される。
これは、今回の制御ゲインL₁，L₂，L₃の選択で
は、制御ゲインのセツトを保持したか、あるいは
より低い制御ゲインL₁，L₂，L₃の設定値を選択
したかを次回の制御ゲインL₁，L₂，L₃選択演算
の際まで記憶しておくためである。

保持器３１では、増幅器１０への入力｜ER｜
を｜ERP｜に置き換えて、次回の制御ゲインL₁，
L₂，L₃選択の判断の際に前回の増幅器１０への
入力｜ERP｜として用いるために保持される。

設定器３２では、以上の制御ゲインL₁，L₂，
L₃選択の判断で決められた指数IPMに応じた制
御ゲインL₁，L₂，L₃の設定値PARAM（IPM）が
制御器８に出力される。

保持器３３では、制御器８での制御演算が終わ
り、スラスタ２の翼角制御信号₁′ｄが出力され
た時点で、翼角制御信号₁′ｄの値がPHIDとし
て保持される。このとき、同時にスラスタ２の実
際の翼角₁′がPHIAとして保持される。₁′ｄは
時間的には次の制御演算まで変わらないが、翼角
₁′は時間とともに変化するので、翼角制御信号
₁′ｄの出力時点に合わせて実際の翼角₁′の読
込みを完全に同期して行なう必要がある。

最後に、比較器２２，２３で制御ゲインの選択
を判断するのに必要とされる、基準量Ｅ（IPM）
の決め方について説明する。

非線形要素を含む制御系の安定解析を行なう方
法の１つに、記述関数法がある。記述関数法を使
うには、非線形要素は制御系の中に１つしか含ま
れておらず、非線形要素の入力が正弦波形のと
き、非線形要素の出力に含まれる高調波成分は無
視して基本波成分だけを非線形要素の出力として
近似することができる、という仮定が必要とされ
る。

本発明の一実施例としての船舶の制御装置にお
ける安定限界の検討では、このような仮定は、次
の理由によりほぼ満たされる。

例えば、船体１が右前方から外乱を受けると
き、第１８図の増幅器１０が最も大きな誤差入力
ｅを受ける。増幅器１０の次に大きな入力を受け
るのは、増幅器１１，１２，１３である。これら
の増幅器１１，１２，１３への誤差入力ｅの最大
振幅は、増幅器１０への入力の最大振幅の60〜25
％程度である。

したがつて、スラスタ２，３のサーボ機構９の
リミツタ特性が制御系の安定性に与える影響は、
非線形要素として増幅器１０だけを考えて近似的
に検討できる。

一般に、非線形要素の出力に含まれる高調波成
分の振幅は、基本波成分の振幅に比べて小さい。
また本発明の船舶の制御装置のような定点保持制
御系では、高い周波数でのゲインは小さくなるこ
とから、基本波成分だけにより非線形要素の出力
を近似することができる。

以上より、記述関数法によつて安定限界が検討
される制御系のブロツク図は第１３図のように近
似することができる。第１３図では、増幅器１０
以外の非線形要素およびそれに関連した積分要素
は、すべて除外されている。安定限界検討のた
め、設定値x_1s＝０、外乱ｄ＝０としている。

増幅器１０に対するリミツトサイクルは、次の
ように求められる。

増幅器１０への入力ｅ（ｔ）を次のような正弦
波形とする。

ｅ（ｔ）＝e_isinωt 上記の仮定より、増幅器１０の出力ｍ（ｔ）は
基本波成分だけからなる正弦波形と考えることが
できる。増幅器１０の記述関数をＮとすれば、増
幅器１０の出力ｍ（ｔ）は、次式で与えられる。

ｍ（ｔ）＝Ｎ（e_i）ｅ（ｔ）次に第１３図で非線形要素である増幅器１０を
除去したときのブロツク図を第１４図に示す。第
１４図はすべて線形要素からなるブロツク図であ
る。

第１４図でｍを入力、ｅを出力としたときの伝
達関数をＧ（ｓ）とすればｍ（ｔ）、ｅ（ｔ）ともに
正弦波形と考えられているから、次式が成り立
つ。

Ｅ（ｓ）／Ｍ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）Ｅ（ｓ）、Ｍ（ｓ）は、それぞれｅ（ｔ）、ｍ（ｔ）
のラプラス変換を示す。

リミツトサイクルが存在するための条件は、上
の２式が常に同時に成り立つことであるから、そ
の条件は次式で与えられる。

Ｇ（jω）＝１／Ｎ（e_i）ただし、上式の左辺Ｇ（jω）は、角周波数ωの
関数であり、右辺Ｎ（e_i）は、増幅器１０への誤
差入力ｅの増幅e_iの関数である。

したがつて、複素面上にＧ（jω）と１／Ｎ（e_i）
を記し、両者に交点があれば、制御系が安定限界
になつてしまうリミツトサイクルが存在する。そ
のリミツトサイクルの振幅は交点におけるe_iの値
であり、角周波数は交点におけるωで与えられ
る。

Ｇ（jω）と１／Ｎ（e_i）の両者に交点がなけれ
ば、安定限界になるリミツトサイクルは存在しな
い。そのときは制御系は常に安定である。

制御系に増幅器１０が１つだけある場合、増幅
器１０がリミツトサイクルが発生するときの振幅
より大きい誤差入力ｅを受けたときに制御系が不
安定となり、また、リミツトサイクルが発生する
振幅よりも小さい誤差入力ｅを受けたときは、制
御系が安定、すなわち不安定なリミツトサイクル
となることがわかつた。

しかし、実際の制御系には、多数のリミツタ特
性をもつ増幅器１０，１１，１２，１３があつ
て、いずれも制御系の安定性に多少なりとも悪影
響を与える。複数の増幅器１０，１１，１２，１
３があるときは、基準量Ｅ（IPM）は、上記のリ
ミツトサイクルの振幅より小さくする必要があ
る。

しかしながら、Ｅ（IPM）の正確な値を理論的
に求めることは非常に難しい。そこで、安定化装
置１８を使つたときのシミユレーシヨン計算の結
果より、Ｅ（IPM）は、上記のリミツトサイクル
の振幅の20％とすればよいことが判つている。

次に、本発明による船舶の制御装置の効果を、
シミユレーシヨン計算で明らかにする。

シミユレーシヨンにおける計算条件は、次の通
りである。

初期条件は、風速15m／ｓ、風向右前方30°の
風を受けて船が静止している状態とする。そのと
きのスラスタ２の翼角₁および旋回角θ₁は次の通
りである。

₁＝9.3°，θ₁＝83.9° スラスタ３の翼角₂および旋回角θ₂は、次の通
りである。

₂＝4.9°，θ₂＝40° スラスタの最大翼角_naxは_nax＝24.12°である。

また、外乱ｄとして、第１５図に示すような風
速変化を想定する。風向は右前方30°のまま変わ
らないものとする。

選択できる制御ゲインL₁，L₂，L₃の組合わせ
を４つ設定する。最も大きい制御ゲインL₁，L₂，
L₃の指数IPMは、IPM＝IMAX＝４とする。最
も小さい制御ゲインL₁，L₂，L₃の指数IPMは、
IPM＝IMIN＝１とする。

初期条件での制御ゲインL₁，L₂，L₃の指数
IPMは、IPM＝４とする。

制御ゲインL₁，L₂，L₃を選択する判断の基準
量Ｅ（IPM）は、制御ゲインL₁，L₂，L₃の組合せ
毎に異なり、上述のように次の値を使つた。

Ｅ(1)＝0.0810，Ｅ(2)＝0.0696，Ｅ(3)＝0.0604，Ｅ(4)＝0.0598 以上の条件で行なつたシミユレーシヨン計算の
結果を、第１６図に示す。

第１６図ａは、第１５図に示した風外乱ｄの風
速変化を示す。

第１６図ｂは、風外乱を受けたときの船体１の
x₀，y₀軸方向の変化と方位の偏差ψを示す。これ
により、制御系が良好に動作しているのが判る。

第１６図ｃは、スラスタ２の翼角₁と旋回角θ₁
およびスラスタ３の翼角₂と旋回角θ₂の変化の様
子を示す。

第１６図ｄは、増幅器１０への入力ER＝₁′ｄ
−₁′の変化を示す。

第１６図ｅは、安定化装置１８によつて決めら
れた制御ゲインL₁，L₂，L₃の指数IPMの変化の
様子を示す。

基準量Ｅ（IPM）の値と第１６図ｄのERの値よ
り、風外乱ｄが与えられてから32秒経過して初め
の高い制御ゲインL₁，L₂，L₃の組合わせに戻つ
ている。

以上より、安定化装置１８により船体１が風の
大幅な突変外乱ｄを受けても、制御ゲインL₁，
L₂，L₃を選択することにより、船の安定な定点
保持制御が行なわれているのが判る。

第１７図は、参考に、安定化装置１８がない場
合に、同じ風外乱ｄを受けたときの定点保持制御
の様子を示している。制御ゲインL₁，L₂，L₃は、
最も大きい制御ゲイン（すなわちIPM＝４のと
き）のままで制御した場合で制御が不安定にな
り、制御に失敗しているのがわかる。

以上は、安定化装置１８を含むスラスタ２の翼
角サーボ部のみについて述べたが、各サーボ部に
設けられた安定化装置３４，３５，３６も、同様
の動作を行なう。これにより、いかなる外乱ｄに
も対応することができる。

なお、安定化装置１８，３４，３５，３６をこ
のように４つ設けても、１つあるいは２，３個の
みを設けてもよい。

以上詳述したように、本発明の船舶の制御装置
によれば、船体の位置および方位を設定する設定
器と、船体の位置および方位を検出する検出器
と、上記の設定器および検出器からの信号を受け
て両信号の減算を行なう減算器と、同減算器から
の信号を受けて船体の位置および方位の調整のた
めの制御信号を出力する制御器と、同制御器から
の制御信号を受けるべく増幅器および積分器を含
んでフイードバツクループが形成された船体駆動
用サーボ機構とをそなえ、上記制御器による制御
系を安定化すべく同制御器からの制御信号と上記
サーボ機構の積分器からの出力信号とを受けて両
信号の差の絶対値が基準量を超える場合には同制
御器の制御ゲインを減少させるように同制御ゲイ
ンの選択を行なう安定化装置が設けられるという
簡素な構成で、安定性および応答性のすぐれた制
御を実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

１〜７図は従来の船舶の制御装置を示すもの
で、第１図は制御を受ける船舶の平面図、第２図
は従来の船舶の制御装置の全体を示す系統図、第
３図は上記船舶の設定位置および設定方位を含ん
だ座標系を示す説明図、第４図は上記船舶におけ
る首振式スラスタの旋回角のとり方を示す説明
図、第５，６図はいずれも上記従来の船舶の制御
装置における制御系の一部を示す系統図、第７図
は上記従来の船舶の制御装置の要部を示す系統図
であり、第８〜１８図は本発明の一実施例として
の船舶の制御装置を示すもので、第８図はその船
体駆動用サーボ機構における増幅器のリミツタ特
性を示す説明図、第９図はその制御系における入
力振幅と上記リミツタ特性を示す記述関数との関
係を示すグラフ、第１０図はその制御系の一部を
示す系統図、第１１図はその要部を示す系統図、
第１２図はその作用の順序を示す流れ図、第１
３，１４図はいずれもその動作の詳細を示す説明
図、第１５図は想定された風速変化を示すグラ
フ、第１６，１７図はいずれも本発明の船舶の制
御装置による全体の動作を説明するためのグラ
フ、第１８図は本発明の船舶の制御装置の全体を
示す系統図である。１……船体、２，３……スラスタ、４……船体
運動部、５……検出器、６……設定器、７……減
算器、８……制御器、９……サーボ機構、１０，
１１，１２，１３……増幅器、１４，１５，１
６，１７……積分器、１８……安定化装置、２０
……減算器、２１……絶対値器、２２，２３，２
４……比較器、２５……加算器、２６……指定
器、２７，２８……比較器、２９……減算器、３
０……指定器、３１……保持器、３２……設定
器、３３……保持器、３４，３５，３６……安定
化装置。

Claims

【特許請求の範囲】

１船体の位置および方位を設定する設定器と、
船体の位置および方位を検出する検出器と、上記
の設定器および検出器からの信号を受けて両信号
の減算を行なう減算器と、同減算器からの信号を
受けて船体の位置および方位の調整のための制御
信号を出力する制御器と、同制御器からの制御信
号を受けるべく増幅器および積分器を含んでフイ
ードバツクループが形成された船体駆動用サーボ
機構とをそなえ、上記制御器による制御系を安定
化すべく同制御器からの制御信号と上記サーボ機
構の積分器からの出力信号とを受けて両信号の差
の絶対値が基準量を超える場合には同制御器の制
御ゲインを減少させるように同制御ゲインの選択
を行なう安定化装置が設けられたことを特徴とす
る、船舶の制御装置。