JPH0717471A

JPH0717471A - 船体運動減衰方法および装置

Info

Publication number: JPH0717471A
Application number: JP19081893A
Authority: JP
Inventors: Kiyotaka Hiraoka; 清敬平岡
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】船体運動の減衰操作のための制御出力の制御
係数の切換えや微調整等の作業を軽減し、船体の運動状
態に適応した減衰制御ができるようにする。【構成】船体に設けたフィンスタビライザー、タブを
操作駆動対象とし、船体のピッチ軸およびロール軸の変
位角度および角速度の検出センサによる検出信号をもと
に船体運動を減衰させる場合、前記検出センサによる角
度および角速度の検出と並行して変位角度の周期を算出
する。この平均周期とともに角度信号および角速度信号
をファジイ制御則に取込んで予め設定したルールに基づ
いて推論して指令出力をなす。前記角度信号の実効値を
ファジイ制御則に取込んで予め設定したルールに基づい
て前記推論指令出力の利得を推論出力して調整する。次
いで実効値の大小と船速および動作角度実効値をファジ
イ制御則に取込んでトータルゲインを調整して各操作対
象への操作信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は船体運動減衰方法および
装置に係り、特にフィンスタビライザーやタブによって
船体動揺を制御するようにした運動減衰方法および装置
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、フィンスタビライザーやタブ等
を備えた船体では、航行中に、波浪等の外乱によって生
じる船体のピッチング運動やローリング運動を減衰させ
るようにこれらフィンスタビライザーやタブ等を制御駆
動している。従来のこの種の船体運動減衰装置は、ピッ
チング軸およびローリング軸の２軸の角度センサ、角速
度センサにより船体運動を検出し、これらの信号と目標
値との偏差信号を算出し、偏差信号に対して比例、微
分、積分等の演算処理を行い、これらの和を指令出力と
してフィンスタビライザーやタブ等の駆動装置へ入力
し、波浪等の外乱に対抗するモーメントを発生するよう
に制御している。例えば、図８の船体に装備した４基の
フィンスタビライザ１、２、３、４の内、前部右側の駆
動部への制御信号をδ_fs、前部左側の駆動部への制御信
号をδ_fp、後部右側の駆動部への制御信号をδ_as,後部
左側の駆動部への制御信号をδ_apとすると、従来のコン
トローラ５では、次のような処理を行っていた。すなわ
ち、図９に示すように、ピッチング角θ、その角速度
θ’（表記上の関係から、ダッシュ「’」は微分を意味
するものとする。）およびローリング角φ、その角速度
φ’を入力し、所定のゲイン制御係数Ｋ_p、Ｋ_d、Ｋ_d2、
Ｋ_p’、Ｋ_d’、Ｋ_d2’によって制御出力δ（θ）、δ
（φ）を演算し、この結果に基づいて各駆動部に対して
駆動制御信号δ_fs、δ_fp、δ_as、δ_apを得ていた。この
ようなコントローラによる処理では、駆動制御信号の算
出過程での制御係数Ｋ_p、Ｋ_d、Ｋ_d2、Ｋ_p’、Ｋ_d’、Ｋ
_d2’は固定されており、船の試運転や計画時、速度に合
わせて高速用、中速用、低速用の数種の値がプリセット
され、操船者は船の速力に応じて手動でこれを切換える
ようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の制御方
式では、各制御係数はプリセットされた値を手動で切換
える以外は変えることができないので、計画時、試運転
時に予め想定される船速で最適な制御が行えるよう微調
整を行う必要があった。すなわち、従来の方式では、船
体の運動減衰を有効に行わせるために、試運転時や就航
後に比例、微分、積分等の各制御係数を調整する作業を
必要とし、また、船速や駆動部の動きに合わせて乗組員
が予め設定した数種の制御係数の組合せを切換えて使用
する必要があるという問題があった。したがって、従来
の制御方式では、複雑な制御係数の微調整や航行時の状
況に合わせた制御係数の切換え操作を必ず必要とするた
め、船体運動を的確に減衰させるための作業が複雑とな
ってしまう欠点があった。

【０００４】本発明は、上記従来の問題点に着目し、船
体運動減衰のための処理作業を大幅に削減できるととも
に、高い制御機能を持たせることができる船体運動減衰
方法および装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る船体運動減衰方法は、船体に設けたフ
ィンスタビライザーやタブを操作駆動対象とし、船体の
ピッチ軸およびロール軸の変位角度および角速度の検出
センサによる検出信号をもとに船体運動を減衰駆動させ
るための方法であって、前記検出センサによる角度およ
び角速度の検出と並行して変位角度の周期を算出し、こ
の平均周期とともに角度信号および角速度信号をファジ
イ制御則に取込んで予め設定したルールに基づいて指令
出力を推論し、前記角度信号および角速度信号の実効値
をファジイ制御則に取込んで予め設定したルールに基づ
いて前記推論指令出力の利得を推論出力して調整し、次
いで実効値の大小と船速および動作角度実効値をファジ
イ制御則に取込んでトータルゲインを調整して各操作対
象への操作信号を出力する構成とした。

【０００６】また、本発明に係る船体運動減衰装置は、
船体に設けたフィンスタビライザーやタブを操作駆動対
象とし、船体のピッチ軸およびロール軸の変位角度およ
び角速度の検出センサによる検出信号をもとに船体運動
を減衰させるための装置であって、前記検出センサから
の検出信号の変位角度平均周期を演算する平均周期演算
部と、同検出信号の実効値を算出する演算部とを設ける
とともに、前記駆動対象の動作角実効値を出力する動作
角実効値演算部を設け、前記平均周期演算部からの出力
に応じて前記センサ検出信号実効値演算部による角度お
よび角速度信号の制御特性を調整して指令出力をなし、
この指令出力の利得を前記センサ検出信号実効値および
動作角実効値により予め定めたルールによって操作対象
優先度並びに指令角利得を調整しつつ、各駆動部への指
令角出力の加減制御をなすコントローラを設けたもので
ある。

【０００７】

【作用】上記構成によれば、ピッチングやローリングの
角度および角速度の検出に加えて、これらの信号からピ
ッチング運動およびローリング運動の平均周期が算出さ
れ、またピッチング運動およびローリング運動の実効値
が算出される。船速や動揺周期の変化、実効値の変化に
よる動揺の大小および上下加速度が検出できる。運動の
周期の大きい場合には主な制御因子が角度信号で足り、
周期が小さい場合には角速度を加味する必要がある。本
発明構成では特に平均周期に応じて角度あるいは角速度
実効値の制御特性を調整しており、これはファジイ制御
則によってメンバーシップ関数やルールとしてファジイ
制御則に取込むことにより処理され、これらの関数値と
して指令出力の制御特性を変化させることができる。し
たがって、ルールの設定により任意に制御係数の調整が
でき、決定したルールに基づいて船体運動の状態に応じ
て的確に減揺させることができる。また、同様に制御対
象を縦揺れあるいは横揺れのいずれかを優先させるかの
決定も可能であり、しかも駆動部の動作状態を取込んで
おり、これによって駆動部の動作状態や動揺の状態から
全体の指令出力利得を加減調整することができる。この
結果、制御係数が動揺状態に合わせて自動的に調整さ
れ、安定した船体減衰制御を行わせることができる。

【０００８】

【実施例】以下に本発明に係る船体運動減衰方法および
装置の具体的実施例を図面を参照して詳細に説明する。

【０００９】図１は実施例に係る船体運動減衰装置の構
成ブロック図である。この図に示すように、船体運動を
検出する複数のセンサが設けられており、これはピッチ
ング角を検出するセンサ１０、ローリング角を検出する
センサ１２、およびこれらの角速度を検出するピッチン
グ角速度センサ１４、ローリング角速度センサ１６を備
えている。また、上下方向の加速度を検出するセンサ１
８と船速の検出センサ２０を備えている。そして、これ
らのセンサから各信号を入力しファジイ推論演算出力を
なすコントローラ２２が設けられているが、この装置に
は特に前記ピッチ角センサ１０からの信号を取込み、ピ
ッチング運動の平均周期を演算するピッチング平均周期
演算部２４が前処理装置として設けられている。同様
に、ロール角センサ１２からの信号を取込み、ローリン
グ運動の平均周期を算出するローリング平均周期演算部
２６が設けられている。更に、ピッチング運動やローリ
ング運動の各実効値を算出するピッチング実効値演算部
２８並びにローリング実効値演算部３０が設けられてい
る。

【００１０】これらの各演算部では、次のような演算処
理によって平均周期、実効値を算出するようにしてい
る。以下ではトリム角とヒール角を「０」と仮定する。

【００１１】平均周期演算部では、入力されてくる信号
が基準軸を切る時の間隔をＴ₁、Ｔ₂、……、Ｔ_nとする
と、以下の式により平均周期を求める。

【００１２】

【数１】平均周期Ｔ_m＝（Ｔ₁＋Ｔ₂＋……＋Ｔ_n）／ｎ但し、Ｔ＞Ｔ_cとする。この場合、Ｔ_cは不感帯として設
定し、ノイズや微小な変動の影響を受けにくくするため
に設ける。

【００１３】実効値演算部２８、３０では、以下の式に
より実効値を求める。

【数２】ピッチ角実効値 θ_t＝√［（∫₀ ^tθ²dt）／ｔ］

【数３】ロール角実効値 φ_t＝√［（∫₀ ^tφ²dt）／ｔ］

【００１４】動作角実効演算部３４は、駆動部からのい
ずれか１つのフィードバック角δより、以下の式から実
効値δ_tを求める。

【数４】δ_t＝√［（∫₀ ^tδ²dt）／ｔ］

【００１５】また、前記コントローラすなわちファジイ
推論演算／出力部２２には前記各演算部２４、２６、２
８、３０からの演算信号を入力するが、ここでは入力さ
れた平均周期、実効値とともに、各センサから直接入力
された検出信号とによって次のような演算処理を行うも
のとしている。

【００１６】図２はファジイ推論演算／出力部２２の構
成ブロック図である。縦揺れ減揺および横揺れ減揺のフ
ァジイ推論部２２１、２２２では、前述のセンサから入
力される角度（θまたはφ）、角速度（θ’または
φ’）、平均周期（Ｔ_m（θ）、Ｔ_m（φ））よりファジ
イ推論を行い、縦揺れ、横揺れを減少させるための信号
δ（θ）とδ（φ）を各々出力する。以下にここで行わ
れるファジイ推論を縦揺れ減揺を例にして説明する。

【００１７】ファジイ推論は入力信号をメンバーシップ
関数とルールによって評価し、複数の評価結果の重心を
求めることにより出力信号を決定する過程である。図３
に、入力信号（θ、θ’、Ｔ_mθ）と出力信号（δ
（θ））のメンバーシップ関数を示す。ここで、船首が
下がる方向を正とし、上がる方向を負とする。ＮＬ、Ｎ
Ｓ、ＺＲ、ＰＳ、ＰＬは、状態の程度を表わし、ＮＬは
マイナスに大きい、ＮＳはマイナスに小さい、ＺＲはゼ
ロ近傍、ＰＳはプラスに小さい、ＰＬはプラスに大きい
の意味である。横軸が入力される状態量（θ、θ’等）
で、縦軸が所属度を表わす。

【００１８】ルールはＩＦ〜ＴＨＥＮ〜形式で、「も
し、θがＮＬ（マイナスに大）ならばδ（θ）はＰＬに
する」といった様に、入力信号の状態に応じて出力信号
をどのようにするか規定する。図４にルールを表形式に
したものを示す。ここでは、平均周期が長い場合（Ｔ_m
（θ）がＬ）の時は、主に角度信号によって制御を行
い、平均周期が短い場合（Ｔ_m（θ）がＳ）の時は、角
度信号と角速度信号によって制御を行うようにし、船の
動揺の周期に適応した減揺制御を可能にした。

【００１９】ここで、次の３つのルールでファジイ推論
を行う場合を例として示す（図５参照）。（１）もし、θがＰＬかつＴ_m（θ）がＬならば、δ
（θ）はＮＬ（２）もし、θがＰＬかつθ’がＰＬかつＴ_m（θ）が
Ｓならば、δ（θ）はＮＬ（３）もし、θがＰＳかつ
θ’がＰＳかつＴ_m（θ）がＳならば、δ（θ）はＮＳ

【００２０】入力信号θとθ’およびＴ_m（θ）はそれ
ぞれルールに対応するメンバーシップ関数より所属度を
求め、これらの所属度の一番小さな値で出力側のδ
（θ）のメンバーシップ関数の上限とする。これがルー
ルによる評価で、次に３つのルール評価結果を重ね合わ
せて行い、得られた図形の重心を計算し、その値を縦揺
れ減揺信号δ（θ）として出力する。

【００２１】横揺れ減揺ファジイ推論部２２２も上記と
同様の過程で入力信号φ、φ’およびＴ_m（φ）より横
揺れ減揺信号δ（φ）を出力する。

【００２２】このようにして得られたδ（θ）、δ
（φ）に縦揺れ／横揺れ制御バランスファジイ推論部２
２３より出力される利得係数Ｋ₁、１−Ｋ₁を乗じ、δ
（θ）’、δ（φ）’とする。

【００２３】

【数５】δ（θ）’＝Ｋ₁・δ（θ） δ（φ）’＝（１−Ｋ₁）・δ（φ）但し、０≦Ｋ₁≦１

【００２４】縦揺れ／横揺れ制御バランスファジイ推論
部２２３は、縦揺れ、横揺れの制御のバランスを調節す
る機能を持ち、入力される縦揺れと横揺れの実効値（θ
_tとφ_t）より、縦揺れが大きい場合は縦揺れの制御を優
先し、逆に横揺れが大きい場合は横揺れの制御を優先す
る。また、縦揺れ横揺れの程度が同じ場合は、両方を等
しく制御するようにＫ₁を変化させる。図６に縦揺れ／
横揺れ制御バランスファジイ推論部２２３のメンバーシ
ップ関数とルールを示す。このような機能を持つこと
で、フィンやタブの持つ制御力を揺れの状態に合わせて
有効に使うことができる。

【００２５】上下揺れ減揺信号発生部２２４は入力され
る上下加速度αに応じて減揺信号δ（α）を出力する。

【数６】δ（α）＝ｆ（α）ここで、ｆ（α）はαの関数で、例えばｆ（α）＝ａα
として定義される。

【００２６】トータルゲイン調節ファジイ推論部２２５
は、縦揺れ、横揺れの大きさ、船速と駆動部の動作状態
に合わせて制御信号の大きさを調節する機能を持つ。縦
揺れ、横揺れの大きさについてはθ_t＋φ_tを入力し、こ
の値が大きければ、Ｋ₂を大きくし、逆に小さい時はＫ₂
を小さくする。また、速力ｕによってフィンやタブの発
生する制御力は変化するので、速力が低い時Ｋ₂を大き
くし、速力が高い時Ｋ₂を小さくする。速力が極く低い
時はフィンやタブはどんなに大きく動かしても有効な制
御力を発生できないため、動かさないようにする。更
に、駆動部の動作角の実効値が一定以上となった場合、
駆動部の負荷を抑えるため、Ｋ₂を少し下げる。図７に
トータルゲイン調節ファジイ推論部２２５のメンバーシ
ップ関数とルールを示す。得られたＫ₂をδ（θ）’、
δ（φ）’、δ（α）に乗じて、δ（θ）”、δ
（φ）”、δ（α）’とする。

【００２７】

【数７】δ（θ）”＝Ｋ₂・δ（θ）’ δ（φ）”＝Ｋ₂・δ（φ）’ δ（α）’＝Ｋ₂・δ（α）

【００２８】２２６は各部の駆動部への制御角信号を発
生する部分で、ここでは前後、左右に計４基の駆動部を
装備する場合を示している。縦揺れ減揺のためのδ
（θ）”は前後で逆位相となるように、また、横揺れ減
揺のためのδ（φ）”は左右で逆位相となるように符号
を反転し、上下揺れ減揺のためのδα’については前後
左右全て同位相の制御信号となるように演算出力する。

【００２９】すなわち、前部右側の駆動部への制御信号
をδ_fs、前部左側の駆動部への制御信号をδ_fp、後部右
側の駆動部への制御信号をδ_as,後部左側の駆動部への
制御信号をδ_apとすると、

【数８】 δ_fs＝−δ（θ）”＋δ（φ）”＋δ（α）’ δ_fp＝−δ（θ）”−δ（φ）”＋δ（α）’ δ_fs＝ δ（θ）”＋δ（φ）”＋δ（α）’ δ_fs＝ δ（θ）”−δ（φ）”＋δ（α）’ となり、駆動部の装備状態によって使用する制御信号を
選択する。

【００３０】このように構成された船体運動減衰装置で
は、次のような理由から制御係数の微調整並びに制御係
数の操作を無くすることができる。

【００３１】すなわち、第１に船体の動揺の周期に応じ
て、角度信号と角速度信号の各々の制御に寄与する割合
を自動的に変え、効果的な減揺信号を発生できる。

【００３２】また、第２に縦揺れと横揺れの制御のバラ
ンスを船の動揺の状態で自動的に変え、どちらかを優先
的に減揺することが行えるので、駆動部の制御力を効果
的に使用することができる。

【００３３】第３に船の速力や動揺の大きさ、駆動部の
動作状態に合わせて減揺信号を大きくしたり小さくした
り自動的に調整することができる。

【００３４】また、上記第１〜３が船の状態に合わせて
リアルタイムにかつ並列に処理されるため、船の状態の
変化に柔軟に追従できる。

【００３５】したがって、上記実施例によれば、従来乗
組員が行っていた制御係数の切換え操作が不要となり、
また、試運転時や就航後に行っていた制御係数の微調整
に要する作業を大幅に削減することができる。また、人
間が感覚として持っている揺れが大きいとか小さい、あ
るいは周期が長いとか短いといった状態の評価をメンバ
ーシップ関数やルールとして制御則に容易に取入れるこ
とができる。更に、船の動きと駆動部の動きを総合して
制御できるため、より高い制御効果と省エネルギへの配
慮ができ、バランスのとれた船体運動減衰制御ができ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
船体に設けたフィンスタビライザー、タブ等を操作駆動
制御するに際して、特に検出センサからの検出信号の変
位角度平均周期を演算する平均周期演算部と、同検出信
号の実効値を算出する演算部とを設けるとともに、前記
駆動対象の動作角実効値を出力する動作角実効値演算部
を設け、前記平均周期演算部からの出力に応じて前記セ
ンサ検出信号実効値演算部による角度および角速度信号
の制御特性を調整して指令出力をなし、この指令出力の
利得を前記センサ検出信号実効値および動作角実効値に
より予め定めたルールによって操作対象優先度並びに指
令角利得を調整しつつ、各駆動部への指令角出力の加減
制御をなすコントローラを設け、各演算処理をファジイ
制御則によって行うようにしたので、船体運動減衰のた
めの処理作業を大幅に削減できるとともに、高い制御機
能を持たせることができるという優れた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る船体運動減衰装置の構成ブロック
図である。

【図２】同船体運動減衰装置のコントローラ部分の詳細
ブロック図である。

【図３】縦揺れ減揺ファジイ推論部のメンバーシップ関
数の説明図である。

【図４】縦揺れ減揺ファジイ推論部のルール表である。

【図５】縦揺れ減揺ファジイ推論部の処理過程の説明図
である。

【図６】縦揺れ／横揺れ制御バランスファジイ推論部の
メンバーシップ関数とルールの説明図である。

【図７】トータルゲイン調節ファジイ推論部のメンバー
シップ関数とルールの説明図である。

【図８】船体に装備されるフィンスタビライザーの配置
例である。

【図９】従来のフィンスタビライザーを対象としたコン
トローラのブロック図である。

【符号の説明】

１０ピッチ角センサ１２ロール角センサ１４ピッチ角速度センサ１６ロール角速度センサ１８上下加速度センサ２０船速センサ２２コントローラ２４ピッチング平均周期演算部２６ローリング平均周期演算部２８ピッチング実効値演算部３０ローリング実効値演算部３２駆動部３４動作角実効値演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】船体に設けたフィンスタビライザーやタ
ブを操作駆動対象とし、船体のピッチ軸およびロール軸
の変位角度および角速度の検出センサによる検出信号を
もとに船体運動を減衰駆動させるための方法であって、
前記検出センサによる角度および角速度の検出と並行し
て変位角度の周期を算出し、この平均周期とともに角度
信号および角速度信号をファジイ制御則に取込んで予め
設定したルールに基づいて指令出力を推論し、前記角度
信号および角速度信号の実効値をファジイ制御則に取込
んで予め設定したルールに基づいて前記推論指令出力の
利得を推論出力して調整し、次いで実効値の大小と船速
および動作角度実効値をファジイ制御則に取込んでトー
タルゲインを調整して各操作対象への操作信号を出力す
ることを特徴とする船体運動減衰方法。
【請求項２】船体に設けたフィンスタビライザーやタ
ブを操作駆動対象とし、船体のピッチ軸およびロール軸
の変位角度および角速度の検出センサによる検出信号を
もとに船体運動を減衰させるための装置であって、前記
検出センサからの検出信号の変位角度平均周期を演算す
る平均周期演算部と、同検出信号の実効値を算出する演
算部とを設けるとともに、前記駆動対象の動作角実効値
を出力する動作角実効値演算部を設け、前記平均周期演
算部からの出力に応じて前記センサ検出信号実効値演算
部による角度および角速度信号の制御特性を調整して指
令出力をなし、この指令出力の利得を前記センサ検出信
号実効値および動作角実効値により予め定めたルールに
よって操作対象優先度並びに指令角利得を調整しつつ、
各駆動部への指令角出力の加減制御をなすコントローラ
を設けたことを特徴とする船体運動減衰装置。