JPH0834396A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents
船舶用自動操舵装置Info
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- JPH0834396A JPH0834396A JP6172424A JP17242494A JPH0834396A JP H0834396 A JPH0834396 A JP H0834396A JP 6172424 A JP6172424 A JP 6172424A JP 17242494 A JP17242494 A JP 17242494A JP H0834396 A JPH0834396 A JP H0834396A
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- disturbance
- automatic
- steering system
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 オートパイロットの非線形要素に起因する自
動操舵系の不安定性を除去することを目的とする。 【構成】 設定針路に対する船首方位の偏差を指示する
信号を入力して命令舵角を出力するオートパイロットを
閉ループによって制御するように構成された船舶用自動
操舵装置において、制御対象である一般化制御対象とオ
ートパイロットとを組み合わせてＨ∞制御問題に帰着さ
せた。
動操舵系の不安定性を除去することを目的とする。 【構成】 設定針路に対する船首方位の偏差を指示する
信号を入力して命令舵角を出力するオートパイロットを
閉ループによって制御するように構成された船舶用自動
操舵装置において、制御対象である一般化制御対象とオ
ートパイロットとを組み合わせてＨ∞制御問題に帰着さ
せた。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は船舶用自動操舵装置の制
御系に関し、より詳細には斯かる制御系のオートパイロ
ットの改良に関する。
御系に関し、より詳細には斯かる制御系のオートパイロ
ットの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５に従来の船舶用自動操舵装置の制御
系を模式化したブロック図を示す。斯かる制御系を以下
に単に自動操舵系と称する。自動操舵系は加算器１１と
自動操舵装置即ちオートパイロット１２と操舵機１６と
船体１４−１と船首方位検出器１４−２とを含む。
系を模式化したブロック図を示す。斯かる制御系を以下
に単に自動操舵系と称する。自動操舵系は加算器１１と
自動操舵装置即ちオートパイロット１２と操舵機１６と
船体１４−１と船首方位検出器１４−２とを含む。
【０００３】自動操舵系に入力信号として設定針路θIN
が入力される。加算器１１は設定針路θINと船首方位θ
OUT の偏差ＥＲＲを求める。自動操舵装置即ちオートパ
イロット１２は斯かる偏差ＥＲＲを入力して命令舵角δ
C を出力する。斯かる命令舵角δC は操舵機１６に供給
される。
が入力される。加算器１１は設定針路θINと船首方位θ
OUT の偏差ＥＲＲを求める。自動操舵装置即ちオートパ
イロット１２は斯かる偏差ＥＲＲを入力して命令舵角δ
C を出力する。斯かる命令舵角δC は操舵機１６に供給
される。
【０００４】操舵機１６は舵角δを命令舵角δC に迅速
に追従させるためのサーボ機構を有し、１次遅れ要素に
相当する。船体１４−１には風、波浪等の外乱ｄが作用
する。船体１４−１は船舶の方位軸周りに回転する運動
系であると考えることができる。船体１４−１は舵角δ
と角度換算された外乱ｄを入力信号とし船首方位の角速
度ｄθ／ｄｔを出力信号とする。
に追従させるためのサーボ機構を有し、１次遅れ要素に
相当する。船体１４−１には風、波浪等の外乱ｄが作用
する。船体１４−１は船舶の方位軸周りに回転する運動
系であると考えることができる。船体１４−１は舵角δ
と角度換算された外乱ｄを入力信号とし船首方位の角速
度ｄθ／ｄｔを出力信号とする。
【０００５】船首方位検出器１４−２は船首方位の角速
度ｄθ／ｄｔより船首方位θOUT を演算する。船首方位
検出器１４−２はジャイロコンパス、磁気コンパス等を
含むものであってよい。斯かる船首方位θOUT は加算器
１１にフィードバックされる。加算器１１の出力である
偏差ＥＲＲがゼロになるように安定な閉ループが構成さ
れる。このとき船首方位θOUT は自動操舵系の出力信号
として出力される。
度ｄθ／ｄｔより船首方位θOUT を演算する。船首方位
検出器１４−２はジャイロコンパス、磁気コンパス等を
含むものであってよい。斯かる船首方位θOUT は加算器
１１にフィードバックされる。加算器１１の出力である
偏差ＥＲＲがゼロになるように安定な閉ループが構成さ
れる。このとき船首方位θOUT は自動操舵系の出力信号
として出力される。
【０００６】図６を参照して従来の自動操舵装置即ちオ
ートパイロット１２の構成と動作を説明する。オートパ
イロット１２は線形要素１２−１と非線形要素１２−２
を有し、偏差ＥＲＲを入力し命令舵角δC を出力する。
線形要素１２−１は、比例＋積分＋微分（ＰＩＤ）制御
の機能、及びフィルタの機能を有する。非線形要素１２
−２は天候調整機構を有する。
ートパイロット１２の構成と動作を説明する。オートパ
イロット１２は線形要素１２−１と非線形要素１２−２
を有し、偏差ＥＲＲを入力し命令舵角δC を出力する。
線形要素１２−１は、比例＋積分＋微分（ＰＩＤ）制御
の機能、及びフィルタの機能を有する。非線形要素１２
−２は天候調整機構を有する。
【０００７】比例（Ｐ）動作及び微分（Ｄ）動作は通常
の自動操舵系の周波数帯にて自動操舵中に船体の安定を
保持するように機能し、積分（Ｉ）動作は外乱ｄが船体
１４−１に作用したとき船体１４−１に生じる船首方位
θOUT の偏差ＥＲＲを定常的にゼロにするように機能
し、通常の運行で使用する低周波数域で作動する。フィ
ルタ機能は高周波域の外乱ｄを除去するように作動す
る。
の自動操舵系の周波数帯にて自動操舵中に船体の安定を
保持するように機能し、積分（Ｉ）動作は外乱ｄが船体
１４−１に作用したとき船体１４−１に生じる船首方位
θOUT の偏差ＥＲＲを定常的にゼロにするように機能
し、通常の運行で使用する低周波数域で作動する。フィ
ルタ機能は高周波域の外乱ｄを除去するように作動す
る。
【０００８】天候調整機構は、外乱ｄに起因して操舵機
１６に不要な操作量が生ずることを軽減させるように作
動する。こうして、偏差信号ＥＲＲはオートパイロット
１２の線形要素１２−１と非線形要素１２−２の各動作
によって処理され、命令舵角δC が生成される。
１６に不要な操作量が生ずることを軽減させるように作
動する。こうして、偏差信号ＥＲＲはオートパイロット
１２の線形要素１２−１と非線形要素１２−２の各動作
によって処理され、命令舵角δC が生成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来のオートパイロッ
ト１２は、線形要素１２−１と非線形要素１２−２を有
し、斯かる要素の各々は独立的にその機能及び目的を達
成するように構成されている。自動操舵系の安定性は主
として線形要素１２−１の比例動作（Ｐ）と微分動作
（Ｄ）によって確保される。
ト１２は、線形要素１２−１と非線形要素１２−２を有
し、斯かる要素の各々は独立的にその機能及び目的を達
成するように構成されている。自動操舵系の安定性は主
として線形要素１２−１の比例動作（Ｐ）と微分動作
（Ｄ）によって確保される。
【００１０】しかしながら、非線形要素１２−２である
天候調整機構は例えば、自励発振と呼ばれる持続的な船
首の揺動（ヨーイング）を生じさせ、それによって自動
操舵系の安定性を損うことがあると指摘されている。特
に針路が不安定な船舶の場合、通常の自動操舵系の調節
範囲でも、斯かる天候調整機構による自励発振は不可避
であるとの報告もある。
天候調整機構は例えば、自励発振と呼ばれる持続的な船
首の揺動（ヨーイング）を生じさせ、それによって自動
操舵系の安定性を損うことがあると指摘されている。特
に針路が不安定な船舶の場合、通常の自動操舵系の調節
範囲でも、斯かる天候調整機構による自励発振は不可避
であるとの報告もある。
【００１１】天候調節機構は、位相遅れを伴わない非線
形要素（バックラッシュ、二重舵角比等）を含み、偏差
ＥＲＲに含まれる外乱ｄの振幅に基づいて、バックラッ
シュ幅、ゲイン切り換え幅等を制御している。これは、
天候調節機構は外乱ｄの周波数特性を考慮することが困
難であることを意味する。その結果、上述のように、外
乱ｄに起因して操舵機１６に生ずる不要な操作量を軽減
させるという天候調整機構の機能が期待できないことと
なる。
形要素（バックラッシュ、二重舵角比等）を含み、偏差
ＥＲＲに含まれる外乱ｄの振幅に基づいて、バックラッ
シュ幅、ゲイン切り換え幅等を制御している。これは、
天候調節機構は外乱ｄの周波数特性を考慮することが困
難であることを意味する。その結果、上述のように、外
乱ｄに起因して操舵機１６に生ずる不要な操作量を軽減
させるという天候調整機構の機能が期待できないことと
なる。
【００１２】本発明は斯かる点に鑑み、オートパイロッ
ト１２の非線形要素１２−２に起因する自動操舵系の不
安定性を除去することを目的とする。
ト１２の非線形要素１２−２に起因する自動操舵系の不
安定性を除去することを目的とする。
【００１３】本発明は斯かる点に鑑み、オートパイロッ
ト１２を線形要素１２−１のみで構成し自動操舵系の安
定性を確保することを目的とする。
ト１２を線形要素１２−１のみで構成し自動操舵系の安
定性を確保することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によると、例えば
図１に示すように、設定針路に対する船首方位の偏差を
指示する信号を入力して命令舵角を出力する自動操舵装
置を閉ループによって制御するように構成された船舶用
自動操舵装置において、制御すべき対象としての一般化
制御対象１００と上記自動操舵装置１２とを組み合わせ
てＨ∞制御問題に帰着させたことを特徴とする。
図１に示すように、設定針路に対する船首方位の偏差を
指示する信号を入力して命令舵角を出力する自動操舵装
置を閉ループによって制御するように構成された船舶用
自動操舵装置において、制御すべき対象としての一般化
制御対象１００と上記自動操舵装置１２とを組み合わせ
てＨ∞制御問題に帰着させたことを特徴とする。
【００１５】本発明によると、例えば図２に示すよう
に、船舶用自動操舵装置において、上記一般化制御対象
１００は、上記自動操舵装置に対して外乱に起因する不
必要な操作を与えないような周波数特性を有する第１の
重み関数１７と、低周波数域の外乱に起因する定常誤差
を上記偏差に残留させないような周波数特性を有する第
２の重み関数１８と、制御対象１４と、を一体化させて
構成したものであることを特徴とする。
に、船舶用自動操舵装置において、上記一般化制御対象
１００は、上記自動操舵装置に対して外乱に起因する不
必要な操作を与えないような周波数特性を有する第１の
重み関数１７と、低周波数域の外乱に起因する定常誤差
を上記偏差に残留させないような周波数特性を有する第
２の重み関数１８と、制御対象１４と、を一体化させて
構成したものであることを特徴とする。
【００１６】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記一般化制御対象１００は更に、上記自動操舵
装置１２の出力信号である命令舵角より上記外乱の角度
換算値を減算して舵角を求める加算器１３を有すること
を特徴とする。
いて、上記一般化制御対象１００は更に、上記自動操舵
装置１２の出力信号である命令舵角より上記外乱の角度
換算値を減算して舵角を求める加算器１３を有すること
を特徴とする。
【００１７】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記制御対象１４は船体及び船首方位検出器を一
体化して構成したものであることを特徴とする。
いて、上記制御対象１４は船体及び船首方位検出器を一
体化して構成したものであることを特徴とする。
【００１８】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記外乱から上記自動操舵装置の出力信号までの
伝達関数が上記第１の重み関数の逆数以下であることを
特徴とする。
いて、上記外乱から上記自動操舵装置の出力信号までの
伝達関数が上記第１の重み関数の逆数以下であることを
特徴とする。
【００１９】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記外乱から上記自動操舵装置の入力信号までの
伝達関数が上記第２の重み関数の逆数以下であることを
特徴とする。
いて、上記外乱から上記自動操舵装置の入力信号までの
伝達関数が上記第２の重み関数の逆数以下であることを
特徴とする。
【００２０】
【作用】本発明によると、自動操舵系をＨ∞制御として
扱い、斯かる自動操舵系の課題をＨ∞制御問題に帰着さ
せることによって解決する。
扱い、斯かる自動操舵系の課題をＨ∞制御問題に帰着さ
せることによって解決する。
【００２１】自動操舵系を自動操舵装置即ちオートパイ
ロット１２と一般化制御対象１００の２つの要素より構
成し、一般化制御対象１００を制御対象１４と２つの重
み関数１７、１８とより構成する。制御対象１４は船体
１４−１と船首方位検出器１４−２を一体化してもので
ある。
ロット１２と一般化制御対象１００の２つの要素より構
成し、一般化制御対象１００を制御対象１４と２つの重
み関数１７、１８とより構成する。制御対象１４は船体
１４−１と船首方位検出器１４−２を一体化してもので
ある。
【００２２】第１の重み関数１７は、外乱ｄに起因して
操舵機１６に不要な操作量が生ずることを回避するよう
な周波数特性を有し、第２の重み関数１８は、低周波域
の外乱ｄに対して偏差ＥＲＲに定常誤差が残らないよう
な周波数特性を有する。
操舵機１６に不要な操作量が生ずることを回避するよう
な周波数特性を有し、第２の重み関数１８は、低周波域
の外乱ｄに対して偏差ＥＲＲに定常誤差が残らないよう
な周波数特性を有する。
【００２３】外乱ｄに対する命令舵角δC の評価量
ＺT 、ＺQ と偏差ＥＲＲの各々の周波数特性を定量化す
ることによってＨ∞制御問題に帰着される。
ＺT 、ＺQ と偏差ＥＲＲの各々の周波数特性を定量化す
ることによってＨ∞制御問題に帰着される。
【００２４】本発明よると、自動操舵装置即ちオートパ
イロット１２は低域から高域にいたる周波数をもつ外乱
ｄに対して自動操舵系の安定性を保証し、且つ操舵機１
６に不要な操作量が生ずることを排除するような周波数
特性を有する。
イロット１２は低域から高域にいたる周波数をもつ外乱
ｄに対して自動操舵系の安定性を保証し、且つ操舵機１
６に不要な操作量が生ずることを排除するような周波数
特性を有する。
【００２５】
【実施例】以下に図１〜図４を参照して本発明の実施例
について説明する。尚図１〜図２において図５〜図６の
対応する部分には同一の参照符号を付してその詳細な説
明は省略する。
について説明する。尚図１〜図２において図５〜図６の
対応する部分には同一の参照符号を付してその詳細な説
明は省略する。
【００２６】図１は本発明による船舶用自動操舵装置の
制御系即ち自動操舵系のブロック図を示す。斯かる自動
操舵系は第１の加算器１１と自動操舵装置即ちオートパ
イロット１２と第２の加算器１３と制御対象１４と第３
の加算器１５とを含む。制御対象１４は図５に示した船
体１４−１と船首方位検出器１４−２を一体化したもの
である。尚、操舵機１６を省略したのは、操舵機１６の
応答はこの自動操舵系の応答に比べて１桁程度速いので
その動特性を無視することができるからである。
制御系即ち自動操舵系のブロック図を示す。斯かる自動
操舵系は第１の加算器１１と自動操舵装置即ちオートパ
イロット１２と第２の加算器１３と制御対象１４と第３
の加算器１５とを含む。制御対象１４は図５に示した船
体１４−１と船首方位検出器１４−２を一体化したもの
である。尚、操舵機１６を省略したのは、操舵機１６の
応答はこの自動操舵系の応答に比べて１桁程度速いので
その動特性を無視することができるからである。
【００２７】自動操舵系に入力信号として設定針路θIN
が入力される。第１の加算器１１は設定針路θINと船首
方位θOUT の偏差ＥＲＲを求める。自動操舵装置即ちオ
ートパイロット１２は斯かる偏差ＥＲＲを入力して命令
舵角δC を出力する。斯かる命令舵角δC は第２の加算
器１３に供給される。
が入力される。第１の加算器１１は設定針路θINと船首
方位θOUT の偏差ＥＲＲを求める。自動操舵装置即ちオ
ートパイロット１２は斯かる偏差ＥＲＲを入力して命令
舵角δC を出力する。斯かる命令舵角δC は第２の加算
器１３に供給される。
【００２８】第２の加算器１３は命令舵角δC より角度
換算の外乱ｄを減算し、その結果を制御対象１４に出力
する。第３の加算器１５は制御対象１４の出力信号φよ
り船首方位検出器１４−２の検出外乱ｄV を減算して、
船首方位θOUT を生成する。斯かる船首方位検出器１４
−２の検出外乱ｄV は図５のブロック図には示されず、
ここで新た追加されたものである。
換算の外乱ｄを減算し、その結果を制御対象１４に出力
する。第３の加算器１５は制御対象１４の出力信号φよ
り船首方位検出器１４−２の検出外乱ｄV を減算して、
船首方位θOUT を生成する。斯かる船首方位検出器１４
−２の検出外乱ｄV は図５のブロック図には示されず、
ここで新た追加されたものである。
【００２９】船首方位θOUT は第１の加算器１１にフィ
ードバックされる。加算器１１の出力である偏差ＥＲＲ
がゼロになるように安定な閉ループが構成される。この
とき船首方位θOUT は自動操舵系の出力信号として出力
される。
ードバックされる。加算器１１の出力である偏差ＥＲＲ
がゼロになるように安定な閉ループが構成される。この
とき船首方位θOUT は自動操舵系の出力信号として出力
される。
【００３０】図１において、外乱ｄから命令舵角δC ま
での伝達関数、即ち、第１の伝達関数Ｔ（ｓ）は、
での伝達関数、即ち、第１の伝達関数Ｔ（ｓ）は、
【００３１】
【数１】Ｔ（ｓ）＝Ｐ（ｓ）Ｋ（ｓ）／〔１＋Ｐ（ｓ）
Ｋ（ｓ）〕
Ｋ（ｓ）〕
【００３２】となる。また、外乱ｄから偏差ＥＲＲまで
の伝達関数、即ち、第２の伝達関数Ｑ（ｓ）は、
の伝達関数、即ち、第２の伝達関数Ｑ（ｓ）は、
【００３３】
【数２】 Ｑ（ｓ）＝Ｐ（ｓ）／〔１＋Ｐ（ｓ）Ｋ（ｓ）〕
【００３４】となる。Ｋ（ｓ）はオートパイロット１２
の伝達関数、Ｐ（ｓ）は制御対象１４の伝達関数、ｓは
ラプラス演算子である。
の伝達関数、Ｐ（ｓ）は制御対象１４の伝達関数、ｓは
ラプラス演算子である。
【００３５】次に第１及び第２の伝達関数Ｔ（ｓ）、Ｑ
（ｓ）の定量的な仕様を設定する。斯かる仕様は２つの
重み関数ＷT （ｓ）、ＷQ （ｓ）によって規定される。
第１の重み関数ＷT （ｓ）は操舵機１６に外乱ｄによる
不要な操作を与えないように所定の周波数特性を有し、
第２の重み関数ＷQ （ｓ）は低波数の外乱ｄに対して偏
差ＥＲＲに定常誤差が残らないように所定の周波数特性
を有する。
（ｓ）の定量的な仕様を設定する。斯かる仕様は２つの
重み関数ＷT （ｓ）、ＷQ （ｓ）によって規定される。
第１の重み関数ＷT （ｓ）は操舵機１６に外乱ｄによる
不要な操作を与えないように所定の周波数特性を有し、
第２の重み関数ＷQ （ｓ）は低波数の外乱ｄに対して偏
差ＥＲＲに定常誤差が残らないように所定の周波数特性
を有する。
【００３６】伝達関数Ｔ（ｓ）、Ｑ（ｓ）の定量的な仕
様を周波数表現のゲインによって表すと次のようにな
る。
様を周波数表現のゲインによって表すと次のようにな
る。
【００３７】
【数３】 ｜Ｔ（ｊω）｜＜１／｜ＷT （ｊω）｜，∀ω ｜Ｑ（ｊω）｜＜１／｜ＷQ （ｊω）｜，∀ω
【００３８】ここでωは周波数、ｊは虚数単位である。
【００３９】斯かる仕様を満たし且つオートパイロット
１２の安定性を保証する自動操舵系は所謂Ｈ∞制御問題
に帰着させることができる。尚、Ｈ∞制御問題の詳細
は、例えば、「ＳＩＣ夏期セミナー’９２ −新しい制
御理論に基づく自動操舵系設計法−」テキスト、（社）
計測自動制御学会、１９９２年、を参照されたい。
１２の安定性を保証する自動操舵系は所謂Ｈ∞制御問題
に帰着させることができる。尚、Ｈ∞制御問題の詳細
は、例えば、「ＳＩＣ夏期セミナー’９２ −新しい制
御理論に基づく自動操舵系設計法−」テキスト、（社）
計測自動制御学会、１９９２年、を参照されたい。
【００４０】図２を参照して本発明の例を詳細に説明す
る。図１に示した自動操舵系をＨ∞制御問題に帰着させ
るために、これを一般化制御対象１００とオートパイロ
ット１２からなる自動操舵系に置き換える。ここに一般
化制御対象１００は、図示のように、第１及び第２の重
み関数１７、１８と制御対象１４を一体化したものであ
る。尚、簡単化のため設定針路θIN＝０とする。
る。図１に示した自動操舵系をＨ∞制御問題に帰着させ
るために、これを一般化制御対象１００とオートパイロ
ット１２からなる自動操舵系に置き換える。ここに一般
化制御対象１００は、図示のように、第１及び第２の重
み関数１７、１８と制御対象１４を一体化したものであ
る。尚、簡単化のため設定針路θIN＝０とする。
【００４１】第１の重み関数１７は命令舵角δC を入力
して信号ＺT を出力し、第２の重み関数１８は制御対象
１４の出力信号φを入力して信号ＺQ を出力する。第１
の重み関数１７の出力信号ＺT は外乱ｄに対する命令舵
角δC の要求される仕様（数３の第１式）の評価量を表
し、第２の重み関数１８の出力信号ＺQ は外乱ｄV に対
する偏差ＥＲＲの要求される仕様（数３の第２式）の評
価量を表す。
して信号ＺT を出力し、第２の重み関数１８は制御対象
１４の出力信号φを入力して信号ＺQ を出力する。第１
の重み関数１７の出力信号ＺT は外乱ｄに対する命令舵
角δC の要求される仕様（数３の第１式）の評価量を表
し、第２の重み関数１８の出力信号ＺQ は外乱ｄV に対
する偏差ＥＲＲの要求される仕様（数３の第２式）の評
価量を表す。
【００４２】一般化制御対象１００は外乱ｄ、ｄV 及び
命令舵角δC を入力し、評価量ＺT、ＺQ 及び偏差ＥＲ
Ｒを出力する。制御対象１００の伝達関数をＧ（ｓ）と
すると、次のような関係が成立する。
命令舵角δC を入力し、評価量ＺT、ＺQ 及び偏差ＥＲ
Ｒを出力する。制御対象１００の伝達関数をＧ（ｓ）と
すると、次のような関係が成立する。
【００４３】
【数４】
【００４４】但し、ラプラス演算子ｓは特記しない限り
省略する。この式にオートパイロット１２の関係式、即
ち、数１及び数２の式を代入すると次の式が得られる。
省略する。この式にオートパイロット１２の関係式、即
ち、数１及び数２の式を代入すると次の式が得られる。
【００４５】
【数５】 ＺT ＝ＷT ・〔ＰＫ／（１＋ＰＫ）〕・ｄ＝ＷT Ｔｄ ＺQ ＝ＷQ ・〔Ｐ／（１＋ＰＫ）〕・ｄ＝ＷQ Ｑｄ
【００４６】こうして、数３の式の仕様が定式化され
た。これによって自動操舵系の安定性を保証することが
可能なオートパイロット１２が得られる。
た。これによって自動操舵系の安定性を保証することが
可能なオートパイロット１２が得られる。
【００４７】次に本例の自動操舵系の動作を説明する。
先ず第２の伝達関数Ｑ（ｓ）と第２の重み関数Ｗ
Q （ｓ）の関係について考える。第２の伝達関数Ｑ
（ｓ）は、直流成分を含む外乱ｄが作用しても偏差ＥＲ
Ｒに定常的な誤差が生じないような周波数特性を有する
ことが必要である。制御対象１４の伝達関数Ｐ（ｓ）を
次のように表す。
先ず第２の伝達関数Ｑ（ｓ）と第２の重み関数Ｗ
Q （ｓ）の関係について考える。第２の伝達関数Ｑ
（ｓ）は、直流成分を含む外乱ｄが作用しても偏差ＥＲ
Ｒに定常的な誤差が生じないような周波数特性を有する
ことが必要である。制御対象１４の伝達関数Ｐ（ｓ）を
次のように表す。
【００４８】
【数６】Ｐ（ｓ）＝ＫS ／ｓ（ｓＴS ＋１）
【００４９】ＫS は旋回ゲイン、ＴS は時定数であり、
両者は船体１４−１の操縦性指数である。ｓはラプラス
演算子である。分母の因数にｓが含まれるのは、船首方
位検出器１４−２の積分特性による。この数６の式を数
２の式に代入すると次の式を得る。
両者は船体１４−１の操縦性指数である。ｓはラプラス
演算子である。分母の因数にｓが含まれるのは、船首方
位検出器１４−２の積分特性による。この数６の式を数
２の式に代入すると次の式を得る。
【００５０】
【数７】 Ｑ（ｓ）＝ＫS ／〔ｓ（ｓＴS ＋１）＋ＫS Ｋ（ｓ）〕
【００５１】外乱ｄに起因した偏差ＥＲＲの定常的な誤
差をゼロにするためには、オートパイロット１２の伝達
関数Ｋ（ｓ）は積分要素を含むものでなければならな
い。従って、第２の重み関数ＷQ （ｓ）を、例えば、次
のように選択すればよい。
差をゼロにするためには、オートパイロット１２の伝達
関数Ｋ（ｓ）は積分要素を含むものでなければならな
い。従って、第２の重み関数ＷQ （ｓ）を、例えば、次
のように選択すればよい。
【００５２】
【数８】 ＷQ （ｓ）＝（ｓ＋１／ＴQ ）ａQ ／（ｓ＋ε）
【００５３】ここにＴQ は時定数、ａQ は定数、εは十
分小さい定数、ｓはラプラス演算子である。
分小さい定数、ｓはラプラス演算子である。
【００５４】図３に第２の伝達関数Ｑ（ｓ）のボード線
図を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数ω（ｒａｄ／
ｓ）である。第２の伝達関数Ｑ（ｓ）は第２の重み関数
ＷQ （ｓ）によって周波数整形され、数３の式に示す仕
様に適合していることがわかる。尚、図示のように、第
２の伝達関数Ｑ（ｓ）は低周波数域（ω＜１／ＴQ ）に
て微分特性を有する。従って、数７の式よりオートパイ
ロット１２は積分要素を有することとなる。
図を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数ω（ｒａｄ／
ｓ）である。第２の伝達関数Ｑ（ｓ）は第２の重み関数
ＷQ （ｓ）によって周波数整形され、数３の式に示す仕
様に適合していることがわかる。尚、図示のように、第
２の伝達関数Ｑ（ｓ）は低周波数域（ω＜１／ＴQ ）に
て微分特性を有する。従って、数７の式よりオートパイ
ロット１２は積分要素を有することとなる。
【００５５】次に第１の伝達関数Ｔ（ｓ）と第１の重み
関数ＷT （ｓ）の関係について考える。第２の伝達関数
Ｑ（ｓ）は、外乱ｄから命令舵角δC までの伝達関数で
あるが、設定針路θINから船首方位θOUT までの伝達関
数である。
関数ＷT （ｓ）の関係について考える。第２の伝達関数
Ｑ（ｓ）は、外乱ｄから命令舵角δC までの伝達関数で
あるが、設定針路θINから船首方位θOUT までの伝達関
数である。
【００５６】従って、第１の重み関数ＷT （ｓ）は、自
動操舵系に必要な周波数域の確保と操舵機１６に外乱ｄ
に起因した不要な操作を与えないような周波数特性を有
するものでなければならない。第１の重み関数Ｗ
T （ｓ）は、例えば、次のように選択される。
動操舵系に必要な周波数域の確保と操舵機１６に外乱ｄ
に起因した不要な操作を与えないような周波数特性を有
するものでなければならない。第１の重み関数Ｗ
T （ｓ）は、例えば、次のように選択される。
【００５７】
【数９】 ＷT （ｓ）＝（ｓ＋１／Ｔ1 ）ａT ／（ｓ＋１／Ｔ2 ）
【００５８】ここにＴ1 、Ｔ2 は時定数（Ｔ1 ＞
Ｔ2 ）、ａT は定数、ｓはラプラス演算子である。
Ｔ2 ）、ａT は定数、ｓはラプラス演算子である。
【００５９】図４に第１の伝達関数Ｔ（ｓ）のボード線
図を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数ω（ｒａｄ／
ｓ）である。図示のように、第１の伝達関数Ｔ（ｓ）は
第１の重み関数ＷT （ｓ）によって周波数整形され、数
３の式に示す仕様に適合していることがわかる。尚、図
４において、ＴR は操舵機１６の等価１次遅れ要素の時
定数である。第１の伝達関数Ｔ（ｓ）は操舵機１６の応
答周波数より低い周波数領域において、第１の重み関数
ＷT （ｓ）によって制限されていることがわかる。
図を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数ω（ｒａｄ／
ｓ）である。図示のように、第１の伝達関数Ｔ（ｓ）は
第１の重み関数ＷT （ｓ）によって周波数整形され、数
３の式に示す仕様に適合していることがわかる。尚、図
４において、ＴR は操舵機１６の等価１次遅れ要素の時
定数である。第１の伝達関数Ｔ（ｓ）は操舵機１６の応
答周波数より低い周波数領域において、第１の重み関数
ＷT （ｓ）によって制限されていることがわかる。
【００６０】尚、図３及び図４において、時定数は次の
ような関係にある。
ような関係にある。
【００６１】
【数１０】ＴQ ＞Ｔ1 ＞ＴR ＞Ｔ2
【００６２】次に、第１及び第２の伝達関数Ｔ（ｓ）、
Ｑ（ｓ）を満たすオートパイロット１２の伝達関数Ｋ
（ｓ）を導出する。制御対象１４の伝達関数Ｐ（ｓ）、
第１及び第２の重み関数ＷT （ｓ）、ＷQ （ｓ）をそれ
ぞれ状態空間表現すると次のようになる。
Ｑ（ｓ）を満たすオートパイロット１２の伝達関数Ｋ
（ｓ）を導出する。制御対象１４の伝達関数Ｐ（ｓ）、
第１及び第２の重み関数ＷT （ｓ）、ＷQ （ｓ）をそれ
ぞれ状態空間表現すると次のようになる。
【００６３】
【数１１】ｘQ ' ＝ＡQ ｘQ ＋ＢQ ｕQ ｙQ ＝ＣQ ｘQ ＋ＤQ ｕQ ｘT ' ＝ＡT ｘT ＋ＢT ｕT ｙT ＝ＣT ｘT ＋ＤT ｕT ｘP ' ＝ＡP ｘP ＋ＢP ｕP ｙP ＝ＣP ｘP ＋ＤP ｕP
【００６４】ここで、ｘ、ｕ、ｙは時間関数であり、そ
れぞれ、状態ベクトル、入力ベクトル、出力ベクトルを
表す。符号’は微分記号である。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、そ
れぞれ、状態の行列、入力の行列、出力の行列及び入力
から出力への直達項の行列を表す。添字Ｔ、Ｑ、Ｐは、
それぞれ、重み関数ＷT （ｓ）、ＷQ （ｓ）、制御対象
１４の伝達関数Ｐ（ｓ）に属することを意味する。各行
列の要素は次のように表される。
れぞれ、状態ベクトル、入力ベクトル、出力ベクトルを
表す。符号’は微分記号である。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、そ
れぞれ、状態の行列、入力の行列、出力の行列及び入力
から出力への直達項の行列を表す。添字Ｔ、Ｑ、Ｐは、
それぞれ、重み関数ＷT （ｓ）、ＷQ （ｓ）、制御対象
１４の伝達関数Ｐ（ｓ）に属することを意味する。各行
列の要素は次のように表される。
【００６５】
【数１２】
【００６６】数１１の式及び数１２の式を用いて、数４
の式に示した制御対象１００の伝達関数Ｇ（ｓ）を状態
空間表現すると次のようになる。
の式に示した制御対象１００の伝達関数Ｇ（ｓ）を状態
空間表現すると次のようになる。
【００６７】
【数１３】ｘ '＝Ａｘ＋Ｂ1 ｗ＋Ｂ2 ｕ ｚ＝Ｃ1 ｘ＋Ｄ11ｗ＋Ｄ12ｕ ｙ＝Ｃ2 ｘ＋Ｄ21ｗ＋Ｄ22ｕ
【００６８】ここで、ｘ、ｗ、ｕ、ｚ及びｙは時間関数
であり、それぞれ、状態ベクトル、外乱入力ベクトル、
制御入力ベクトル、評価出力ベクトル及び観測出力ベク
トルである。これらのベクトルは次のように表される。
であり、それぞれ、状態ベクトル、外乱入力ベクトル、
制御入力ベクトル、評価出力ベクトル及び観測出力ベク
トルである。これらのベクトルは次のように表される。
【００６９】
【数１４】ｘ≡〔ｘT ，ｘQ ，ｘP 〕T ｗ≡〔ｄ，ｄV 〕T ｕ≡δC ｚ≡〔ｚT ，ｚQ 〕T ｙ≡ＥＲＲ
【００７０】また行列Ａ、Ｂ1 、Ｂ2 、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｄ
11、Ｄ12、Ｄ21、Ｄ22は次のように表される。
11、Ｄ12、Ｄ21、Ｄ22は次のように表される。
【００７１】
【数１５】
【００７２】右肩の添字Ｔは転置行列を示す。このと
き、上述の仕様を満たすオートパイロット１２の伝達関
数Ｋ（ｓ）は、例えば次にように表される。
き、上述の仕様を満たすオートパイロット１２の伝達関
数Ｋ（ｓ）は、例えば次にように表される。
【００７３】
【数１６】Ｋ（ｓ）＝ＣK （ｓＩ−ＡK ）-1ＢK
【００７４】この式で右肩の添字（−１）は逆行列を示
し、ＡK 、ＢK 、ＣK は次のように表される。
し、ＡK 、ＢK 、ＣK は次のように表される。
【００７５】
【数１７】ＡK ＝（Ａ−Ｂ1 Ｄ21 T Ｃ2 ）＋Ｙ（Ｃ1 T
Ｃ 1／γ2 −Ｃ2 T Ｃ2 ）＋（Ｂ2 ＋ＹＣ1 T Ｄ12／γ
2 ）ＣK ＢK ＝Ｂ1 Ｄ21 T ＋ＹＣ2 T ＣK ＝−（Ｄ12 T Ｃ1 ＋Ｂ2 T Ｘ）（Ｉ−ＹＸ／γ2 ）
-1
Ｃ 1／γ2 −Ｃ2 T Ｃ2 ）＋（Ｂ2 ＋ＹＣ1 T Ｄ12／γ
2 ）ＣK ＢK ＝Ｂ1 Ｄ21 T ＋ＹＣ2 T ＣK ＝−（Ｄ12 T Ｃ1 ＋Ｂ2 T Ｘ）（Ｉ−ＹＸ／γ2 ）
-1
【００７６】ここでＸ、Ｙは次のリカッチ式の準正定解
である。
である。
【００７７】
【数１８】（Ａ−Ｂ2 Ｄ12 T Ｃ1 ）T Ｘ＋Ｘ（Ａ−Ｂ2
Ｄ12 T Ｃ1 ）＋Ｘ（Ｂ1 Ｂ1 T ／γ2 −Ｂ2 Ｂ2 T ）Ｘ
＋Ｃ1 T （Ｉ−Ｄ12Ｄ12 T ）ＣK ＝０ （Ａ−Ｂ1 Ｄ21 T Ｃ2 ）Ｙ＋Ｙ（Ａ−Ｂ1 Ｄ21 T Ｃ2 ）
T＋Ｙ（Ｃ1 T Ｃ1 ／γ2 −Ｃ2 T Ｃ2 ）Ｙ＋Ｂ1 （Ｉ
−Ｄ21 T Ｄ21）Ｂ1 T ＝０
Ｄ12 T Ｃ1 ）＋Ｘ（Ｂ1 Ｂ1 T ／γ2 −Ｂ2 Ｂ2 T ）Ｘ
＋Ｃ1 T （Ｉ−Ｄ12Ｄ12 T ）ＣK ＝０ （Ａ−Ｂ1 Ｄ21 T Ｃ2 ）Ｙ＋Ｙ（Ａ−Ｂ1 Ｄ21 T Ｃ2 ）
T＋Ｙ（Ｃ1 T Ｃ1 ／γ2 −Ｃ2 T Ｃ2 ）Ｙ＋Ｂ1 （Ｉ
−Ｄ21 T Ｄ21）Ｂ1 T ＝０
【００７８】Ｉは適当な単位行列、γは次の固有値条件
を満たす正の定数である。
を満たす正の定数である。
【００７９】
【数１９】λMAX （ＸＹ）＜γ2
【００８０】以上より、本発明によると、オートパイロ
ット１２は従来の自動操舵装置の問題点を定量化した仕
様に変換され、その仕様と制御対象１４を含む一般化制
御対象１００にＨ∞制御を適用する。それによって、外
乱ｄに対する自動操舵系の安定性が保証され、且つ外乱
ｄの周波数特性に起因して操舵機１６に不要な操作が生
ずることを除去することができる。
ット１２は従来の自動操舵装置の問題点を定量化した仕
様に変換され、その仕様と制御対象１４を含む一般化制
御対象１００にＨ∞制御を適用する。それによって、外
乱ｄに対する自動操舵系の安定性が保証され、且つ外乱
ｄの周波数特性に起因して操舵機１６に不要な操作が生
ずることを除去することができる。
【００８１】
【発明の効果】本発明によると、オートパイロット１２
において、従来例の如き非線形要素１２−２、即ち、天
候調整機構が不要となるため、それに伴う調整作業をす
る必要ない利点がある。
において、従来例の如き非線形要素１２−２、即ち、天
候調整機構が不要となるため、それに伴う調整作業をす
る必要ない利点がある。
【００８２】本発明によると、オートパイロット１２は
Ｈ∞制御に適用して設定されるから、自動操舵系の閉ル
ープ系の安定性を「陽」に意識することなく、所与の又
は所望の仕様を重み関数として取り込み、それによって
周波数整形することができる利点がある。
Ｈ∞制御に適用して設定されるから、自動操舵系の閉ル
ープ系の安定性を「陽」に意識することなく、所与の又
は所望の仕様を重み関数として取り込み、それによって
周波数整形することができる利点がある。
【００８３】本発明によると、オートパイロット１２は
非線形要素１２−２を含まないから、従来のオートパイ
ロット１２に比べて実装費用及び調整費用が低減化され
る利点がある。
非線形要素１２−２を含まないから、従来のオートパイ
ロット１２に比べて実装費用及び調整費用が低減化され
る利点がある。
【図１】本発明による自動操舵系を示すブロック図であ
る。
る。
【図２】本発明による自動操舵系をＨ∞制御に適用した
場合のブロック図である。
場合のブロック図である。
【図３】本発明による第２の重み関数のボード線図であ
る。
る。
【図４】本発明による第１の重み関数のボード線図であ
る。
る。
【図５】従来の自動操舵系を示すブロック図である。
【図６】従来の自動操舵装置（オートパイロット）の構
成を示す図である。
成を示す図である。
１１ 加算器 １２ 自動操舵装置（オートパイロット） １３ 加算器 １４ 制御対象 １４−１ 船体 １４−２ 船首方位検出器 １５ 加算器 １６ 操舵機 １７、１８ 重み関数
Claims (6)
- 【請求項１】 設定針路に対する船首方位の偏差を指示
する信号を入力して命令舵角を出力する自動操舵装置を
閉ループによって制御するように構成された船舶用自動
操舵装置において、 制御すべき対象としての一般化制御対象と上記自動操舵
装置とを組み合わせてＨ∞制御問題に帰着させたことを
特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の船舶用自動操舵装置にお
いて、 上記一般化制御対象は、上記自動操舵装置に対して外乱
に起因する不必要な操作を与えないような周波数特性を
有する第１の重み関数と、低周波数域の外乱に起因する
定常誤差を上記偏差に残留させないような周波数特性を
有する第２の重み関数と、制御対象と、を一体化させて
構成したものであることを特徴とする船舶用自動操舵装
置。 - 【請求項３】 請求項２記載の船舶用自動操舵装置にお
いて、 上記一般化制御対象は更に、上記自動操舵装置の出力信
号である命令舵角より上記外乱の角度換算値を減算して
舵角を求める加算器を有することを特徴とする船舶用自
動操舵装置。 - 【請求項４】 請求項２又は３記載の船舶用自動操舵装
置において、上記外乱から上記自動操舵装置の出力信号
までの伝達関数が上記第１の重み関数の逆数以下である
ことを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 【請求項５】 請求項２、３又は４記載の船舶用自動操
舵装置において、上記外乱から上記自動操舵装置の入力
信号までの伝達関数が上記第２の重み関数の逆数以下で
あることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 【請求項６】 請求項２、３、４又は５記載の船舶用自
動操舵装置において、 上記制御対象は船体及び船首方位検出器を一体化して構
成したものであることを特徴とする船舶用自動操舵装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6172424A JPH0834396A (ja) | 1994-07-25 | 1994-07-25 | 船舶用自動操舵装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6172424A JPH0834396A (ja) | 1994-07-25 | 1994-07-25 | 船舶用自動操舵装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0834396A true JPH0834396A (ja) | 1996-02-06 |
Family
ID=15941720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6172424A Pending JPH0834396A (ja) | 1994-07-25 | 1994-07-25 | 船舶用自動操舵装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0834396A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101313162B1 (ko) * | 2011-10-28 | 2013-09-30 | 삼성중공업 주식회사 | 전자기식 조타장치 |
| KR20170030897A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 조타 장치 및 이를 이용한 조타 장치 보호 방법 |
| KR20170030899A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 조타 장치의 부하 감응형 구동부 제어 방법 |
| KR20170030895A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 구동부 이동 방식의 조타 장치 |
| KR20170030898A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 조타 장치의 잠김된 구동기 확인 방법 및 이를 이용한 조타기 운항 방법과 구동기 잠김 해소 방법 |
| KR102145940B1 (ko) | 2019-04-11 | 2020-08-19 | 훌루테크 주식회사 | 전기 기계식 조타 장치 |
-
1994
- 1994-07-25 JP JP6172424A patent/JPH0834396A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101313162B1 (ko) * | 2011-10-28 | 2013-09-30 | 삼성중공업 주식회사 | 전자기식 조타장치 |
| KR20170030897A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 조타 장치 및 이를 이용한 조타 장치 보호 방법 |
| KR20170030899A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 조타 장치의 부하 감응형 구동부 제어 방법 |
| KR20170030895A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 구동부 이동 방식의 조타 장치 |
| KR20170030898A (ko) | 2015-09-10 | 2017-03-20 | 훌루테크 주식회사 | 조타 장치의 잠김된 구동기 확인 방법 및 이를 이용한 조타기 운항 방법과 구동기 잠김 해소 방법 |
| KR102145940B1 (ko) | 2019-04-11 | 2020-08-19 | 훌루테크 주식회사 | 전기 기계식 조타 장치 |
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