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JP2018034590A - Ship automatic steering system - Google Patents

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JP2018034590A
JP2018034590A JP2016168126A JP2016168126A JP2018034590A JP 2018034590 A JP2018034590 A JP 2018034590A JP 2016168126 A JP2016168126 A JP 2016168126A JP 2016168126 A JP2016168126 A JP 2016168126A JP 2018034590 A JP2018034590 A JP 2018034590A
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冬希 羽根
啓延 植竹
Hironobu Uetake
啓延 植竹
祐騎 齋藤
Yuki Saito
祐騎 齋藤
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Abstract

【課題】旋回力ゲインが小さい船体に対応する。【解決手段】参照方位と船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、フィードバック制御器は、参照方位と船首方位との偏差と命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、推定偏差に対して所定の第1仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKPを乗じるとともに、推定角速度に対して比例ゲインKPの値に依存する微分ゲインKDを乗じて命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備える。【選択図】図6[Problem] Corresponding to a hull with a small turning force gain. [Solution] The system includes a feedback controller that outputs a commanded rudder angle based on a reference heading and a heading to the controlled object, and the feedback controller includes an estimator that outputs an estimated deviation and an estimated angular velocity as estimated values based on the deviation between the reference heading and the heading and the commanded rudder angle, and a state feedback controller that multiplies the estimated deviation by a proportional gain KP set to a predetermined first specification gain value, and multiplies the estimated angular velocity by a differential gain KD that depends on the value of the proportional gain KP, and outputs the commanded rudder angle. [Selected Figure] Figure 6

Description

本発明は、推定器を有する船舶用自動操舵装置に関する。   The present invention relates to a marine vessel automatic steering apparatus having an estimator.

船舶用自動操舵装置は、一定の設定方位にジャイロセンサから検出される船首方位を追従させるために船舶の舵を制御する装置であり、保針と変針との機能をもち、その保針制御系は、PD制御を行う状態フィードバック制御器と、状態推定及び外乱除去を行う推定器とから構成されるフィードバック制御器により制御される。   A ship automatic steering device is a device that controls the rudder of a ship to follow the heading detected by a gyro sensor in a fixed setting direction, and has a function of holding and changing a needle, and its holding control system Is controlled by a feedback controller including a state feedback controller that performs PD control and an estimator that performs state estimation and disturbance removal.

船舶用自動操舵装置による制御対象としての船体モデルは、載荷の変化によるノミナル値のパラメータ不確かさをもち、そのため、ノミナル値のモデルベースで構成される推定器はパラメータ不確かさによって推定値に誤差を生じる。この誤差によって、推定値の状態フィードバックによる閉ループ安定性が劣化し、船体を蛇行航行させるヨーイングが引き起こされるおそれがある。   The hull model that is controlled by the automatic steering system for ships has a parameter uncertainty of the nominal value due to changes in loading.Therefore, an estimator configured with a model base of the nominal value introduces an error in the estimated value due to the parameter uncertainty. Arise. Due to this error, the closed-loop stability due to the state feedback of the estimated value may deteriorate, and yawing that causes the hull to meander may be caused.

このような推定値の誤差に対して、本発明者らは、特許文献1において、船体パラメータのノミナル値のパラメータ不確かさを積極的に考慮することによって、該パラメータ不確かさに起因する推定誤差を低減させる船舶用自動操舵装置及びその設計方法を提案している。ここでは、λe2を波浪モデルを省略した船体モデルの状態量を推定するための特性多項式とし、ζ,ωをそれぞれ状態量を推定するための減衰係数、固有周波数として、推定器の特性多項式を With respect to such an error in the estimated value, in the Patent Document 1, the present inventors actively consider the parameter uncertainty of the nominal value of the hull parameter, thereby reducing the estimation error due to the parameter uncertainty. A ship automatic steering device to be reduced and a design method thereof are proposed. Here, λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model from which the wave model is omitted, and ζ e and ω e are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity, respectively, and the characteristics of the estimator Polynomial

Figure 2018034590

とし、ω=ρωを操舵系周波数ωのρ倍(ρ>1で推定係数と呼ぶ)に設定し、ζを1/√2に設定するように推定器を設計している。これによって、パラメータ不確かさによる推定角速度の推定誤差が低減される。
Figure 2018034590

The estimator is designed so that ω e = ρω f is set to ρ times the steering system frequency ω f (where ρ> 1 is referred to as an estimation coefficient), and ζ e is set to 1 / √2. Thereby, the estimation error of the estimated angular velocity due to the parameter uncertainty is reduced.

更に、この特許文献1では、船体モデルと波浪モデル及び舵角オフセットモデルの2つの外乱モデルとからなる制御対象に対して、推定誤差が船体モデルのみのときの推定誤差と等価となるように、推定器の固有周波数を外乱モデル特性から修正することが提案される。これによれば、推定器の制御対象が等価的に船体モデルのみとなり、外乱モデルを無視することができる。   Furthermore, in this patent document 1, the estimation error is equivalent to the estimation error when only the hull model is used for the control target composed of the hull model, the wave model, and the rudder angle offset model. It is proposed to modify the natural frequency of the estimator from the disturbance model characteristics. According to this, the control object of the estimator is equivalent only to the hull model, and the disturbance model can be ignored.

また、本発明者らは、特許文献2において、推定係数ρ=ω/ωを、操舵ループの代表根に着目し、代表根の減衰係数とパラメータ不確かさとの関係から制御ゲインを設計している。ここでは、推定器がない閉ループ系と推定器がある閉ループ系とに基づいてパラメータ不確かさの影響を見積もることにより、推定器の固有周波数と操舵系の固有周波数とを関係付ける推定係数ρを設定している。 In addition, in the patent document 2, the present inventors pay attention to the estimation coefficient ρ = ω e / ω f as the representative root of the steering loop, and design the control gain from the relationship between the attenuation coefficient of the representative root and the parameter uncertainty. ing. Here, the estimation coefficient ρ that relates the natural frequency of the estimator and the natural frequency of the steering system is set by estimating the effect of parameter uncertainty based on the closed-loop system without an estimator and the closed-loop system with an estimator. doing.

また、本発明者らは、特許文献3において、2つの外乱モデルを含んだ推定器を含む閉ループの特性多項式に基づき、この特性多項式に船体パラメータのパラメータ不確かさΔを加味したときの特性多項式D Δから、パラメータ不確かさΔが第1仕様値(Δspec)のときに、D Δ(s)の特性根から得られる減衰係数のうち最小の減衰係数ζをζ とし、このζ が第2仕様値(ζspec)の値を満足する推定係数ρを求め、推定器の船体モデルの固有周波数ωを設定することにより、閉ループ安定性を増加させた船舶用自動操舵装置を提案している。 In addition, in the patent document 3, the present inventors based on a closed-loop characteristic polynomial including an estimator including two disturbance models, a characteristic polynomial D obtained by adding a parameter uncertainty Δ of a hull parameter to this characteristic polynomial. From c Δ , when the parameter uncertainty Δ is the first specification value (Δ spec ), the minimum attenuation coefficient ζ among the attenuation coefficients obtained from the characteristic root of D c Δ (s) is defined as ζ e *. An automatic steering apparatus for a ship with increased closed-loop stability by obtaining an estimation coefficient ρ that satisfies the value of the second specification value (ζ spec ) e * and setting the natural frequency ω e of the hull model of the estimator Has proposed.

更に、この特許文献3では、パラメータ不確かさΔを、船体パラメータの旋回力ゲインと時定数との比の不確かさ(Δ)とすることによって、閉ループ安定性に及ぼす影響の高いパラメータ不確かさに起因する推定根を考慮して従来よりも信頼性を向上させることが提案されている。 Furthermore, in this patent document 3, the parameter uncertainty Δ is defined as the uncertainty (Δ b ) of the ratio between the turning force gain of the hull parameter and the time constant. It has been proposed to improve reliability more than the conventional method in consideration of the estimated root.

また、水流を噴射するノズルによって推進力を得るウォータージェット推進船として、ノズルが左右に対で設けられるものがあり、これらのノズルを傾けることによって変針を行う。ウォータージェット推進船の変針において、ノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもち、この不感帯を修正するために、一対のノズルの動作位置を不感帯に対応した修正角であるノズルオフセット分だけ、ハの字形状となるように外方に傾け、これによって不感帯を等価的に相殺する技術が知られている。   Some water jet propulsion ships that obtain propulsive force with nozzles that inject water flow are provided with a pair of nozzles on the left and right, and changing the needle by tilting these nozzles. When changing the course of a water jet propulsion ship, the nozzle has a dead band within a predetermined angle that is tilted to the left and right from the straight direction in which the ship goes straight. A technique is known that tilts outward by a certain nozzle offset so as to form a square shape, thereby equivalently canceling the dead zone.

特許第4603832号公報Japanese Patent No. 4,603,832 特許第4820621号公報Japanese Patent No. 4820621 特許第5682009号公報Japanese Patent No. 5682009

上述した船舶用自動操舵装置による制御システムは、小型船から大型船までの様々な船体を対象としているが、この制御システムを上述のウォータージェット推進船に適用した場合、このウォータージェット推進船の旋回力ゲインが半減するために、推定係数を求める過程で不具合を生じてしまうことが確認された。つまり、上述の船舶用自動操舵装置によれば、ウォータージェット推進船に限らず、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができない、という問題がある。   The above-described control system using an automatic steering system for ships is intended for various hulls from small ships to large ships. When this control system is applied to the above-described water jet propulsion ship, turning of the water jet propulsion ship is performed. Since the force gain is halved, it has been confirmed that a problem occurs in the process of obtaining the estimation coefficient. That is, according to the above-described marine vessel automatic steering apparatus, there is a problem that it is not limited to a water jet propulsion vessel and cannot cope with a hull having a small turning force gain.

本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、旋回力ゲインが小さい船体に対応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目的とする。   Embodiments of the present invention have been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a marine vessel automatic steering apparatus that can deal with a hull having a small turning force gain.

上述した課題を解決するため、本実施形態の船舶用自動操舵装置は、参照方位に船首方位を追従させるように船体と操舵機とを含む制御対象を制御する船舶用自動操舵装置であって、前記参照方位と前記船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、前記フィードバック制御器は、前記参照方位と前記船首方位との偏差と前記命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、前記推定偏差に対して所定の第1仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKを乗じるとともに、前記推定角速度に対して前記比例ゲインKの値に依存する微分ゲインKを乗じて前記命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備え、前記推定器と前記状態フィードバック制御器から構成される閉ループの特性多項式は、添字が方位制御、添字が推定器、修飾がノミナル値をそれぞれ表すとともに、sをラプラス演算子、D(s)を特性多項式、ζを減衰係数、ωを固有角周波数、ζeh=ζ,ω=ρωeh、ρを2次推定係数、Kを旋回力ゲイン、Tを船体時定数、Tr3を舵感度時定数、Δ,Δ’,dをそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量として、 In order to solve the above-described problems, the marine vessel automatic steering apparatus according to the present embodiment is a marine vessel automatic steering apparatus that controls a control target including a hull and a steering machine so that the bow direction follows the reference direction. A feedback controller that outputs a command rudder angle based on the reference azimuth and the bow azimuth to the control target; the feedback controller based on a deviation between the reference azimuth and the bow azimuth and the command rudder angle An estimator that outputs an estimated deviation and an estimated angular velocity as estimated values; and the proportional gain K P set to a predetermined first specification gain value is multiplied to the estimated deviation, and the proportional gain is multiplied to the estimated angular velocity. multiplied by the derivative gain K D that depends on the value of K P and a state feedback controller for outputting the command steering angle, configuration from the state feedback controller and the estimator Closed loop characteristic polynomial is the subscript h azimuth control, subscript e is the estimator, with modifications - represent respectively the nominal value, Laplace operator and s, D (s) the characteristic polynomial, the ζ damping coefficient, omega Is the natural angular frequency, ζ eh = ζ h , ω e = ρ 2 ω eh , ρ 2 is the secondary estimation coefficient, K r is the turning force gain, T r is the hull time constant, T r3 is the rudder sensitivity time constant, Δ Let b , Δ b ′, and d b be scalar quantities of parameter uncertainty,

Figure 2018034590

で表され、
前記状態フィードバック制御器は、前記微分ゲインKの値が負値である場合、前記第1仕様ゲイン値より大きく設定された第2仕様ゲイン値を前記比例ゲインKに設定し、前記推定器は、前記第2仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKと所定値に設定されたパラメータ不確かさΔ’とに基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記推定係数ρを算出することを特徴とする。
Figure 2018034590

Represented by
The state feedback controller, the case where the value of the derivative gain K D of a negative value, setting the second specification gain value that is larger than said first specification gain value to the proportional gain K P, the estimator Calculating the estimated coefficient ρ 2 by the closed-loop characteristic polynomial based on the proportional gain K P set to the second specification gain value and the parameter uncertainty Δ b ′ set to a predetermined value. Features.

本発明の実施形態によれば、旋回力ゲインが小さい船体に対応することができる。   According to the embodiment of the present invention, it is possible to deal with a hull having a small turning force gain.

実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the system containing the automatic steering device for ships which concerns on embodiment. フィードバック制御器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a feedback controller. 2次推定器を示すブロック図である。It is a block diagram which shows a secondary estimator. GHh4 Δb(s)の漸近線を示す図である。It is a figure which shows the asymptotic line of GH h4 ( DELTA ) b (s). GHh4 Δb(s)の根軌跡を示す図である。It is a diagram showing a root locus of GH h4 Δb (s). 推定係数算出処理の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement of an estimation coefficient calculation process. ρ=4の代表根の根軌跡を示す図である。It is a figure which shows the root locus of the representative root of (rho) 2 = 4. シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows a simulation result.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1 船舶用自動操舵装置
1.1 全体構成
まず、本発明の船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図1は、実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。
1. Automatic Ship Steering Device 1.1 Overall Configuration First, a system including an automatic ship steering device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram showing a system including a marine vessel automatic steering apparatus according to an embodiment.

図1に示すように、本実施形態におけるシステムは、船舶用自動操舵装置1とその制御対象である船舶2とを含む。ここで船舶2は、操舵機21、船体22及び船体22の船首方位ψを検出するジャイロコンパス23を合わせたものである。船舶用自動操舵装置1は、設定方位ψに船首方位ψを追従させる命令舵角δを操舵機21へ出力するフィードバック制御器10を備える。 As shown in FIG. 1, the system in the present embodiment includes a marine vessel automatic steering apparatus 1 and a marine vessel 2 that is a control target thereof. Here, the ship 2 is a combination of a steering machine 21, a hull 22, and a gyrocompass 23 that detects the heading ψ of the hull 22. Automatic marine steering system 1, heading [psi to set the azimuth [psi R - comprises a feedback controller 10 for outputting a command steering angle [delta] C to follow the to the steering device 21.

1.2 フィードバック制御器
フィードバック制御器の構成について説明する。図2は、フィードバック制御器の構成を示すブロック図である。
1.2 Feedback Controller The configuration of the feedback controller will be described. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the feedback controller.

図2に示すように、フィードバック制御器10は、状態フィードバック制御器11と推定器12とを備える。推定器12は、設定方位ψと推定方位ψ^との偏差ψとフィードバック制御器10の出力である命令舵角δとに基づいて、推定偏差ψ^及び推定角速度r^を出力する。状態フィードバック制御器11は、推定偏差ψ^に比例ゲインKを乗算し、推定角速度r^に微分ゲインKを乗算し、これらを加算して命令舵角δを出力する。 As shown in FIG. 2, the feedback controller 10 includes a state feedback controller 11 and an estimator 12. The estimator 12 outputs the estimated deviation ψ e ^ and the estimated angular velocity r ^ based on the deviation ψ e between the set direction ψ R and the estimated direction ψ ^ and the command steering angle δ C that is the output of the feedback controller 10. To do. The state feedback controller 11 multiplies the estimated deviation ψ e ^ by a proportional gain K p , multiplies the estimated angular velocity r ^ by a differential gain K d , adds them, and outputs a command steering angle δ C.

2 制御対象
ここで、制御対象について説明する。制御対象は船体モデルと外乱モデルから構成されるが本実施形態においては外乱モデルについては省略する。船体モデルは、野本の応答モデルを改良した本発明者による応答モデルを用いて、
2 Control Object Here, the control object will be described. The object to be controlled is composed of a hull model and a disturbance model, but the disturbance model is omitted in this embodiment. The hull model uses the response model by the present inventor who improved Nomoto's response model.

Figure 2018034590

に定める。ここでsはラプラス演算子、Δ(s)、δは命令舵角を示し、Kは旋回力ゲイン、Tは船体時定数、Tr3は舵感度時定数を示す。この船体モデルは野本の船体モデルと比較して、Tr3を有するという特徴をもつ。
Figure 2018034590

Stipulated in Here, s is a Laplace operator, Δ c (s), δ c is a command rudder angle, K r is a turning force gain, T r is a hull time constant, and T r3 is a rudder sensitivity time constant. This hull model is characterized by having Tr3 as compared with Nomoto's hull model.

3 設計
船体運動特性は操縦性指数、または船体運動パラメータ(船体パラメータ)に基づく。船体パラメータは、K,T,Tr3とし、これらの値は図示しない公知の同定器より得られる。ここで、簡単化のため、T≫Tr3,Tr3≒0とする。小型船、特に後述する不感帯修正したウォータージェット推進船の場合、K,Tの両者が共に小さくなり、方位制御ループの微分ゲインは小さくなり、その値が負になる場合がある。負の微分ゲイン自体は問題にならないが、微分ゲインが負になることによって推定係数を算出する際に問題が生じる。
3 Design Hull motion characteristics are based on maneuverability index or hull motion parameters (hull parameters). The hull parameters are K r , T r , T r3, and these values are obtained from a known identifier (not shown). Here, for simplicity, and T r »T r3, T r3 ≒ 0. In the case of a small ship, particularly a water jet propulsion ship with a dead zone corrected, which will be described later, both K r and T r are both small, the differential gain of the azimuth control loop is small, and the value may be negative. Although the negative differential gain itself is not a problem, a problem arises when the estimation coefficient is calculated due to the negative differential gain.

推定ゲインk(k,k)は、図3に示すように推定器12において用いられ、特許文献3に開示されるように、パラメータ不確かさの影響を調整する値で、後述する特性多項式から算出する。微分ゲインが正のとき、特性多項式の係数はすべて正になる。一方、微分ゲインが負のとき、その係数の一部が負になり、特性多項式の性質が変化する。そのため、この性質の変化に対応する必要がある。 The estimated gain k (k 1 , k 2 ) is used in the estimator 12 as shown in FIG. 3 and is a value that adjusts the influence of parameter uncertainty as disclosed in Patent Document 3, and is a characteristic polynomial described later. Calculate from When the differential gain is positive, all the coefficients of the characteristic polynomial are positive. On the other hand, when the differential gain is negative, some of the coefficients become negative, and the characteristics of the characteristic polynomial change. Therefore, it is necessary to cope with this change in properties.

3.1 微分ゲインの特性
微分ゲインはTr3=0とすれば
3.1 Characteristics of differential gain If the differential gain is T r3 = 0

Figure 2018034590

になる。ここでKは比例ゲイン、Kは微分ゲイン、ζは減衰係数、ωは固有角周波数、添字は方位制御を示し、設計パラメータは、K≧1,ζ=1/√2になる。
Figure 2018034590

become. Here K P is a proportional gain, K D is the differential gain, zeta h is an attenuation coefficient, omega h the natural angular frequency, subscript h indicates the orientation control, the design parameters, K P ≧ 1, ζ h = 1 / √ 2

微分ゲインは上式より、設計パラメータに関してはζ,√Kに比例するという傾向をもち、船体パラメータに関しては√(K/T),1/Kに比例するという傾向をもつ。よって、微分ゲインは比例ゲインを大きくすると大きくなる。次に、微分ゲインの符号が特性多項式に与える影響を説明する。 From the above equation, the differential gain has a tendency to be proportional to ζ h and √K P with respect to the design parameter, and has a tendency to be proportional to √ (K r / T r ) and 1 / K r with respect to the hull parameter. Therefore, the differential gain increases as the proportional gain increases. Next, the influence of the sign of the differential gain on the characteristic polynomial will be described.

3.2 特性多項式の特性
方位制御ループは外乱成分を含めると7次系になるが、簡単化のため制御対象から外乱成分を除くと4次になる。4次の方位制御ループは、特許文献3に開示されるように、閉ループ制御系の基本的特性を把握でき、2次系の船体運動モデルとその推定器からなる。この閉ループの特性多項式は、
3.2 Characteristics of characteristic polynomial The azimuth control loop becomes a seventh-order system when disturbance components are included, but becomes fourth-order when the disturbance components are excluded from the control target for simplification. As disclosed in Patent Document 3, the fourth-order azimuth control loop can grasp the basic characteristics of the closed-loop control system and includes a second-order hull motion model and its estimator. This closed-loop characteristic polynomial is

Figure 2018034590

で与えられる。ここでsはラプラス演算子、D(s)は特性多項式、添字は推定器を意味し、
Figure 2018034590

Given in. Where s is a Laplace operator, D (s) is a characteristic polynomial, subscript e is an estimator,

Figure 2018034590

ここで修飾は船体22の旋回の度に同定器により同定され更新されるノミナル値を示し、ζeh=ζ,ω=ρωehであり、ρは2次推定係数を示す。Δ,Δ’,dはそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量を示し、Tr3=0の場合はf=K,f=K,CT3=1。なお、不確かさパラメータを船体パラメータの旋回力ゲインと時定数との比のパラメータ不確かさ(Δ)とする点については、特許文献3を参照されたい。
Figure 2018034590

Here modified ~ represents the nominal value to be identified updated by the identifier every time the turning of the hull 22, ζ eh = ζ h, a ω e = ρ 2 ω eh, ρ 2 represents the secondary estimation coefficient . Δ b, Δ b ', d b each represent a scalar parameter uncertainty, f 1 = K P For T r3 = 0, f 2 = K D, C T3 = 1. Refer to Patent Document 3 for the point that the uncertainty parameter is the parameter uncertainty (Δ b ) of the ratio between the hull parameter turning force gain and the time constant.

(2)式のb,bの係数を調べる。推定ゲインk,kは推定係数が下記条件を満たすとすれば、 (2) The coefficients of b 1 and b 0 in the equation are examined. If the estimated gains k 1 and k 2 satisfy the following conditions,

Figure 2018034590

になる。これよりb<0になり、bの符号はfに依存する。すなわち
Figure 2018034590

become. As a result, b 0 <0, and the sign of b 1 depends on f 2 . Ie

Figure 2018034590

になる。上式よりf≦‐f(k/k)<0になるから、bの符号変化をf=0の基準によって判定すればよい。さらにその基準は推定係数を含んだk,kを用いないので、簡単に実現できる。よって、特性多項式は
Figure 2018034590

become. Since f 2 ≦ −f 1 (k 1 / k 2 ) <0 from the above equation, the sign change of b 1 may be determined based on the criterion of f 2 = 0. Furthermore, since the reference does not use k 1 and k 2 including the estimation coefficient, it can be easily realized. Therefore, the characteristic polynomial is

Figure 2018034590

と置き換えることができる。上式でΔが一定ならば、f≦0の特性多項式はf>0のそれに比べて係数が負になっているため、不安定根を生じやすい。
Figure 2018034590

Can be replaced. If the above equation with delta b is constant, the characteristic polynomial of f 2 ≦ 0 Since coefficients than that of f 2> 0 is in the negative, prone to instability roots.

上式の根軌跡は図4に示すように漸近線が変化し、またゼロ点の符号も同様に変化する。すなわち   As shown in FIG. 4, the asymptotic line of the root locus in the above equation changes, and the sign of the zero point also changes. Ie

Figure 2018034590

になる。ここでzはゼロ点を示す。よって、(2)式の根軌跡の一例は図5に示すように、不安定根の特性が異なることを確認できる。
Figure 2018034590

become. Here, z indicates a zero point. Therefore, as shown in FIG. 5, an example of the root locus of equation (2) can confirm that the characteristics of unstable roots are different.

3.3 パラメータ不確かさの仕様
パラメータ不確かさの仕様を
3.3 Parameter uncertainty specifications Parameter uncertainty specifications

Figure 2018034590

とする。なお、f=μ−1T3,μ>0,CT3>0の関係より、fをKに置き換えても良い。上式からパラメータ不確かさのマージンが半分となるが、船舶用自動操舵装置1は制御対象とする対象船が限定されるので、パラメータ変動は小さいとするためである。
Figure 2018034590

And Incidentally, f 1 = μ -1 C T3 K D, μ> 0, the relationship of C T3> 0, may be replaced by f 2 to K D. This is because the margin of parameter uncertainty is halved from the above equation, but the ship automatic steering apparatus 1 is limited in the target ship to be controlled, so that the parameter fluctuation is small.

4 推定係数算出処理
次に、推定係数算出処理について説明する。図6は、推定係数算出処理の動作を示すフローチャートである。この推定係数算出処理は、船舶の航行中、推定器において適切な2次推定係数ρを算出するために、フィードバック制御器において船体パラメータが更新される毎に実行される処理である。
4. Estimation Coefficient Calculation Processing Next, the estimation coefficient calculation processing will be described. FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the estimation coefficient calculation process. This estimation coefficient calculation process is a process executed every time the hull parameter is updated in the feedback controller in order to calculate an appropriate secondary estimation coefficient ρ 2 in the estimator during navigation of the ship.

図6に示すように、まず、状態フィードバック制御器11は、予め設定された第1仕様ゲイン値を比例ゲインKにセットし(S101)、(1)式により微分ゲインKを算出し(S102)、微分ゲインKの値が正であるか否かを判定する(S103)。 6, first, the state feedback controller 11 sets the first specification gain value set in advance in the proportional gain K P (S101), calculates the differential gain K D by (1) ( S102), determines whether the value of the derivative gain K D of a positive (S103).

微分ゲインKの値が正である場合(S103,YES)、推定器12は、パラメータ不確かさΔ’に予め設定された第1仕様値をセットし(S104)、(2)式の特性多項式により2次推定係数ρを算出する(S105)。 If the value of the derivative gain K D of a positive (S103, YES), the estimator 12 sets the first specification value which is previously set in the parameter uncertainty Δ b '(S104), ( 2) expression of the characteristic A secondary estimation coefficient ρ 2 is calculated by a polynomial (S105).

一方、微分ゲインKの値が負である場合(S103,NO)、第1仕様ゲイン値より大きな値に設定された第2仕様ゲイン値を比例ゲインKにセットし(S106)、この比例ゲインKに基づいて(1)式により微分ゲインKを算出し(S107)、微分ゲインKの値が正であるか否かを判定する(S108)。 On the other hand, when the value of the derivative gain K D of a negative (S103, NO), the second specification gain value set to a value greater than the first specification gain value set in the proportional gain K P (S106), the proportional gain K based on the P (1) equation by calculating the derivative gain K D (S107), it determines whether the value of the derivative gain K D of a positive (S108).

微分ゲインKの値が正である場合(S108,YES)、推定器12は、パラメータ不確かさΔ’に第1仕様値をセットし(S109)、(2)式の特性多項式により2次推定係数ρを算出する(S105)。 If the value of the derivative gain K D of a positive (S108, YES), the estimator 12 sets the first specification value to the parameter uncertainty delta b '(S109), 2-order by the characteristic polynomial of the expression (2) It calculates an estimated coefficient ρ 2 (S105).

一方、微分ゲインKの値が負である場合(S103,NO)、第1設計値より小さな値に設定された第2設計値をパラメータ不確かさΔ’にセットし(S110)、(2)式の特性多項式により2次推定係数ρを算出する(S105)。 On the other hand, when the value of the derivative gain K D of a negative (S103, NO), sets the second design value set to a value smaller than the first design value to the parameter uncertainty Δ b '(S110), ( 2 ) the characteristic polynomial of equation to calculate the second order estimation coefficient [rho 2 (S105).

なお、2次推定係数ρの算出は、(2)式の特性多項式の特性根から得られる減衰係数のうち最小の減衰係数ζが仕様ζΔを満足するように、この2次推定係数ρにより推定器12の船体モデルの固有周波数ωが設定される。なお、推定係数ρの算出方法の詳細については、特許文献3を参照されたい。 The calculation of the secondary estimation coefficient ρ 2 is performed so that the minimum attenuation coefficient ζ e among the attenuation coefficients obtained from the characteristic root of the characteristic polynomial of equation (2) satisfies the specification ζ Δ. The natural frequency ω e of the hull model of the estimator 12 is set by ρ 2 . For details of the calculation method of the estimation coefficient ρ, see Patent Document 3.

5 検証
制御対象に不感帯修正が適用されたウォータージェット推進船として数値検証をする。ウォータ―ジェット推進船は一対のノズルを含むウォータージェット推進機を有し、これらのノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもつ。この不感帯を修正するため、一対のノズルの動作位置を、不感帯に対応した修正角であるノズルオフセット分だけ、ハの字形状となるように外方に傾けられ、これによって不感帯が等価的に相殺されるようになっている。ウォータージェット推進船の船体パラメータを

Figure 2018034590

とする。ここでTr3は初期値。 5 Verification Perform numerical verification as a water jet propulsion ship with dead zone correction applied to the controlled object. The water-jet propulsion ship has a water jet propulsion machine including a pair of nozzles, and these nozzles have a dead zone within a predetermined angle that is inclined to the left and right from a straight traveling direction in which the ship moves straight. In order to correct this dead band, the operating position of the pair of nozzles is tilted outward by a nozzle offset, which is a correction angle corresponding to the dead band, so that the dead band is equivalently offset. It has come to be. Hull parameters of water jet propulsion ship
Figure 2018034590

And Here, Tr3 is an initial value.

本船の微分ゲインを以下の表1に示す。微分ゲインは同表より不感帯修正時は負になる。ただし、T他は不感帯修正の前後で不変とする。 The differential gain of the ship is shown in Table 1 below. The differential gain is negative when the dead zone is corrected from the table. However, Tr and others remain unchanged before and after the dead zone correction.

Figure 2018034590
Figure 2018034590

(7)式、K=1.5,K=−4.9を用いて、推定係数ρに関してb,b,z及び代表根のω,ζを計算した結果を図7に示す。図7より、ρ≧4でb>0,z>0になり、ζ,ωは不確かさパラメータdに対して、それぞれほぼ反比例、比例し、ρ≧4でほぼ一定値になる。この際、仕様d=2を満足できない。図8はρ=4の代表根の根軌跡を示す。図8(b)は、0≦Δ≦2K/Tで、Δ=2K/Tまたはd=2のときζ≒0.2になり、図7(d)の結果とほぼ一致する。よって、本船のノミナル値を FIG. 7 shows the results of calculating b 1 , b 0 , z and the representative roots ω and ζ with respect to the estimation coefficient ρ 2 using the equation (7), K P = 1.5, K D = −4.9. Show. 7 that becomes b 1> 0, z> 0 in [rho 2 ≧ 4, zeta, against ω is uncertainty parameter d b, inverse proportion, respectively, in proportion, approximately constant value [rho 2 ≧ 4 . At this time, the specification d b = 2 cannot be satisfied. FIG. 8 shows the root locus of the representative root of ρ 2 = 4. FIG. 8B shows the result of FIG. 7D when 0 ≦ Δ b ≦ 2K r / T r and Δ b = 2K r / T r or d b = 2 and ζ≈0.2. Almost matches. Therefore, the nominal value of the ship

Figure 2018034590

に見積もると、本船の2次推定係数をρ≒4にすれば、ζ≒0.4になり仕様を満足することができる。
Figure 2018034590

In this case, if the secondary estimation coefficient of the ship is set to ρ 2 ≈4, ζ is about 0.4 and the specification can be satisfied.

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 船舶用自動操舵装置
10 フィードバック制御器
11 状態フィードバック制御器
12 推定器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Marine automatic steering apparatus 10 Feedback controller 11 State feedback controller 12 Estimator

Claims (3)

参照方位に船首方位を追従させるように船体と操舵機とを含む制御対象を制御する船舶用自動操舵装置であって、
前記参照方位と前記船首方位とに基づく命令舵角を前記制御対象へ出力するフィードバック制御器を備え、
前記フィードバック制御器は、前記参照方位と前記船首方位との偏差と前記命令舵角とに基づく推定値として推定偏差と推定角速度とを出力する推定器と、前記推定偏差に対して所定の第1仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKを乗じるとともに、前記推定角速度に対して前記比例ゲインKの値に依存する微分ゲインKを乗じて前記命令舵角を出力する状態フィードバック制御器とを備え、
前記推定器と前記状態フィードバック制御器から構成される閉ループの特性多項式は、添字が方位制御、添字が推定器、修飾がノミナル値をそれぞれ表すとともに、sをラプラス演算子、D(s)を特性多項式、ζを減衰係数、ωを固有角周波数、ζeh=ζ,ω=ρωeh、ρを2次推定係数、Kを旋回力ゲイン、Tを船体時定数、Tr3を舵感度時定数、Δ,Δ’,dをそれぞれパラメータ不確かさのスカラー量として、
Figure 2018034590

で表され、
前記状態フィードバック制御器は、前記微分ゲインKの値が負値である場合、前記第1仕様ゲイン値より大きく設定された第2仕様ゲイン値を前記比例ゲインKに設定し、
前記推定器は、前記第2仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKと所定値に設定されたパラメータ不確かさΔ’とに基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記2次推定係数ρを算出することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
An automatic marine steering apparatus for controlling a control target including a hull and a steering machine so that a bow direction follows a reference direction,
A feedback controller that outputs a command steering angle based on the reference direction and the heading direction to the control target;
The feedback controller includes an estimator that outputs an estimated deviation and an estimated angular velocity as an estimated value based on a deviation between the reference azimuth and the bow azimuth and the command rudder angle, and a predetermined first for the estimated deviation. with multiplying the set proportional gain K P to specifications gain value, and a state feedback controller for outputting the command steering angle is multiplied by a derivative gain K D that depends on the value of the proportional gain K P to the estimated angular velocity With
A closed-loop characteristic polynomial composed of the estimator and the state feedback controller has a subscript h for azimuth control, a subscript e for an estimator, and a modifier ~ for a nominal value, s for a Laplace operator, and D (s ) Is the characteristic polynomial, ζ is the damping coefficient, ω is the natural angular frequency, ζ eh = ζ h , ω e = ρ 2 ω eh , ρ 2 is the secondary estimation coefficient, K r is the turning force gain, and Tr is the hull time constant, T r3 steering sensitivity time constant, delta b, delta b ', a d b a scalar quantity parameter uncertainty respectively,
Figure 2018034590

Represented by
The state feedback controller, the case where the value of the derivative gain K D of a negative value, setting the second specification gain value that is larger than said first specification gain value to the proportional gain K P,
Based on the proportional gain K P set to the second specification gain value and the parameter uncertainty Δ b ′ set to a predetermined value, the estimator uses the closed-loop characteristic polynomial to calculate the second-order estimation coefficient ρ 2. An automatic steering device for a ship, characterized in that
前記パラメータ不確かさΔ’は、所定の第1仕様値に設定されており、
前記推定器は、前記微分ゲインKの値が負値である場合、前記第1仕様値より小さく設定された第2仕様値を前記パラメータ不確かさΔ’に設定し、該パラメータ不確かさΔ’に基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記2次推定係数ρを算出することを特徴とする請求項1に記載の船舶用自動操舵装置。
The parameter uncertainty Δ b ′ is set to a predetermined first specification value,
The estimator, when the value of the derivative gain K D of a negative value, setting the second specification value set smaller than the first specified value to the parameter uncertainty delta b ', the parameter uncertainty delta 2. The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 1, wherein the second-order estimation coefficient ρ 2 is calculated from the closed loop characteristic polynomial based on b ′.
前記推定器は、前記第2仕様ゲイン値に設定された比例ゲインKに基づいて算出された微分ゲインKの値が負値である場合、前記第2仕様値を前記パラメータ不確かさΔ’に設定し、該パラメータ不確かさΔ’に基づいて、前記閉ループの特性多項式により前記2次推定係数ρを算出することを特徴とする請求項2に記載の船舶用自動操舵装置。 When the value of the differential gain K D calculated based on the proportional gain K P set to the second specification gain value is a negative value, the estimator determines the second specification value as the parameter uncertainty Δ b. 3. The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 2, wherein the second-order estimation coefficient ρ 2 is calculated using the closed-loop characteristic polynomial, based on the parameter uncertainty Δ b ′.
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