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JP7653840B2 - Water volume control device, control system, water volume control method, and program - Google Patents
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Water volume control device, control system, water volume control method, and program Download PDF

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Description

本開示は、水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラムに関する。 This disclosure relates to a water volume control device, a control system, a water volume control method, and a program.

例えば、特許文献1には、複数の円筒形の耐圧容器にモジュール化された水中航走体が示されている。幾つかのモジュールには、耐圧容器内にバラストタンクと呼ばれる水を貯留するタンクが備えられている。例えば、複数のタンクの水量を移水や注排水によって調整することにより、水中航走体の上下方向の浮量を制御して水中航走体の深度を変えることができ、例えば、水中航走体の密度と水の密度とを等しくして、水中航走体が浮きも沈みもしない中性浮力状態にすることもできる。また、水中航走体の船首と船尾のタンクの水量のバランスを変えることにより水中航走体のトリムを制御することもできる。 For example, Patent Document 1 shows an underwater vehicle modularized into multiple cylindrical pressure-resistant containers. Some modules are equipped with tanks for storing water, called ballast tanks, inside the pressure-resistant containers. For example, by adjusting the amount of water in the multiple tanks by transferring water or filling and draining it, the vertical buoyancy of the underwater vehicle can be controlled to change the depth of the underwater vehicle. For example, the density of the underwater vehicle can be made equal to the density of the water, putting the underwater vehicle into a neutral buoyancy state where it neither floats nor sinks. The trim of the underwater vehicle can also be controlled by changing the balance of the amount of water in the tanks at the bow and stern of the underwater vehicle.

特許第5166819号公報Patent No. 5166819

しかしながら、特許文献1に記載の水中航走体では、浮量やトリムの制御を行うために複数のタンクに対する移水と注排水の調整をどのようにして行うのかについては具体的に開示されていない。また、有人の水中航走体では、人が水中航走体の深度や姿勢などの状態を踏まえて、複数のタンクに対する移水や注排水の操作を行っている。そのため、浮量やトリムの制御を行う際に、人による操作を介さずに、複数のタンクに対する移水や注排水を何らかの自動制御手段によって行うというコンセプトが今までに存在していない。 However, the underwater vehicle described in Patent Document 1 does not specifically disclose how to adjust the transfer of water and the filling and draining of water into and from multiple tanks in order to control buoyancy and trim. Furthermore, in manned underwater vehicles, humans transfer water into and fill and drain water into and from multiple tanks, taking into account the depth, attitude, and other conditions of the underwater vehicle. Therefore, there has been no concept to date of transferring water into and filling and draining water into and from multiple tanks using some kind of automatic control means without human intervention when controlling buoyancy and trim.

水中航走体に備えられる複数のタンクへの移水や注排出の手順の組み合わせの数は、膨大な数になる。そのため、複数のタンクへの移水や注排出の制御は、冗長な多入力系の制御対象に対する制御とみなすことができる。人による操作の場合、例えば、複数のタンクの水量を最適な量にするための調整量の算定、舵やスラスタなどを制御する既存の制御系との協調、ポンプやバルブなどのアクチュエータにおける流量や応答時間の性能などに起因する能力制約によって生じる応答遅れを考慮した待機時間の設定、及びタンクの水量の調整に要する調整時間の最短化などを考慮して行うことから多くの入力操作が行われることになる。これらの多くの入力操作を自動制御手段によって実現するためには、人が多くの入力操作を行う際に考慮していることの各々を課題として設定し、設定した課題を解決する自動制御手段を設計するような設計指針が必要になるが、このような設計指針が確立していないという問題がある。 The number of combinations of procedures for transferring water to and filling and discharging water from the multiple tanks provided in the underwater vehicle is enormous. Therefore, the control of transferring water to and filling and discharging water from the multiple tanks can be considered as the control of the control object of a redundant multi-input system. In the case of human operation, many input operations are performed, for example, calculation of the adjustment amount to optimize the amount of water in the multiple tanks, coordination with the existing control system that controls the rudder and thrusters, setting of waiting time considering response delays caused by capacity constraints due to the performance of flow rate and response time of actuators such as pumps and valves, and minimizing the adjustment time required to adjust the amount of water in the tanks. In order to realize these many input operations by automatic control means, design guidelines are required to set each of the things that humans consider when performing many input operations as a problem and design automatic control means that solves the set problems, but there is a problem that such design guidelines have not been established.

本開示は、このような問題に鑑みてなされたものであって、アクチュエータの能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にする水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these problems, and aims to provide a water volume control system control device, control system, water volume control method, and program that optimizes the water volume in multiple tanks so that the control system of an underwater vehicle converges to a target value while taking into account the capacity constraints of the actuators and coordinating with existing control systems.

上記問題を解決するために、本開示の一態様によれば、水量制御系制御装置は、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体の前記タンクの各々の水量を増減させる制御を行う水量制御系制御装置であって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、前記フィードバック制御部が算出する前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、を備える。 In order to solve the above problem, according to one aspect of the present disclosure, a water volume control system control device includes a motion control device that controls the motion of an underwater vehicle, a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle, and a water volume control system control device that controls the amount of water in each of the tanks of the underwater vehicle, the water volume control system control device having a plurality of tanks and an actuator that adjusts the amount of water in each of the tanks, and includes a feedback control unit that receives as input a water volume control system target value and a feedback value, and calculates a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that compensates for response delays of the actuators and suppresses interference with the control bandwidth of the motion control system control device, and an adjustment amount calculation unit that receives as input the command value calculated by the feedback control unit, and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the amount of water in each of the tanks by an optimization method that is conditional on adjustment conditions related to the water volumes of the plurality of tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle.

本開示の一態様によれば、制御システムは、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、前記水中航走体に備えられる複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータと水量制御系制御装置と、を備える制御システムであって、前記水量制御系制御装置は、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、前記フィードバック制御部が算出する前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、を備える。 According to one aspect of the present disclosure, a control system includes a motion control device that controls the motion of an underwater vehicle, a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle, a plurality of tanks provided on the underwater vehicle, and an actuator and a water volume control system control device that adjust the water volume of each of the tanks. The water volume control system control device includes a feedback control unit that receives a water volume control system target value and a feedback value as inputs, and calculates a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that compensates for response delays of the actuators and suppresses interference with the control bandwidth of the motion control system control device, and an adjustment amount calculation unit that receives an input of the command value calculated by the feedback control unit, and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks by an optimization method that is based on adjustment conditions related to the water volumes of the plurality of tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle.

本開示の一態様によれば、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体における水量制御方法は、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、算出した前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する。 According to one aspect of the present disclosure, a water volume control method for an underwater vehicle having a motion control device that controls the motion of the underwater vehicle, a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle, multiple tanks, and an actuator that adjusts the water volume of each of the tanks, calculates a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that uses a water volume control system target value and a feedback value as input, compensates for response delays of the actuators, and suppresses interference with the control bandwidth of the motion control system control device, and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks by an optimization method that uses the calculated command value as input and has adjustment conditions related to the water volumes of the multiple tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle as conditions.

本開示の一態様によれば、プログラムは、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体が備えるコンピュータに、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、算出した前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、を実行させる。 According to one aspect of the present disclosure, the program causes a computer included in the underwater vehicle, which has a motion control device that controls the motion of the underwater vehicle, a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle, and a plurality of tanks and an actuator that adjusts the water volume of each of the tanks, to execute the following steps: inputting a water volume control system target value and a feedback value, and calculating a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that compensates for response delays of the actuators and suppresses interference with the control bandwidth of the motion control system control device; and inputting the calculated command value and calculating an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks by an optimization method that is subject to adjustment conditions related to the water volumes of the plurality of tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle.

本開示に係る水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラムによれば、アクチュエータの能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることが可能になる。 The water volume control system control device, control system, water volume control method, and program disclosed herein make it possible to optimize the water volume in multiple tanks so that the control system of an underwater vehicle converges to a target value while taking into account the capacity constraints of the actuators and coordinating with an existing control system.

第1の実施形態の制御システムの構成と水中航走体に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。2 is a block diagram showing the configuration of a control system according to the first embodiment and the relationship between forces and moments acting on the underwater vehicle. FIG. 第1の実施形態のタンクシステムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a tank system according to a first embodiment. FIG. 第1の実施形態の制御システムの制御系を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the control system according to the first embodiment. 第1の実施形態の調整量算出部に適用する最適解を算出する演算式を求める手順を示す図である。5 is a diagram illustrating a procedure for obtaining an arithmetic expression for calculating an optimal solution to be applied to an adjustment amount calculation unit of the first embodiment. FIG. 第2の実施形態の制御システムの構成と水中航走体に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a control system according to a second embodiment and the relationship between forces and moments acting on an underwater vehicle. 第2の実施形態において用いられる数式に含まれる物理パラメータ及び単位を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing physical parameters and units included in a mathematical expression used in the second embodiment. 第2の実施形態の運動制御系制御装置と舵制御装置による処理の流れを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a processing flow by a motion control system control device and a rudder control device of the second embodiment. 第2の実施形態の水量制御系制御装置とタンクシステムによる処理の流れを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a process flow by the water volume control device and the tank system of the second embodiment. 第2の実施形態の制御システムを用いたシミュレーション結果のグラフを示す図(その1)である。FIG. 11 is a graph showing a simulation result using the control system according to the second embodiment (part 1). 第2の実施形態の制御システムを用いたシミュレーション結果のグラフを示す図(その2)である。FIG. 13 is a graph showing a simulation result (part 2) using the control system according to the second embodiment. 第1及び第2の実施形態の制御システムのハードウェア構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a control system according to the first and second embodiments.

(第1の実施形態)
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。上記した多くの入力操作を行う際に人が考慮していることを自動制御手段として実現するための課題として改めて整理すると、(課題1)アクチュエータの能力制約によって生じる応答遅れを補償すること、(課題2)既存の制御系である運動制御系と協調するために、複数のタンクの水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるようにすること、(課題3)浮量やトリムの制御を行う際に指定される目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンクの各々に対する最適な水量の調整量を算定することの3つの課題を解決する必要がある。以下、第1の実施形態の制御システム100を参照しつつ、3つの課題を解決するための自動制御のシステムの設計指針について説明する。
First Embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. If we reorganize the issues that humans consider when performing the above-mentioned many input operations as issues for realizing the automatic control means, it is necessary to solve three issues: (issue 1) to compensate for response delays caused by the capacity constraints of the actuators, (issue 2) to suppress interference between the control band of the water volume control system that controls the water volume of multiple tanks and the control band of the motion control system in order to cooperate with the existing control system, which is the motion control system, and (issue 3) to calculate the optimal water volume adjustment amount for each of the multiple tanks so that the entire control system including the motion control system converges in parallel toward a target value specified when controlling the float or trim. Hereinafter, with reference to the control system 100 of the first embodiment, a design guideline for an automatic control system for solving the three issues will be described.

(第1の実施形態の制御システム)
図1は、第1の実施形態による制御システム100の構成の一例と、制御システム100による制御によって水中航走体6に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。ここで、水中航走体6とは、例えば、UUV(Unmanned Underwater Vehicle)などの無人で自律的に水中を航走する水中無人機である。制御システム100は、水量制御系制御装置1、タンクシステム2、運動制御系制御装置3、運動制御装置4、及び検出部5を備える。なお、図1は、制御系全体の関係を示すために、構造物としての水中航走体6を含めたブロック図としているが、実際には、制御システム100は、水中航走体6に備えられるシステムである。また、図1において実線は、電気的な接続を示し、破線は、水中航走体6に作用する力及びモーメントを示している。
(Control System of the First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a control system 100 according to a first embodiment, and the relationship between the forces and moments acting on an underwater vehicle 6 by the control of the control system 100. Here, the underwater vehicle 6 is, for example, an unmanned underwater vehicle such as a UUV (Unmanned Underwater Vehicle) that autonomously navigates underwater. The control system 100 includes a water volume control system control device 1, a tank system 2, a motion control system control device 3, a motion control device 4, and a detection unit 5. Note that FIG. 1 is a block diagram including the underwater vehicle 6 as a structure in order to show the relationship of the entire control system, but in reality, the control system 100 is a system provided in the underwater vehicle 6. In addition, in FIG. 1, solid lines indicate electrical connections, and dashed lines indicate forces and moments acting on the underwater vehicle 6.

タンクシステム2は、水量制御系制御装置1の制御対象であり、アクチュエータ21と、タンク22とを備える。図2は、タンクシステム2の詳細な構成を示すブロック図である。タンク22は、いわゆるバラストタンクであり、図2に示すように、例えば、5個のタンク22-1~22-5を含んでいる。タンク22-1は、例えば、水中航走体6の船首に配置されるタンクであり、タンク22-5は、例えば、水中航走体6の船尾に配置されるタンクである。タンク22-2~22-4は、タンク22-1,22-5の間の位置、例えば、水中航走体6の重心の周辺などに配置されるタンクである。 The tank system 2 is the object of control by the water volume control device 1, and includes an actuator 21 and a tank 22. FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the tank system 2. The tank 22 is a so-called ballast tank, and includes, for example, five tanks 22-1 to 22-5 as shown in FIG. 2. Tank 22-1 is, for example, a tank located at the bow of the underwater vehicle 6, and tank 22-5 is, for example, a tank located at the stern of the underwater vehicle 6. Tanks 22-2 to 22-4 are tanks located between tanks 22-1 and 22-5, for example, near the center of gravity of the underwater vehicle 6.

例えば、タンク22-1~22-5の各々に水が注水されることで、水中航走体6の浮力が減少するため、水中航走体6は沈下し、また、タンク22-1~22-5の各々から水が排出されることにより、水中航走体6に浮力が生じて、水中航走体6が浮上することになる。また、タンク22-1~22-5の間で、いずれかのタンク22-1~22-5に貯留されている水を、他のタンク22-1~22-5に移動させる移水を行うことにより、タンク22-1~22-5の各々の水量を調整することもできる。 For example, when water is poured into each of the tanks 22-1 to 22-5, the buoyancy of the underwater vehicle 6 decreases, causing the underwater vehicle 6 to sink, and when water is discharged from each of the tanks 22-1 to 22-5, buoyancy is generated in the underwater vehicle 6, causing the underwater vehicle 6 to surface. In addition, the amount of water in each of the tanks 22-1 to 22-5 can be adjusted by transferring water stored in one of the tanks 22-1 to 22-5 to another tank 22-1 to 22-5.

このようにして、タンク22-1~22-5が貯留する水量を調節することにより、例えば、矢印51に示すように水中における水中航走体6の上下の移動方向を調整して、水面からの距離である深度を任意に変えることができる。また、水中航走体6の密度と水の密度とを等しくして、水中航走体6が浮きも沈みもしない、すなわち深度が一定値になる中性浮力状態にすることが可能になる。また、タンク22-1の水量を減らして、水中航走体6の船首の浮力を増加させることにより、水中航走体6の船首を上方に向けるトリム傾斜が生じることになる。これに対して、タンク22-5の水量を減らして、水中航走体6の船尾の浮力を増加させることにより、水中航走体6の船首を下方に向けるトリム傾斜が生じることになる。これにより、矢印52に示すように水中における水中航走体6の姿勢角の1つであるピッチ角を任意の角度に調整することができることになる。また、例えば、タンク22-2,22-3を、水中航走体6の重心付近の位置であって、船首から船尾にわたる中心軸であるロール軸の左右の対称な位置に配置し、タンク22-2,22-3の水量のバランスを変えることにより、水中航走体6の姿勢角の1つであるロール角を任意の角度に調整することができる。 In this way, by adjusting the amount of water stored in the tanks 22-1 to 22-5, for example, the direction of movement of the underwater vehicle 6 up and down in the water can be adjusted as shown by the arrow 51, and the depth, which is the distance from the water surface, can be changed arbitrarily. In addition, by making the density of the underwater vehicle 6 equal to the density of the water, the underwater vehicle 6 can be brought into a neutral buoyancy state in which it neither floats nor sinks, that is, its depth is a constant value. In addition, by reducing the amount of water in the tank 22-1 and increasing the buoyancy of the bow of the underwater vehicle 6, a trim tilt is generated in which the bow of the underwater vehicle 6 points upward. In contrast, by reducing the amount of water in the tank 22-5 and increasing the buoyancy of the stern of the underwater vehicle 6, a trim tilt is generated in which the bow of the underwater vehicle 6 points downward. This makes it possible to adjust the pitch angle, which is one of the attitude angles of the underwater vehicle 6 in the water, to an arbitrary angle as shown by the arrow 52. In addition, for example, the tanks 22-2 and 22-3 are positioned near the center of gravity of the underwater vehicle 6, symmetrically on the left and right of the roll axis, which is the central axis extending from the bow to the stern, and the roll angle, which is one of the attitude angles of the underwater vehicle 6, can be adjusted to any angle by changing the balance of the water volume in the tanks 22-2 and 22-3.

アクチュエータ21は、図2に示すように、例えば、ポンプ21P-1~21P-7と、バルブ21V-1~21V-15とを備えている。ポンプ21P-1~21P-7、及びバルブ21V-1~21V-15は、例えば、モータなどの駆動手段を内蔵している。ポンプ21P-1~21P-7の各々は、ON状態にする制御信号を受けると駆動手段が動作して、各々に配管を通じて接続するタンク22-1~22-5に貯留されている水を取り込んで、他方の配管から排出し、OFF状態にする制御信号を受けると駆動手段が停止して、水の取り込みを停止する。バルブ21V-1~21V-15は、ON状態にする制御信号を受けると駆動手段が動作して弁を開き、OFF状態にする制御信号を受けると駆動手段が動作して弁を閉じる。ポンプ21P-1~21P-7、及びバルブ21V-1~21V-15を制御信号によってON/OFFすることにより、タンク22-1~22-5において注排水、及び移水が行われることになる。 2, the actuator 21 includes, for example, pumps 21P-1 to 21P-7 and valves 21V-1 to 21V-15. The pumps 21P-1 to 21P-7 and the valves 21V-1 to 21V-15 each incorporate a drive means such as a motor. When the pumps 21P-1 to 21P-7 receive a control signal to turn them on, the drive means operates to take in water stored in the tanks 22-1 to 22-5 connected to each of the pumps through piping and discharge it from the other piping, and when the pumps receive a control signal to turn them off, the drive means stops and the intake of water stops. When the valves 21V-1 to 21V-15 receive a control signal to turn them on, the drive means operates to open the valve, and when the valves receive a control signal to turn them off, the drive means operates to close the valve. Pumps 21P-1 to 21P-7 and valves 21V-1 to 21V-15 are turned on and off by control signals to fill, drain, and transfer water to and from tanks 22-1 to 22-5.

なお、図2では、一例として、タンク22が、5個のタンク22-1~22-5を含む例を示しているが、タンク22に含まれるタンクの個数は、5個に限られるものではなく、複数個であれば、どのような個数であってもよい。また、図2におけるポンプ21P-1~21P-7、及びバルブ21V-1~21V-15の個数や配置は、一例であり、タンク22-1~22-5の個数に応じて増減する。また、例えば、注排水がタンク22-3のみで行われるという仕様の場合は、その仕様に応じて配置が異なることになり、タンク22-3に対して注排水を行うポンプ21P-3と、バルブ21V-3,21V-8と、移水用のポンプ21P-6,21P-7と、バルブ21V-11~21V15とが備えられることになる。 In FIG. 2, tank 22 includes five tanks 22-1 to 22-5 as an example, but the number of tanks included in tank 22 is not limited to five and may be any number as long as it is plural. In addition, the number and arrangement of pumps 21P-1 to 21P-7 and valves 21V-1 to 21V-15 in FIG. 2 are examples and will increase or decrease depending on the number of tanks 22-1 to 22-5. In addition, for example, if the specifications are such that filling and draining are performed only in tank 22-3, the arrangement will differ depending on the specifications, and pump 21P-3 for filling and draining tank 22-3, valves 21V-3 and 21V-8, pumps 21P-6 and 21P-7 for transferring water, and valves 21V-11 to 21V15 will be provided.

水中航走体6には、図1の破線の矢印で示すようにタンク22によって生じる浮力の力及びモーメント、運動制御装置4による力及びモーメント、及び水中航走体6が海中に位置している場合の海中密度の変化などの外乱による力及びモーメントが作用する。これらの力及びモーメントの作用により水中航走体6の深度、ピッチ角、ロール角などが変化することになる。検出部5は、例えば、ジャイロなどのセンサであり、ピッチ角、ロール角といった姿勢角や深度などの水中航走体6の状態に関する制御指標の各々に対応する制御量を検出する。検出部5は、検出した制御量をフィードバック値として運動制御系制御装置3と、水量制御系制御装置1とに出力する。 As shown by the dashed arrows in Figure 1, the underwater vehicle 6 is subjected to the force and moment of buoyancy generated by the tank 22, the force and moment caused by the motion control device 4, and the force and moment caused by disturbances such as changes in underwater density when the underwater vehicle 6 is located in the sea. The action of these forces and moments changes the depth, pitch angle, roll angle, etc. of the underwater vehicle 6. The detection unit 5 is a sensor such as a gyro, and detects control amounts corresponding to each of the control indices related to the state of the underwater vehicle 6, such as attitude angles such as pitch angle and roll angle, and depth. The detection unit 5 outputs the detected control amounts as feedback values to the motion control system control device 3 and the water volume control system control device 1.

運動制御系制御装置3は、予め定められる制御指標に対応する運動制御系目標値であって任意の値に指定される運動制御系目標値と、検出部5が検出した制御量であって予め定められる制御指標に対応する制御量とに基づいて、運動制御装置4に対する指令値を算出する。運動制御装置4は、例えば、舵やスラスタを含む制御装置であり、運動制御系制御装置3が算出する指令値に基づいて舵やスラスタを駆動し、水中航走体6の姿勢、移動方向、移動速度などを調整する。 The motion control system control device 3 calculates a command value for the motion control device 4 based on a motion control system target value that corresponds to a predetermined control index and is specified as an arbitrary value, and a control amount detected by the detection unit 5 and that corresponds to the predetermined control index. The motion control device 4 is, for example, a control device including a rudder and thrusters, and drives the rudder and thrusters based on the command value calculated by the motion control system control device 3 to adjust the attitude, movement direction, movement speed, etc. of the underwater vehicle 6.

水量制御系制御装置1は、冗長な多入力系の制御対象であるタンクシステム2が備えるタンク22の水量の調整を行う装置である。水量制御系制御装置1は、演算部11、フィードバック制御部12、調整量算出部13、及びアクチュエータ制御部14を備える。フィードバック制御部12は、上記した(課題1)、(課題2)を解決するために備える機能部であり、調整量算出部13は、上記した(課題3)を解決するために備える機能部である。以下、フィードバック制御部12、及び調整量算出部13の設計指針について説明する。 The water volume control system control device 1 is a device that adjusts the water volume of the tank 22 provided in the tank system 2, which is the control target of a redundant multi-input system. The water volume control system control device 1 includes a calculation unit 11, a feedback control unit 12, an adjustment amount calculation unit 13, and an actuator control unit 14. The feedback control unit 12 is a functional unit provided to solve the above-mentioned (Problem 1) and (Problem 2), and the adjustment amount calculation unit 13 is a functional unit provided to solve the above-mentioned (Problem 3). Below, the design guidelines for the feedback control unit 12 and the adjustment amount calculation unit 13 are explained.

(フィードバック制御部の設計指針)
図1の制御システム100を制御系のブロック線図によって示すと図3として表すことができる。図3において、水量制御系61は、水量制御系制御装置1と、タンクシステム2とに対応する伝達要素である。運動制御系67は、運動制御系制御装置3と、運動制御装置4とに対応する伝達要素である。制御対象65は、力及びモーメントによる制御対象である構造物としての水中航走体6に対応する伝達要素である。加え合わせ点60は、水量制御系目標値と、制御対象65が出力する制御量とを取り込み、水量制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を水量制御系61に出力する。加え合わせ点64は、運動制御系67が出力する力及びモーメントと、水量制御系61が出力する力及びモーメントと、外乱による力及びモーメントを取り込んで力及びモーメントごとに加算し、力の加算値と、モーメントの加算値とを制御対象65に出力する。加え合わせ点66は、運動制御系目標値と、制御対象65が出力する制御量とを取り込み、運動制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を運動制御系67に出力する。
(Feedback control section design guidelines)
The control system 100 of FIG. 1 can be shown in FIG. 3 as a block diagram of the control system. In FIG. 3, the water volume control system 61 is a transmission element corresponding to the water volume control system control device 1 and the tank system 2. The motion control system 67 is a transmission element corresponding to the motion control system control device 3 and the motion control device 4. The controlled object 65 is a transmission element corresponding to the underwater vehicle 6 as a structure that is a controlled object by force and moment. The summing point 60 takes in the water volume control system target value and the control amount output by the controlled object 65, calculates an error by subtracting the control amount from the water volume control system target value, and outputs the calculated error to the water volume control system 61. The summing point 64 takes in the force and moment output by the motion control system 67, the force and moment output by the water volume control system 61, and the force and moment due to disturbance, adds them up for each force and moment, and outputs the sum of the force and the sum of the moment to the controlled object 65. The summing point 66 takes in the motion control system target value and the control amount output by the controlled object 65 , subtracts the control amount from the motion control system target value to calculate an error, and outputs the calculated error to the motion control system 67 .

水量制御系61は、上記した(課題1)であるアクチュエータ21の能力制約によって生じる応答遅れの補償を行うために、例えば、アクチュエータ21の能力制約によって生じる応答遅れを模擬する伝達要素63を備える。伝達要素63は、次式(1)に示す1次遅れ系の伝達関数による演算を行う。式(1)のパラメータTをアクチュエータ21の能力制約によって生じる応答遅れを模擬するように定める。 In order to compensate for the response delay caused by the capacity constraint of the actuator 21, which is problem 1 described above, the water volume control system 61 includes, for example, a transfer element 63 that simulates the response delay caused by the capacity constraint of the actuator 21. The transfer element 63 performs calculations using the transfer function of a first-order lag system shown in the following equation (1). The parameter T a in equation (1) is determined so as to simulate the response delay caused by the capacity constraint of the actuator 21.

Figure 0007653840000001
Figure 0007653840000001

また、水量制御系61は、上記した(課題2)の複数のタンク22-1~22-5の水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるために、例えば、次式(2)に示すPID制御方式の演算を行う伝達要素62を備える。 The water volume control system 61 also includes a transfer element 62 that performs calculations of the PID control method shown in the following equation (2), for example, to reduce interference between the control band of the water volume control system that controls the water volume of the multiple tanks 22-1 to 22-5 described above (Problem 2) and the control band of the motion control system.

Figure 0007653840000002
Figure 0007653840000002

図3のブロック線図に基づいて制御系の設計を行って、制御系がフィードバック制御によって収束するようにPID制御方式の制御ゲイン、すなわち、式(2)のパラメータKpt,Tit,Tdtを定める。当該設計において、運動制御系67の制御帯域と、水量制御系61の制御帯域とが完全に干渉しない非干渉の状態に設計することが最も理想的である。ただし、実際の設計としては制御対象65において運動制御系67の制御帯域と、水量制御系61の制御帯域とが干渉してハンティングなどが生じないことを確認しつつ、運動制御系67の制御帯域に対して、水量制御系61の制御帯域を十分小さくするようなパラメータKpt,Tit,Tdtを定めることになる。水量制御系61におけるタンク22の制御によって得られる力やモーメントは、運動制御系67における舵やスラスタなどの制御によって得られる力やモーメントより大きいが、力やモーメントによる効果が現れるまでの応答時間の観点では、運動制御系67の応答時間の方が、水量制御系61の応答時間よりも短くなる。そのため、水量制御系61の制御帯域の周波数を低くしてもタンク22の制御に与える影響は少なく、例えば、周波数領域において、水量制御系61の制御帯域が、運動制御系67の制御帯域に比べて十分小さくなるように設計を行う。 The control system is designed based on the block diagram of Fig. 3, and the control gains of the PID control method, i.e., the parameters Kpt , Tit , and Tdt in formula (2) are determined so that the control system converges by feedback control. In this design, it is most ideal to design the control band of the motion control system 67 and the control band of the water volume control system 61 in a state where they do not interfere with each other at all. However, in actual design, the parameters Kpt, Tit, and Tdt are determined so that the control band of the water volume control system 61 is sufficiently small relative to the control band of the motion control system 67, while confirming that the control band of the motion control system 67 and the control band of the water volume control system 61 do not interfere with each other in the controlled object 65 , causing hunting or the like . The force and moment obtained by controlling the tank 22 in the water volume control system 61 are larger than the force and moment obtained by controlling the rudder, thruster, etc. in the motion control system 67, but in terms of the response time until the effect of the force and moment appears, the response time of the motion control system 67 is shorter than the response time of the water volume control system 61. Therefore, even if the frequency of the control band of the water volume control system 61 is lowered, the effect on the control of the tank 22 is small, and for example, in the frequency domain, the control band of the water volume control system 61 is designed to be sufficiently smaller than the control band of the motion control system 67.

上記した設計を行って適切なパラメータKpt,Tit,Tdtを求めることにより、アクチュエータ21の能力制約による不安定化を阻止し、アクチュエータ21の能力制約を超えない安定した制御系を実現することができる。また、運動制御系67の制御帯域と、水量制御系61の制御帯域との干渉を抑える制御系を実現することができる。これにより、運動制御系67と、水量制御系61とにおいて協調した制御を行うことが可能になる。したがって、制御対象65が出力する制御量を、運動制御系目標値と、水量制御系目標値とに収束させるフィードバック制御を行うことにより、(課題1)と(課題2)とを解決することが可能になる。 By carrying out the above design and finding appropriate parameters Kpt , Tit , and Tdt , it is possible to prevent instability due to the capacity constraints of actuator 21 and realize a stable control system that does not exceed the capacity constraints of actuator 21. It is also possible to realize a control system that suppresses interference between the control band of motion control system 67 and the control band of water volume control system 61. This makes it possible to perform coordinated control between motion control system 67 and water volume control system 61. Therefore, by performing feedback control that converges the control amount output by control target 65 to the motion control system target value and the water volume control system target value, it is possible to solve (Problem 1) and (Problem 2).

図1の水量制御系制御装置1の演算部11は、加え合わせ点60に対応する演算を行う機能部であり、予め定められる制御指標に対応する水量制御系目標値であって任意の値に指定される水量制御系目標値と、検出部5が検出した制御量であって予め定められる制御指標に対応する制御量とを取り込む。演算部11は、水量制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差をフィードバック制御部12に出力する。フィードバック制御部12は、上記した設計によりパラメータKpt,Tit,Tdtが定められた伝達要素62に対応するPID制御演算を行うPID制御器である。フィードバック制御部12は、PID制御演算により、演算部11が出力する誤差から指令値を算出する。フィードバック制御部12は、算出した指令値を調整量算出部13に出力する。 The calculation unit 11 of the water volume control system control device 1 in Fig. 1 is a functional unit that performs calculations corresponding to the summing point 60, and takes in a water volume control system target value that is a water volume control system target value corresponding to a predetermined control index and is specified to an arbitrary value, and a control amount that is a control amount detected by the detection unit 5 and corresponds to the predetermined control index. The calculation unit 11 calculates an error by subtracting the control amount from the water volume control system target value, and outputs the calculated error to the feedback control unit 12. The feedback control unit 12 is a PID controller that performs PID control calculations corresponding to the transfer element 62 whose parameters Kpt , Tit , and Tdt are determined by the above-mentioned design. The feedback control unit 12 calculates a command value from the error output by the calculation unit 11 through the PID control calculation. The feedback control unit 12 outputs the calculated command value to the adjustment amount calculation unit 13.

なお、予め定められる制御指標は、少なくとも1つ定められ、複数の制御指標が定められる場合、演算部11は、複数の制御指標の各々に対応する水量制御系目標値と制御量とを取り込むことになる。この場合、フィードバック制御部12は、演算部11が出力する複数の制御指標の各々に対応する複数の誤差の各々に基づいて、複数の制御指標の各々に対応する複数の指令値を算出することになる。 At least one predetermined control index is set, and when multiple control indexes are set, the calculation unit 11 takes in the water volume control system target value and the control amount corresponding to each of the multiple control indexes. In this case, the feedback control unit 12 calculates multiple command values corresponding to each of the multiple control indexes based on each of the multiple errors corresponding to each of the multiple control indexes output by the calculation unit 11.

(調整量算出部の設計指針)
調整量算出部13は、上記したように(課題3)を解決するために備える機能部である。(課題3)を解決する技術として、組み込み型の装置への実装が容易であり、かつ現場でのパラメータ変更が容易になるように、解析的な最適解を求めることが可能なラグランジュの未定乗数法を採用する。以下、ラグランジュの未定乗数法を用いた解析により得られる最適解を算出する演算式を調整量算出部13に適用する手順の一例について、図4を参照しつつ説明する。
(Design guidelines for adjustment amount calculation unit)
The adjustment amount calculation unit 13 is a functional unit provided to solve (Problem 3) as described above. As a technology for solving (Problem 3), the Lagrange's method of undetermined multipliers, which is capable of finding an analytical optimal solution and is easy to implement in an embedded device and to change parameters on-site, is adopted. Hereinafter, an example of a procedure for applying an arithmetic equation for calculating an optimal solution obtained by analysis using the Lagrange's method of undetermined multipliers to the adjustment amount calculation unit 13 will be described with reference to FIG. 4.

ラグランジュの未定乗数法を用いるために、ラグランジュの方程式における目的関数と、拘束条件とを予め設定する(ステップS1)。ここで、目的関数とは、タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件を示す関数である。タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件とは、例えば、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件、タンク22-1~22-5の各々に分配する水量を平準化するという条件、水量の調整に要する調整時間を最短にするという条件などである。ここでは、一例として、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件を目的関数f(x,x)として定め、タンク22-1~22-5の各々に分配する水量を平準化するという条件を目的関数f(x,x)として定める。 In order to use the Lagrange undetermined multiplier method, an objective function and constraint conditions in the Lagrange equation are set in advance (step S1). Here, the objective function is a function indicating the adjustment conditions for the water amounts of the tanks 22-1 to 22-5. The adjustment conditions for the water amounts of the tanks 22-1 to 22-5 are, for example, a condition to minimize the energy consumption required for adjusting the water amounts, a condition to level the water amounts distributed to each of the tanks 22-1 to 22-5, and a condition to minimize the adjustment time required for adjusting the water amounts. Here, as an example, the condition to minimize the energy consumption required for adjusting the water amounts is set as the objective function f 1 (x 1 , x 2 ), and the condition to level the water amounts distributed to each of the tanks 22-1 to 22-5 is set as the objective function f 2 (x 1 , x 2 ).

拘束条件とは、水中航走体6の状態を示す状態条件を示す関数である。水中航走体6の状態を示す状態条件とは、例えば、水中航走体6の深度や姿勢角などの状態に関する不平衡量を目標値にするといった条件である。例えば、水中航走体6の深度や姿勢などの状態を平衡状態にすることを目的とする場合、目標値を「0」にすることになる。ここでは、一例として、状態条件として、水中航走体6の上下方向の不平衡量を目標値とする拘束条件g(x,x)と、水中航走体6のピッチ軸方向の不平衡量を目標値とする拘束条件g(x,x)とを定める。また、ここでは、一般的な例を示すために、目的関数と、拘束条件とにおいて2つの変数x,xを示しているが、図1の制御システム100の場合、5個のタンク22-1~22-5の各々に対する水量の調整量が変数になるため、5個の変数が定められることになる。 The constraint condition is a function indicating a state condition indicating the state of the underwater vehicle 6. The state condition indicating the state of the underwater vehicle 6 is, for example, a condition in which the unbalance amount related to the state of the underwater vehicle 6, such as the depth and the attitude angle, is set to a target value. For example, when the objective is to bring the state of the underwater vehicle 6, such as the depth and the attitude, into a balanced state, the target value is set to "0". Here, as an example, as the state condition, a constraint condition g 1 (x 1 , x 2 ) in which the unbalance amount in the vertical direction of the underwater vehicle 6 is set to a target value, and a constraint condition g 2 (x 1 , x 2 ) in which the unbalance amount in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6 is set to a target value are defined. Here, in order to show a general example, two variables x 1 and x 2 are shown in the objective function and the constraint condition, but in the case of the control system 100 of FIG. 1, the adjustment amount of the water amount for each of the five tanks 22-1 to 22-5 is a variable, so five variables are defined.

ステップS1において、設定した目的関数f(x,x),f(x,x)と、拘束条件g(x,x),g(x,x)とに、ラグランジュ乗数λ,λを加えて、ラグランジュの方程式を立式する(ステップS2)。ラグランジュの未定乗数法による解析により、入力値u,uに対するx,xの最適解を算出する関数であるh(・,・),h(・,・)を求める(ステップS3)。ここで、入力値u,uは、図1の水量制御系制御装置1のフィードバック制御部12が出力する指令値に対応する。なお、図4では、一例として、u,uという2つの入力値と、x,xという2つの出力値を示しているが、入力値と出力値の個数は、一致していなくてもよい。 In step S1, Lagrange multipliers λ1 and λ2 are added to the objective functions f1 ( x1 , x2 ) and f2 ( x1 , x2 ) and constraint conditions g1 ( x1 , x2 ) and g2 ( x1 , x2 ) set in step S1 to formulate a Lagrange equation (step S2). Functions h1 (.,.) and h2 (.,.) that calculate the optimal solution of x1 and x2 for input values u1 and u2 are obtained by analysis using the Lagrange undetermined multiplier method (step S3). Here, the input values u1 and u2 correspond to the command values output by the feedback control unit 12 of the water volume control system control device 1 in FIG. 1. In addition, in FIG. 4, two input values u 1 and u 2 and two output values x 1 and x 2 are shown as an example, but the number of input values does not have to be the same as the number of output values.

(・,・),h(・,・)というx,xの最適解を算出する関数の演算式を実行する計算機を調整量算出部13として実装する(ステップS4)。これにより、調整量算出部13は、フィードバック制御部12が算出した指令値と、上記の手順により求めた最適解を算出する演算式とに基づいて、タンク22-1~22-5の各々に対する水量の最適な調整量を算出することができる。そのため、調整量算出部13によって(課題3)を解決することが可能になる。 A computer that executes a calculation formula of a function h1 (.,.) and h2 (.,.) that calculates the optimal solution for x1 and x2 is implemented as the adjustment amount calculation unit 13 (step S4). This allows the adjustment amount calculation unit 13 to calculate the optimal adjustment amount of the water volume for each of the tanks 22-1 to 22-5 based on the command value calculated by the feedback control unit 12 and the calculation formula that calculates the optimal solution obtained by the above procedure. Therefore, the adjustment amount calculation unit 13 can solve (Problem 3).

(課題3)を解決することにより、例えば、目的関数として、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件、タンク22-1~22-5の各々に分配する水量を平準化するという条件、及び水量の調整に要する調整時間を最短にするという条件の3つの条件を定めることにより、制御システム100によって、以下のような3つの効果が得られることになる。すなわち、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件を定めた場合、例えば、ポンプ21P-1~21P-7の稼働率を小さくすることができ、それに伴い水中航走体6の静音化を行うことができる。また、タンク22-1~22-5の各々に分配する水量を平準化するという条件を定めた場合、タンク22-1~22-5の各々が貯留する水量を平準化できることになる。タンク22-1~22-5のいずれかが満水になると、タンクシステム2の仕様によっては、タンク22-1~22-5の移水や注排水による応答時間が長くなる場合がある。そのような場合に、タンク22-1~22-5の各々が貯留する水量を平準化しておくことで、次にタンク22-1~22-5の水量を調整する際にタンクシステム2の応答時間を平準化することができる。また、水量の調整に要する調整時間を最短にするという条件を定めた場合、例えば、タンク22-1~22-5に対する移水や注排水の調整に要する時間を短くすることができ、短時間で水中航走体6の深度や姿勢などの状態を安定状態に収束させることが可能になる。 By solving (Problem 3), for example, by setting three conditions as objective functions, namely, a condition of minimizing the energy consumption required for adjusting the water volume, a condition of leveling the water volume distributed to each of the tanks 22-1 to 22-5, and a condition of minimizing the adjustment time required for adjusting the water volume, the control system 100 can obtain the following three effects. That is, when the condition of minimizing the energy consumption required for adjusting the water volume is set, for example, the operating rate of the pumps 21P-1 to 21P-7 can be reduced, and the underwater vehicle 6 can be quieted accordingly. Also, when the condition of leveling the water volume distributed to each of the tanks 22-1 to 22-5 is set, the amount of water stored in each of the tanks 22-1 to 22-5 can be leveled. When any of the tanks 22-1 to 22-5 becomes full, the response time due to the transfer of water or the filling and draining of the tanks 22-1 to 22-5 may be long depending on the specifications of the tank system 2. In such a case, by leveling the amount of water stored in each of the tanks 22-1 to 22-5, the response time of the tank system 2 can be leveled out the next time the amount of water in the tanks 22-1 to 22-5 is adjusted. In addition, if a condition is set that the adjustment time required to adjust the amount of water is minimized, for example, the time required to transfer water to and adjust the filling and draining of water in and out of the tanks 22-1 to 22-5 can be shortened, making it possible to converge the state of the depth, attitude, and other conditions of the underwater vehicle 6 to a stable state in a short period of time.

図1に戻り、アクチュエータ制御部14は、調整量算出部13が算出するタンク22-1~22-5の各々に対する調整量と、内部の記憶領域に予め記憶させている変換ルールデータとに基づいて、アクチュエータ21であるポンプ21P-1~21P-7、バルブ21V-1~21V-15の各々の駆動手段をON状態、または、OFF状態にする制御信号の生成を行う。上記したように、タンクシステム2の移水や注排水の仕様は、採用する製品によって異なり、例えば、上記した注排水がタンク22-3のみで行われるといった仕様の他、タンク22-3において注排水を行っている場合、他のタンク22-1,22-2,22-4,22-5からタンク22-3に対して移水をすることができないといった仕様なども存在する。また、ON状態、または、OFF状態にする制御信号のフォーマットなども製品によって異なる。そのため、アクチュエータ制御部14は、製品固有のルールや製品固有のロジックを反映した変換ルールデータを予め内部の記憶領域に記憶させておき、この変換ルールデータを用いて調整量算出部13が算出する調整量からアクチュエータ21に対するON/OFFの制御信号の生成を行う。アクチュエータ制御部14としては、例えば、当該変換ルールデータを備えたルールベースの移水・注排水制御器などが適用される。 Returning to FIG. 1, the actuator control unit 14 generates control signals to turn on or off the drive means of the actuators 21, pumps 21P-1 to 21P-7 and valves 21V-1 to 21V-15, based on the adjustment amounts for each of the tanks 22-1 to 22-5 calculated by the adjustment amount calculation unit 13 and the conversion rule data previously stored in an internal storage area. As described above, the specifications for water transfer and pouring/draining of the tank system 2 vary depending on the product used. For example, in addition to specifications in which the above-mentioned pouring/draining is performed only in tank 22-3, there are also specifications in which water cannot be transferred from the other tanks 22-1, 22-2, 22-4, and 22-5 to tank 22-3 when pouring/draining is being performed in tank 22-3. The format of the control signal for turning on or off also varies depending on the product. For this reason, the actuator control unit 14 stores conversion rule data reflecting product-specific rules and product-specific logic in an internal storage area in advance, and generates an ON/OFF control signal for the actuator 21 from the adjustment amount calculated by the adjustment amount calculation unit 13 using this conversion rule data. As the actuator control unit 14, for example, a rule-based water transfer/filling/draining controller equipped with the conversion rule data is applied.

上記の第1の実施形態において示したように、アクチュエータ21の能力制約によって生じる応答遅れを補償するという(課題1)、及び既存の制御系である運動制御系と協調するために、複数のタンク22-1~22-5の水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるようにするという(課題2)を解決するフィードバック制御部12の設計指針を示すことができた。また、浮量やトリムの制御を行う際に指定される目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンク22-1~22-5の各々に対する最適な水量の調整量を算定するという(課題3)を解決する調整量算出部13の設計指針を示すことができた。このような設計指針に基づいて設計したフィードバック制御部12と、調整量算出部13とを備えることにより、今まで人が、タンクシステム2に対して行っていた多くの入力操作の負担を軽減することが可能になる。また、調整量算出部13は、任意に定める調整条件及び状態条件によって特定されるタンク22-1~22-5に対する最適な水量の調整量を算出する演算式を実行する。そのため、水中航走体6に対する制御の目的や水中航走体6の深度や姿勢などの状態に応じた制御システム100を構築することが可能になる。したがって、制御システム100により、アクチュエータ21の能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体6の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることが可能になる。 As shown in the first embodiment, the design guidelines for the feedback control unit 12 have been presented to solve the following problems: (1) to compensate for the response delay caused by the capacity constraints of the actuator 21; and (2) to suppress interference between the control band of the water volume control system that controls the water volume of the multiple tanks 22-1 to 22-5 and the control band of the motion control system in order to cooperate with the existing control system, the motion control system. In addition, the design guidelines for the adjustment amount calculation unit 13 have been presented to solve the following problem: (3) to calculate the optimal water volume adjustment amount for each of the multiple tanks 22-1 to 22-5 so that the entire control system including the motion control system converges in parallel toward the target value specified when controlling the float and trim. By providing the feedback control unit 12 and the adjustment amount calculation unit 13 designed based on such design guidelines, it is possible to reduce the burden of many input operations that have been performed by a person on the tank system 2 up to now. In addition, the adjustment amount calculation unit 13 executes an arithmetic expression for calculating the optimal water volume adjustment amount for the tanks 22-1 to 22-5 specified by arbitrarily determined adjustment conditions and state conditions. This makes it possible to construct a control system 100 that is suited to the purpose of control of the underwater vehicle 6 and the state of the underwater vehicle 6, such as its depth and attitude. Therefore, the control system 100 makes it possible to optimize the water levels in multiple tanks so that the control system of the underwater vehicle 6 converges to a target value while taking into account the capacity constraints of the actuators 21 and coordinating with an existing control system.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、第1の実施形態において示したフィードバック制御部12、及び調整量算出部13の設計指針にしたがって設計した、より具体的な構成について説明する。図5は、第2の実施形態による制御システム100aの構成の一例と、制御システム100aによる制御によって水中航走体6aに作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。なお、制御システム100aにおいて、制御システム100と同一の構成については、同一の符号を付し、以下、異なる構成について説明する。
Second Embodiment
In the second embodiment, a more specific configuration designed in accordance with the design guidelines for the feedback control unit 12 and the adjustment amount calculation unit 13 shown in the first embodiment will be described. Fig. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of a control system 100a according to the second embodiment, and the relationship between the forces and moments acting on the underwater vehicle 6a by the control of the control system 100a. Note that in the control system 100a, the same components as those in the control system 100 are given the same reference numerals, and different components will be described below.

制御システム100aは、水量制御系制御装置1a、タンクシステム2、運動制御系制御装置3a、舵制御装置4a、及び検出部5aを備える。水中航走体6aは、第1の実施形態の水中航走体6と同様に、例えば、UUVなどの無人で自律的に水中を航走する水中無人機である。なお、図5は、図1と同様に、制御系全体の関係を示すために、構造物としての水中航走体6aを含めたブロック図としているが、実際には、制御システム100aは、水中航走体6aに備えられるシステムである。また、図5においても、図1と同様に、実線は、電気的な接続を示し、破線は、水中航走体6aに作用する力及びモーメントを示している。 The control system 100a includes a water volume control system control device 1a, a tank system 2, a motion control system control device 3a, a rudder control device 4a, and a detection unit 5a. The underwater vehicle 6a is an unmanned underwater vehicle that autonomously navigates underwater, for example, a UUV, similar to the underwater vehicle 6 of the first embodiment. Note that, like FIG. 1, FIG. 5 is a block diagram including the underwater vehicle 6a as a structure to show the relationship of the entire control system, but in reality, the control system 100a is a system provided in the underwater vehicle 6a. Also, in FIG. 5, like FIG. 1, solid lines indicate electrical connections, and dashed lines indicate forces and moments acting on the underwater vehicle 6a.

加算器7,8は、現実に存在する機能部ではなく、水中航走体6aに作用する力及びモーメントの関係を簡潔に示すための説明の便宜上の機能部である。加算器7は、タンク22によって生じる浮力と、舵制御装置4aに含まれる深度調整用の舵(以下、深度調整舵という)によって生じる力とを加算し、加算した力の加算値を出力する。また、加算器7は、タンク22によって生じる浮力のモーメントと、舵制御装置4aに含まれるピッチ角調整用の舵(以下、ピッチ調整舵という)によって生じるモーメントとを加算し、加算したモーメントの加算値を出力する。加算器8は、加算器7が出力する力の加算値と、外乱による力(F)とを加算する。加算器8が加算した力が水中航走体6aに作用する。また、加算器8は、加算器7が出力するモーメントの加算値と、外乱によるモーメント(M)とを加算する。加算器8が加算したモーメントが水中航走体6aに作用する。これにより、水中航走体6aの上下方向に加算器7が出力する力が作用し、水中航走体6aのピッチ軸方向に加算器7が出力するモーメントが作用することになる。 The adders 7 and 8 are not functional parts that actually exist, but are functional parts for convenience of explanation to simply show the relationship between the forces and moments acting on the underwater vehicle 6a. The adder 7 adds the buoyancy generated by the tank 22 and the force generated by a rudder for adjusting the depth (hereinafter referred to as a depth adjustment rudder) included in the rudder control device 4a, and outputs the sum of the added forces. The adder 7 also adds the moment of the buoyancy generated by the tank 22 and the moment generated by a rudder for adjusting the pitch angle (hereinafter referred to as a pitch adjustment rudder) included in the rudder control device 4a, and outputs the sum of the added moments. The adder 8 adds the sum of the forces output by the adder 7 and a force due to disturbance (F d ). The force added by the adder 8 acts on the underwater vehicle 6a. The adder 8 also adds the sum of the moments output by the adder 7 and a moment due to disturbance (M d ). The moment added by the adder 8 acts on the underwater vehicle 6a. As a result, the force output by the adder 7 acts in the up and down directions of the underwater vehicle 6a, and the moment output by the adder 7 acts in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a.

検出部5aは、水中航走体6aにおける制御指標である深度と、ピッチ角という2つの制御量を検出する。深度の単位は、例えば、[m]であり、ピッチ角の単位は、例えば、[rad]である。検出部5aは、検出した深度と、ピッチ角とを運動制御系制御装置3aに出力する。 The detector 5a detects two control quantities, namely, depth and pitch angle, which are control indices for the underwater vehicle 6a. The depth is measured in units of, for example, [m], and the pitch angle is measured in units of, for example, [rad]. The detector 5a outputs the detected depth and pitch angle to the motion control system control device 3a.

運動制御系制御装置3aは、演算部31-1,31-2、深度FB(Feed Back)制御部32-1、及びピッチ角FB制御部32-2を備える。演算部31-1は、予め定められる深度の制御指標に対応する運動制御系目標値であって任意の値に指定される深度目標値と、検出部5aが検出した深度の制御量とを取り込む。演算部31-1は、深度目標値から深度の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を深度FB制御部32-1に出力する。なお、深度目標値の単位は、検出部5aが検出する深度の制御量と同じく[m]である。深度FB制御部32-1は、演算部31-1が出力する誤差に基づいて、深度調整舵に対する舵角指令値(以下、深度調整舵角指令値という)を算出する。深度FB制御部32-1は、算出した深度調整舵角指令値(δb)を舵制御装置4aと、水量制御系制御装置1aとに出力する。 The motion control system control device 3a includes calculation units 31-1 and 31-2, a depth FB (Feedback) control unit 32-1, and a pitch angle FB control unit 32-2. The calculation unit 31-1 takes in a depth target value, which is a motion control system target value corresponding to a predetermined depth control index and is specified to an arbitrary value, and the depth control amount detected by the detection unit 5a. The calculation unit 31-1 subtracts the depth control amount from the depth target value to calculate an error, and outputs the calculated error to the depth FB control unit 32-1. The depth target value is in units of [m], the same as the depth control amount detected by the detection unit 5a. The depth FB control unit 32-1 calculates a rudder angle command value for the depth adjustment rudder (hereinafter referred to as the depth adjustment rudder angle command value) based on the error output by the calculation unit 31-1. The depth feedback control unit 32-1 outputs the calculated depth adjustment rudder angle command value (δb) to the rudder control device 4a and the water volume control system control device 1a.

演算部31-2は、予め定められるピッチ角の制御指標に対応する運動制御系目標値であって任意の値に指定されるピッチ角目標値と、検出部5aが検出したピッチ角の制御量とを取り込む。演算部31-2は、ピッチ角目標値からピッチ角の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差をピッチ角FB制御部32-2に出力する。なお、ピッチ角目標値の単位は、検出部5aが検出するピッチ角の制御量と同じく[rad]である。ピッチ角FB制御部32-2は、演算部31-2が出力する誤差に基づいて、ピッチ角調整舵に対する舵角指令値(以下、ピッチ角調整舵角指令値という)を算出する。ピッチ角FB制御部32-2は、算出したピッチ角調整舵角指令値(δr)を舵制御装置4aと、水量制御系制御装置1aとに出力する。 The calculation unit 31-2 takes in the pitch angle target value, which is a motion control system target value corresponding to a predetermined pitch angle control index and is specified to an arbitrary value, and the pitch angle control amount detected by the detection unit 5a. The calculation unit 31-2 subtracts the pitch angle control amount from the pitch angle target value to calculate an error, and outputs the calculated error to the pitch angle FB control unit 32-2. The pitch angle target value is in units of [rad], the same as the pitch angle control amount detected by the detection unit 5a. The pitch angle FB control unit 32-2 calculates a rudder angle command value for the pitch angle adjustment rudder (hereinafter referred to as the pitch angle adjustment rudder angle command value) based on the error output by the calculation unit 31-2. The pitch angle FB control unit 32-2 outputs the calculated pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) to the rudder control device 4a and the water volume control system control device 1a.

舵制御装置4aは、水中航走体6aに備えられる深度調整舵及びピッチ角調整舵を含む舵の向きを制御する制御装置である。舵制御装置4aは、深度FB制御部32-1が出力する深度調整舵角指令値(δb)に基づいて、深度調整舵の向きを調整する。舵制御装置4aは、ピッチ角FB制御部32-2が出力するピッチ角調整舵角指令値(δr)に基づいて、ピッチ角調整舵の向きを調整する。 The rudder control device 4a is a control device that controls the orientation of the rudders, including the depth adjustment rudder and pitch angle adjustment rudder, provided on the underwater vehicle 6a. The rudder control device 4a adjusts the orientation of the depth adjustment rudder based on the depth adjustment rudder angle command value (δb) output by the depth feedback control unit 32-1. The rudder control device 4a adjusts the orientation of the pitch angle adjustment rudder based on the pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) output by the pitch angle feedback control unit 32-2.

第1の実施形態の制御システム100では、検出部5が検出する制御量をフィードバック値として、水量制御系制御装置1にフィードバックする構成を備えている。これに対して、第2の実施形態の制御システム100aでは、上記したように深度FB制御部32-1が算出する深度調整舵角指令値(δb)と、ピッチ角FB制御部32-2が算出するピッチ角調整舵角指令値(δr)とをフィードバック値として、水量制御系制御装置1aにフィードバックする構成としている。第1の実施形態のように、水量制御系制御装置1aが、検出部5aが検出する制御量をフィードバック値として参照する方が運動制御系制御装置3aを経由しないことから応答時間は短くなるというメリットがある。これに対して、運動制御系制御装置3aが算出する深度調整舵角指令値(δb)には、検出部5aが検出する深度の制御量が反映されており、ピッチ角調整舵角指令値(δr)には、検出部5aが検出するピッチ角の制御量が反映されている。言い換えると、深度調整舵角指令値(δb)とピッチ角調整舵角指令値(δr)という2つの舵角指令値には、検出部5aが検出する制御量に加えて、舵制御装置4aによる各々の舵に対する制御による情報が含まれていることになる。そのため、水量制御系制御装置1aが、運動制御系制御装置3aが算出する舵角指令値をフィードバック値として参照する場合、応答時間は長くなるものの、舵角指令値に舵の制御による情報が含まれていることから、水量制御系制御装置1aと、運動制御系制御装置3aとの協調を行いやすくするというメリットがある。 In the control system 100 of the first embodiment, the control amount detected by the detection unit 5 is fed back to the water volume control system control device 1 as a feedback value. In contrast, in the control system 100a of the second embodiment, the depth adjustment steering angle command value (δb) calculated by the depth FB control unit 32-1 and the pitch angle adjustment steering angle command value (δr) calculated by the pitch angle FB control unit 32-2 are fed back to the water volume control system control device 1a as feedback values as described above. As in the first embodiment, the water volume control system control device 1a has the advantage of referring to the control amount detected by the detection unit 5a as a feedback value, since it does not go through the motion control system control device 3a, the response time is shorter. In contrast, the depth adjustment steering angle command value (δb) calculated by the motion control system control device 3a reflects the depth control amount detected by the detection unit 5a, and the pitch angle adjustment steering angle command value (δr) reflects the pitch angle control amount detected by the detection unit 5a. In other words, the two rudder angle command values, the depth adjustment rudder angle command value (δb) and the pitch angle adjustment rudder angle command value (δr), contain information on the control of each rudder by the rudder control device 4a in addition to the control amount detected by the detection unit 5a. Therefore, when the water volume control system control device 1a refers to the rudder angle command value calculated by the motion control system control device 3a as a feedback value, although the response time is longer, there is an advantage in that the rudder angle command value contains information on the rudder control, making it easier for the water volume control system control device 1a and the motion control system control device 3a to cooperate with each other.

水量制御系制御装置1aは、演算部11-1,11-2、フィードバック制御部12a、調整量算出部13a、及びアクチュエータ制御部14を備える。演算部11-1は、予め定められる深度の制御指標に対応する水量制御系目標値であって任意の値に指定される浮量目標値と、深度FB制御部32-1が出力する深度調整舵角指令値(δb)とを取り込む。演算部11-1は、浮量目標値から深度調整舵角指令値(δb)を減算して誤差を算出し、算出した誤差をフィードバック制御部12aの浮量FB制御部12-1に出力する。演算部11-2は、予め定められるピッチ角の制御指標に対応する水量制御系目標値であって任意の値に指定されるトリム目標値と、ピッチ角FB制御部32-2が出力するピッチ角調整舵角指令値(δr)とを取り込む。演算部11-2は、トリム目標値からピッチ角調整舵角指令値(δr)を減算して誤差を算出し、算出した誤差をフィードバック制御部12aのトリムFB制御部12-2に出力する。 The water volume control system control device 1a includes calculation units 11-1 and 11-2, a feedback control unit 12a, an adjustment amount calculation unit 13a, and an actuator control unit 14. The calculation unit 11-1 takes in a water volume control system target value corresponding to a predetermined depth control index, which is a float target value designated to an arbitrary value, and a depth adjustment rudder angle command value (δb) output by the depth FB control unit 32-1. The calculation unit 11-1 calculates an error by subtracting the depth adjustment rudder angle command value (δb) from the float target value, and outputs the calculated error to the float FB control unit 12-1 of the feedback control unit 12a. The calculation unit 11-2 takes in a trim target value corresponding to a predetermined pitch angle control index, which is a water volume control system target value designated to an arbitrary value, and a pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) output by the pitch angle FB control unit 32-2. The calculation unit 11-2 subtracts the pitch angle adjustment steering angle command value (δr) from the trim target value to calculate the error, and outputs the calculated error to the trim FB control unit 12-2 of the feedback control unit 12a.

ここで、浮量目標値として指定される値は、力を示す浮量であり、浮量目標値の単位は、例えば、[N]である。また、トリム目標値として指定される値は、モーメントを示すトリム制御モーメントであり、トリム目標値の単位は、例えば、[N・m]である。これに対して、深度調整舵角指令値(δb)と、ピッチ角調整舵角指令値(δr)とは角度であり、単位は、例えば、[rad]である。したがって、演算部11-1,11-2の各々に与えられる目標値と、フィードバック値とは単位が異なることになる。そのため、演算部11-1は、フィードバック値である深度調整舵角指令値を「N」の単位に換算し、演算部11-2は、フィードバック値であるピッチ角調整舵角指令値を「N・m」の単位に換算した上で、各々に与えられる目標値からの減算の演算を行うことになる。 Here, the value specified as the float target value is the float indicating a force, and the unit of the float target value is, for example, [N]. The value specified as the trim target value is the trim control moment indicating a moment, and the unit of the trim target value is, for example, [N·m]. In contrast, the depth adjustment rudder angle command value (δb) and the pitch adjustment rudder angle command value (δr) are angles, and the unit is, for example, [rad]. Therefore, the target value and the feedback value given to each of the calculation units 11-1 and 11-2 have different units. Therefore, the calculation unit 11-1 converts the depth adjustment rudder angle command value, which is a feedback value, into units of "N", and the calculation unit 11-2 converts the pitch adjustment rudder angle command value, which is a feedback value, into units of "N·m", and then performs a subtraction calculation from the target value given to each.

例えば、深度調整舵角指令値(δb)の時系列の変化から深度調整舵により水中航走体6aの上下方向に作用する力を推定することができる。また、ピッチ角調整舵角指令値(δr)の時系列の変化からピッチ角調整舵により水中航走体6aのピッチ軸方向に作用するモーメントを推定することができる。演算部11-1は、時系列上において連続した複数の深度調整舵角指令値(δb)を取り込み、取り込んだ複数の深度調整舵角指令値(δb)から推定力を算出することにより力の単位への換算を行うことができる。また、演算部11-2は、時系列上において連続した複数のピッチ角調整舵角指令値(δr)を取り込み、取り込んだ複数のピッチ角調整舵角指令値(δr)から推定モーメントを算出することによりモーメントの単位への換算を行うことができる。 For example, the force acting in the vertical direction of the underwater vehicle 6a by the depth adjustment rudder angle command value (δb) can be estimated from the time series change in the depth adjustment rudder angle command value (δr). Also, the moment acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a by the pitch adjustment rudder angle command value (δr) can be estimated from the time series change in the pitch adjustment rudder angle command value (δr). The calculation unit 11-1 can convert to units of force by taking in multiple consecutive depth adjustment rudder angle command values (δb) in a time series and calculating an estimated force from the multiple depth adjustment rudder angle command values (δb) that have been taken in. Also, the calculation unit 11-2 can convert to units of moment by taking in multiple consecutive pitch adjustment rudder angle command values (δr) in a time series and calculating an estimated moment from the multiple pitch adjustment rudder angle command values (δr) that have been taken in.

フィードバック制御部12aは、浮量FB制御部12-1と、トリムFB制御部12-2とを備える。浮量FB制御部12-1とトリムFB制御部12-2の各々は、それぞれ、上記した「フィードバック制御部の設計指針」にしたがって設計した伝達要素62に対応する演算を行うPID制御器である。ただし、制御システム100aは、制御システム100とは異なり、運動制御系制御装置3aが出力する2つの舵角指令値を水量制御系制御装置1aにフィードバックする構成になっている。そのため、制御系の設計の際に、第1の実施形態の制御システム100と、第2の実施形態の制御システム100aとの構成の違いを踏まえて設計を行い、浮量FB制御部12-1とトリムFB制御部12-2の各々に適用するPID制御器のKpt,Tit,Tdtのパラメータを定めることになる。なお、浮量FB制御部12-1とトリムFB制御部12-2のPID制御方式は、個別に設計されるため各々のパラメータKpt,Tit,Tdtは、異なることになるが、設計によっては、一致する場合もある。 The feedback control section 12a includes a floatation amount FB control section 12-1 and a trim FB control section 12-2. Each of the floatation amount FB control section 12-1 and the trim FB control section 12-2 is a PID controller that performs a calculation corresponding to the transfer element 62 designed according to the above-mentioned "design guideline for feedback control section". However, unlike the control system 100, the control system 100a is configured to feed back two steering angle command values output by the motion control system control device 3a to the water volume control system control device 1a. Therefore, when designing the control system, the design is performed taking into account the difference in configuration between the control system 100 of the first embodiment and the control system 100a of the second embodiment, and the parameters Kpt , Tit , and Tdt of the PID controller to be applied to each of the floatation amount FB control section 12-1 and the trim FB control section 12-2 are determined. Incidentally, since the PID control methods of the floating amount FB control section 12-1 and the trim FB control section 12-2 are designed individually, the respective parameters Kpt , Tit , and Tdt will be different, but they may match depending on the design.

浮量FB制御部12-1は、演算部11-1が出力する誤差に対してPID制御方式の演算を行い、浮量目標値に対する上下指令値(F)を算出する。浮量FB制御部12-1は、算出した上下指令値(F)を調整量算出部13aに出力する。トリムFB制御部12-2は、演算部11-2が出力する誤差に対してPID制御方式の演算を行い、トリム目標値に対するトリム指令値(M)を算出する。トリムFB制御部12-2は、算出したトリム指令値(M)を調整量算出部13aに出力する。 The float amount FB control unit 12-1 performs a PID control calculation on the error output by the calculation unit 11-1, and calculates an up/down command value (F c ) for the float amount target value. The float amount FB control unit 12-1 outputs the calculated up/down command value (F c ) to the adjustment amount calculation unit 13a. The trim FB control unit 12-2 performs a PID control calculation on the error output by the calculation unit 11-2, and calculates a trim command value (M c ) for the trim target value. The trim FB control unit 12-2 outputs the calculated trim command value (M c ) to the adjustment amount calculation unit 13a.

調整量算出部13aは、上記した「調整量算出部の設計指針」にしたがって予めラグランジュの未定乗数法を用いた解析により求めた最適解を算出する演算式、すなわちタンク22-1~22-5の各々に対する最適な調整量V~Vを算出する演算式を実行する。調整量算出部13aは、浮量FB制御部12-1が出力する上下指令値(F)と、トリムFB制御部12-2が出力するトリム指令値(M)とに基づいて、タンク22-1~22-5の各々に対する水量の調整量(ΔV~ΔV)を算出する。調整量算出部13aは、算出したタンク22-1~22-5の各々に対する水量の調整量(ΔV~ΔV)をアクチュエータ制御部14に出力する。 The adjustment amount calculation unit 13a executes an arithmetic expression for calculating an optimal solution previously obtained by an analysis using Lagrange's undetermined multiplier method in accordance with the above-mentioned "design guideline for the adjustment amount calculation unit", i.e., an arithmetic expression for calculating optimal adjustment amounts V 1 to V 5 for each of the tanks 22-1 to 22-5. The adjustment amount calculation unit 13a calculates water amount adjustment amounts (ΔV 1 to ΔV 5 ) for each of the tanks 22-1 to 22-5 based on the up/down command value (F c ) output by the floatation amount FB control unit 12-1 and the trim command value (M c ) output by the trim FB control unit 12-2. The adjustment amount calculation unit 13a outputs the calculated water amount adjustment amounts (ΔV 1 to ΔV 5 ) for each of the tanks 22-1 to 22-5 to the actuator control unit 14.

(調整量算出部に適用される最適解を算出する演算式の一例)
ここで、一例として、水中航走体6aの運動モデルとして、深度と、ピッチ角とに関する線形モデルに限定した運動モデルを定義した上で、調整量算出部13aに適用される最適解を算出する演算式をラグランジュの未定乗数法により求める手法について説明する。深度に関する線形モデルは、次式(3)の運動方程式として表すことができる。
(An example of an arithmetic formula for calculating an optimal solution applied to the adjustment amount calculation unit)
Here, as an example, a method will be described in which a motion model of the underwater vehicle 6a is defined as a linear model limited to a depth and a pitch angle, and then an arithmetic expression for calculating an optimal solution to be applied to the adjustment amount calculation unit 13a is obtained by the Lagrange method of undetermined multipliers. The linear model for depth can be expressed as the equation of motion of the following equation (3).

Figure 0007653840000003
Figure 0007653840000003

式(3)に示す物理パラメータの各々の名称と、各々の単位とは、図6に示す表の通りである。式(3)の左辺の「・」付きの「w」は、深度速度の微分、すなわち深度加速度であり、深度加速度に、深度軸質量「m」を乗算することにより、水中航走体6aの上下方向、すなわち水中航走体6aのピッチ軸と、ロール軸が水平面上に存在する場合に、ロール軸をX軸、ピッチ軸をY軸とした場合のZ軸方向に作用する力を示すことになる。式(3)の右辺の第1項の「-Dw」は、粘性抵抗係数に深度速度を乗算した速度の減衰項であり、水中航走体6aが沈下する際に作用する粘性力を示している。式(3)の右辺の第2項の「Kδbδb」は、深度調整舵によって水中航走体6aの上下方向に作用する力を示している。式(3)の右辺の第3項の「F」は、外乱により水中航走体6aの上下方向に作用する外乱力であり、水中航走体6aの重量のバランスの崩れを示している。なお、定常時において深度調整舵に舵角が存在している場合、舵角による力を静的な外乱力とみなして、舵角による力を「F」に加えるものとする。式(3)の右辺の第4項の「F(ΔV,ΔV,ΔV,ΔV,ΔV)」は、上下制御力であり、タンク22-1~22-5によって水中航走体6aの上下方向に生じる浮力を示している。 The names and units of the physical parameters shown in formula (3) are as shown in the table in FIG. 6. The "w" with "·" on the left side of formula (3) is the derivative of the depth velocity, i.e., the depth acceleration, and by multiplying the depth acceleration by the depth axis mass "m z ", it indicates the force acting in the vertical direction of the underwater vehicle 6a, that is, in the Z-axis direction when the pitch axis and roll axis of the underwater vehicle 6a are on a horizontal plane, the roll axis is the X-axis and the pitch axis is the Y-axis. The first term "-D z w" on the right side of formula (3) is a velocity damping term obtained by multiplying the viscous resistance coefficient by the depth velocity, and indicates the viscous force acting when the underwater vehicle 6a sinks. The second term "K δb δb" on the right side of formula (3) indicates the force acting in the vertical direction of the underwater vehicle 6a by the depth adjustment rudder. "F d " in the third term on the right side of equation (3) is a disturbance force acting in the vertical direction of the underwater vehicle 6a due to disturbance, and indicates an imbalance in the weight of the underwater vehicle 6a. When a rudder angle is present in the depth adjustment rudder during steady state, the force due to the rudder angle is regarded as a static disturbance force, and the force due to the rudder angle is added to "F d ". "F t (ΔV 1 , ΔV 2 , ΔV 3 , ΔV 4 , ΔV 5 ) " in the fourth term on the right side of equation (3) is a vertical control force, and indicates the buoyancy generated in the vertical direction of the underwater vehicle 6a by the tanks 22-1 to 22-5.

ピッチ角に関する線形モデルは、次式(4)の運動方程式として表すことができる。 The linear model for the pitch angle can be expressed as the following equation of motion (4):

Figure 0007653840000004
Figure 0007653840000004

式(4)に示す物理パラメータの各々の名称と、各々の単位とは、図6に示す表の通りである。式(4)の左辺の「・」付きの「q」は、ピッチ角速度の微分、すなわちピッチ角加速度であり、ピッチ角加速度にピッチ軸慣性モーメントJを乗算することにより、水中航走体6aのピッチ軸を中心として水中航走体6aに作用する回転力のモーメントを示すことになる。式(4)の右辺の第1項の「-Dq」は、粘性抵抗係数にピッチ角速度を乗算した速度の減衰項であり、水中航走体6aがピッチ軸を中心に回転する際に、水中航走体6aのピッチ軸方向に作用する粘性力のモーメントを示している。式(4)の右辺の第2項の「-Kθ」において、「K」は、復原モーメント係数であり、「θ」はピッチ角である。水中航走体6aは、ある状態から傾くと、傾いた角度に応じて元の状態に戻るモーメントが作用するように設計されている。したがって、「-Kθ」は、水中航走体6aがピッチ軸方向に「θ」の角度で傾いた場合に、水中航走体6aのピッチ軸方向に作用する復原力のモーメントを示すことになる。 The names and units of the physical parameters shown in formula (4) are as shown in the table in FIG. 6. The "q" with "." on the left side of formula (4) is the derivative of the pitch angular velocity, i.e., the pitch angular acceleration, and the pitch angular acceleration is multiplied by the pitch axis moment of inertia J p to indicate the moment of rotational force acting on the underwater vehicle 6a about the pitch axis of the underwater vehicle 6a. The first term "-D p q" on the right side of formula (4) is a velocity damping term obtained by multiplying the viscous resistance coefficient by the pitch angular velocity, and indicates the moment of viscous force acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a when the underwater vehicle 6a rotates about the pitch axis. In the second term "-K p θ" on the right side of formula (4), "K p " is the righting moment coefficient, and "θ" is the pitch angle. The underwater vehicle 6a is designed so that when it tilts from a certain state, a moment acts to return it to its original state according to the angle of the tilt. Therefore, "-K p θ" indicates the moment of the restoring force acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a when the underwater vehicle 6a tilts at an angle of "θ" in the pitch axis direction.

式(4)の右辺の第3項の「Kδrδr」は、ピッチ角調整舵によって水中航走体6aのピッチ軸方向に作用するモーメントを示すことになる。式(4)の右辺の第4項の「M」は、外乱により水中航走体6aのピッチ軸方向に作用する外乱力のモーメントを示している。なお、定常時においてピッチ角調整舵に舵角が存在している場合、舵角によるモーメントを静的な外乱モーメントとみなして、舵角によるモーメントを「M」に加えるものとする。式(4)の右辺の第5項の「M(ΔV,ΔV,ΔV,ΔV,ΔV)」は、トリム制御モーメントであり、タンク22-1~22-5によって水中航走体6aのピッチ軸方向に作用する浮力のモーメントを示している。なお、式(3)及び式(4)におけるΔV,ΔV,ΔV,ΔV,ΔVは、上記したように、調整量算出部13aが算出するタンク22-1,22-2,22-3,22-4,22-5の各々における水量の増減を示す調整量である。 The third term "K δr δr" on the right side of equation (4) indicates the moment acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a by the pitch angle adjustment rudder. The fourth term "M d " on the right side of equation (4) indicates the moment of disturbance force acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a due to disturbance. When a rudder angle is present in the pitch angle adjustment rudder in a steady state, the moment due to the rudder angle is regarded as a static disturbance moment, and the moment due to the rudder angle is added to "M d ". The fifth term "M t (ΔV 1 , ΔV 2 , ΔV 3 , ΔV 4 , ΔV 5 )" on the right side of equation (4) is the trim control moment, and indicates the moment of buoyancy acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a by the tanks 22-1 to 22-5. As described above, ΔV 1 , ΔV 2 , ΔV 3 , ΔV 4 , and ΔV 5 in equations (3) and (4) are adjustment amounts that indicate increases or decreases in the amounts of water in the tanks 22-1, 22-2, 22-3, 22-4, and 22-5, respectively, calculated by the adjustment amount calculation unit 13a.

水中航走体6aの状態を示す状態条件を、ラグランジュの未定乗数法における拘束条件とする。ここでは、水中航走体6aの状態を示す状態条件として、水中航走体6aの上下方向の不平衡量と、ピッチ軸方向の不平衡量とをそれぞれ「0」とする状態条件を採用する。上下方向の不平衡量が「0」の状態とは、水中航走体6aの水中重量が「0[kg]」であり、中性浮力状態になることを意味する。また、ピッチ軸方向の不平衡量が「0」の状態とは、水中航走体6aのピッチ角が「0[rad]」であり、水中航走体6aのロール軸が水平になることを意味する。水中航走体6aの速度が一定である平衡状態であると仮定すると、拘束条件は、次式(5),(6)として示すことができる。 The state conditions indicating the state of the underwater vehicle 6a are the constraint conditions in the Lagrange's method of undetermined multipliers. Here, as the state conditions indicating the state of the underwater vehicle 6a, the state conditions are adopted in which the unbalance amount in the vertical direction and the unbalance amount in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a are both "0". The state in which the unbalance amount in the vertical direction is "0" means that the underwater weight of the underwater vehicle 6a is "0 kg" and the vehicle is in a neutral buoyancy state. In addition, the state in which the unbalance amount in the pitch axis direction is "0" means that the pitch angle of the underwater vehicle 6a is "0 rad" and the roll axis of the underwater vehicle 6a is horizontal. Assuming that the speed of the underwater vehicle 6a is constant and the vehicle is in an equilibrium state, the constraint conditions can be expressed as the following equations (5) and (6).

Figure 0007653840000005
Figure 0007653840000005

Figure 0007653840000006
Figure 0007653840000006

式(5)の右辺の第1項から第3項は、浮量FB制御部12-1が出力する上下指令値F[N]によって補償されると仮定する。また、式(6)の右辺の第1項から第4項は、トリムFB制御部12-2が出力するトリム指令値M[N・m]によって補償されると仮定する。なお、上記したように定常時において、深度調整舵とピッチ角調整舵とに舵角が存在している場合、定常時に存在する舵角による力及びモーメントが、それぞれ「F」と「M」に加えられるが、定常時に存在する舵角による力及びモーメントも「F」と「M」によって相殺されると仮定する。この場合、式(5),(6)の拘束条件は、それぞれ次式(7),(8)として表されることになる。 It is assumed that the first to third terms on the right side of the formula (5) are compensated by the up/down command value F c [N] output by the floatation amount FB control unit 12-1. It is also assumed that the first to fourth terms on the right side of the formula (6) are compensated by the trim command value M c [N·m] output by the trim FB control unit 12-2. As described above, when the depth adjustment rudder and the pitch angle adjustment rudder have rudder angles in the steady state, the force and moment due to the rudder angle existing in the steady state are added to "F d " and "M d ", respectively, but it is also assumed that the force and moment due to the rudder angle existing in the steady state are also offset by "F c " and "M c ". In this case, the constraint conditions of the formulas (5) and (6) are expressed as the following formulas (7) and (8), respectively.

Figure 0007653840000007
Figure 0007653840000007

Figure 0007653840000008
Figure 0007653840000008

ここで、タンク22-1~22-5による浮力(F)、及び浮力のモーメント(M)は、それぞれ、次式(9),(10)により求めることができる。 Here, the buoyancy (F t ) and the buoyancy moment (M t ) due to the tanks 22-1 to 22-5 can be calculated by the following equations (9) and (10), respectively.

Figure 0007653840000009
Figure 0007653840000009

Figure 0007653840000010
Figure 0007653840000010

式(9),(10)において、ρは、海水密度[kg/m]であり、gは、重力加速度[m/s]である。また、式(10)において、l~lの各々は、水中航走体6aの重心からタンク22-1~22-5の各々の重心までの距離である。 In equations (9) and (10), ρ is the density of seawater [kg/m 3 ], g is the acceleration of gravity [m/s 2 ], and in equation (10), l 1 to l 5 are the distances from the center of gravity of the underwater vehicle 6a to the centers of gravity of the tanks 22-1 to 22-5, respectively.

式(7),(8)に対して式(9),(10)を適用することにより、式(7),(8)を次式(11),(12)に変形することができる。 By applying equations (9) and (10) to equations (7) and (8), equations (7) and (8) can be transformed into the following equations (11) and (12).

Figure 0007653840000011
Figure 0007653840000011

Figure 0007653840000012
Figure 0007653840000012

ここで、ラグランジュの未定乗数法の目的関数として、次式(13)を定義する。 Here, we define the following equation (13) as the objective function for the Lagrange multiplier method.

Figure 0007653840000013
Figure 0007653840000013

式(13)は、タンク22-1~22-5の間の水の移動量を評価する評価関数であり、タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件を示すことになる。式(13)の評価関数を最小にすることは、タンク22-1~22-5における水量の調整量を最小にすることを意味する。タンク22-1~22-5の水量の調整量を最小にするということは、ポンプ21P-1~21P-7の稼働率を最小にし、また、エネルギ消費を最小にすることを意味する。 Equation (13) is an evaluation function that evaluates the amount of water moving between tanks 22-1 to 22-5, and indicates the adjustment conditions for the water volume in tanks 22-1 to 22-5. Minimizing the evaluation function of equation (13) means minimizing the amount of adjustment of the water volume in tanks 22-1 to 22-5. Minimizing the amount of adjustment of the water volume in tanks 22-1 to 22-5 means minimizing the operating rate of pumps 21P-1 to 21P-7 and also minimizing energy consumption.

式(11),(12)の拘束条件と、式(13)の目的関数と、ラグランジュ乗数λ,λとにより次式(14)に示すラグランジュ方程式を立式する。 The Lagrange equation shown in the following equation (14) is formulated using the constraint conditions of equations (11) and (12), the objective function of equation (13), and Lagrange multipliers λ 1 and λ 2 .

Figure 0007653840000014
Figure 0007653840000014

式(14)の最適解は、次式(15)に示すように、式(14)を変数であるΔV~ΔV、及びラグランジュ乗数λ,λの各々で偏微分した式の各々が「0」になる条件により求めることができる。 The optimal solution of equation (14) can be obtained by partially differentiating equation (14) with respect to variables ΔV 1 to ΔV 5 and Lagrange multipliers λ 1 and λ 2 , as shown in the following equation (15), under the condition that each of the equations becomes "0".

Figure 0007653840000015
Figure 0007653840000015

式(15)より7つの式からなる連立方程式を導くことができる。7つの式からなる連立方程式からλ,λを消去することで、浮量FB制御部12-1が出力する上下指令値(F)と、トリムFB制御部12-2が出力するトリム指令値(M)とから最適解を算出する演算式、すなわちタンク22-1~22-5の各々に対する最適な調整量ΔV~ΔVを算出する演算式を求めることができる。上記のようにして求めた最適解を算出する演算式を実行する計算機を調整量算出部13aとする。 From equation (15), a simultaneous equation consisting of seven equations can be derived. By eliminating λ 1 and λ 2 from the simultaneous equation consisting of seven equations, it is possible to obtain an arithmetic equation for calculating an optimal solution from the up/down command value (F c ) output by the floatation amount FB control unit 12-1 and the trim command value (M c ) output by the trim FB control unit 12-2, that is, an arithmetic equation for calculating the optimal adjustment amounts ΔV 1 to ΔV 5 for each of the tanks 22-1 to 22-5. A computer that executes the arithmetic equation for calculating the optimal solution obtained as described above is referred to as the adjustment amount calculation unit 13a.

(第2の実施形態の制御システムによる処理)
以下、第2の実施形態の制御システム100aによる処理について説明する。
(Processing by the control system of the second embodiment)
The process performed by the control system 100a of the second embodiment will be described below.

(運動制御系による処理)
図7は、運動制御系制御装置3aと舵制御装置4aによる処理の流れを示すフローチャートである。図7の処理が開始される前に、運動制御系制御装置3aに対して、深度目標値と、ピッチ角目標値とが指定される。また、検出部5aは、一定の間隔で深度とピッチ角の制御量を繰り返し検出しているものとする。また、例えば、運動制御系制御装置3aには、ON/OFFスイッチが備えられており、ON状態にされることで、図7に示す処理が開始される。
(Processing by the motion control system)
Fig. 7 is a flow chart showing the flow of processing by the motion control system control device 3a and the rudder control device 4a. Before the processing of Fig. 7 is started, a depth target value and a pitch angle target value are specified for the motion control system control device 3a. Also, it is assumed that the detection unit 5a repeatedly detects the control amounts of the depth and pitch angle at regular intervals. Also, for example, the motion control system control device 3a is provided with an ON/OFF switch, and the processing shown in Fig. 7 is started by switching the ON state.

演算部31-1は、指定された深度目標値と、検出部5aが検出した深度の制御量とを取り込む。演算部31-2は、指定されたピッチ角目標値と、検出部5aが検出したピッチ角の制御量とを取り込む(ステップSa1)。演算部31-1は、深度目標値から深度の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を深度FB制御部32-1に出力する。深度FB制御部32-1は、演算部31-1が出力した誤差を取り込み、取り込んだ誤差に基づいて深度調整舵角指令値(δb)を算出する。深度FB制御部32-1は、算出した深度調整舵角指令値(δb)を舵制御装置4aに出力する(ステップSa2-1)。演算部31-2は、ピッチ角目標値からピッチ角の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差をピッチ角FB制御部32-2に出力する。ピッチ角FB制御部32-2は、演算部31-2が出力した誤差を取り込み、取り込んだ誤差に基づいてピッチ角調整舵角指令値(δr)を算出する。ピッチ角FB制御部32-2は、算出したピッチ角調整舵角指令値(δr)を舵制御装置4aに出力する(ステップSa2-2)。 The calculation unit 31-1 takes in the specified depth target value and the depth control amount detected by the detection unit 5a. The calculation unit 31-2 takes in the specified pitch angle target value and the pitch angle control amount detected by the detection unit 5a (step Sa1). The calculation unit 31-1 subtracts the depth control amount from the depth target value to calculate an error, and outputs the calculated error to the depth FB control unit 32-1. The depth FB control unit 32-1 takes in the error output by the calculation unit 31-1 and calculates a depth adjustment rudder angle command value (δb) based on the error taken in. The depth FB control unit 32-1 outputs the calculated depth adjustment rudder angle command value (δb) to the rudder control device 4a (step Sa2-1). The calculation unit 31-2 subtracts the pitch angle control amount from the pitch angle target value to calculate an error, and outputs the calculated error to the pitch angle FB control unit 32-2. The pitch angle feedback control unit 32-2 takes in the error output by the calculation unit 31-2 and calculates the pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) based on the taken-in error. The pitch angle feedback control unit 32-2 outputs the calculated pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) to the rudder control device 4a (step Sa2-2).

舵制御装置4aは、深度FB制御部32-1が出力する深度調整舵角指令値(δb)に応じて深度調整舵の向きを変える。これにより、深度調整舵による力と、外乱力(F)とを合わせた力が水中航走体6aに作用し、水中航走体6aの深度が変わることになる(ステップSa3-1)。舵制御装置4aは、ピッチ角FB制御部32-2が出力するピッチ角調整舵角指令値(δr)に応じてピッチ角調整舵の向きを変える。これにより、ピッチ角調整舵によるモーメントと、外乱モーメント(M)とを合わせたモーメントが水中航走体6aに作用し、水中航走体6aのピッチ角が変わることになる(ステップSa3-2)。 The rudder control device 4a changes the orientation of the depth adjustment rudder in response to the depth adjustment rudder angle command value (δb) output by the depth feedback control unit 32-1. As a result, a combined force of the depth adjustment rudder force and the disturbance force (F d ) acts on the underwater vehicle 6a, changing the depth of the underwater vehicle 6a (step Sa3-1). The rudder control device 4a changes the orientation of the pitch adjustment rudder in response to the pitch adjustment rudder angle command value (δr) output by the pitch angle feedback control unit 32-2. As a result, a combined moment of the pitch adjustment rudder moment and the disturbance moment (M d ) acts on the underwater vehicle 6a, changing the pitch angle of the underwater vehicle 6a (step Sa3-2).

運動制御系制御装置3aのON/OFFスイッチの状態が、ON状態である場合、運動制御系による制御が継続しているものとして(ステップSa4、Yes)、ステップSa1以降の処理が行われる。一方、運動制御系制御装置3aのON/OFFスイッチの状態が、OFF状態である場合、演算部31-1,31-2、深度FB制御部32-1、及びピッチ角FB制御部32-2は動作を停止するため(ステップSa4、No)、処理が終了する。 If the ON/OFF switch of the motion control system control device 3a is in the ON state, it is assumed that control by the motion control system is continuing (step Sa4, Yes), and the processing from step Sa1 onwards is carried out. On the other hand, if the ON/OFF switch of the motion control system control device 3a is in the OFF state, the calculation units 31-1, 31-2, the depth feedback control unit 32-1, and the pitch angle feedback control unit 32-2 stop operating (step Sa4, No), and the processing ends.

なお、図7の処理において、ステップSa2-1,Sa3-1の処理と、ステップSa2-2,Sa3-2の処理とは、並列に行われる処理である。 In the process of FIG. 7, the process of steps Sa2-1 and Sa3-1 and the process of steps Sa2-2 and Sa3-2 are performed in parallel.

(水量制御系による処理)
図8は、水量制御系制御装置1aとタンクシステム2による処理の流れを示すフローチャートである。図8の処理が開始される前に、水量制御系制御装置1aに対して浮量目標値と、トリム目標値とが指定される。また、検出部5aは、一定の間隔で深度とピッチ角の制御量を繰り返し検出しているものとする。運動制御系制御装置3a及び舵制御装置4aは、運動制御系制御装置3aがONの状態で、図7に示す処理を継続して行っているものとする。また、例えば、水量制御系制御装置1aには、ON/OFFスイッチが備えられており、ON状態にされることで、図8に示す処理が開始される。
(Processing by water volume control system)
Fig. 8 is a flow chart showing the flow of processing by the water volume control system control device 1a and the tank system 2. Before the processing of Fig. 8 is started, a float target value and a trim target value are specified for the water volume control system control device 1a. It is also assumed that the detection unit 5a repeatedly detects the control amounts of depth and pitch angle at regular intervals. It is also assumed that the motion control system control device 3a and the rudder control device 4a continue to perform the processing shown in Fig. 7 while the motion control system control device 3a is ON. It is also assumed that, for example, the water volume control system control device 1a is provided with an ON/OFF switch, and the processing shown in Fig. 8 is started by switching it to the ON state.

演算部11-1は、指定された浮量目標値と、深度FB制御部32-1が出力する深度調整舵角指令値(δb)とを取り込む。演算部11-1は、深度調整舵角指令値(δb)を浮量目標値の単位に換算した上で、浮量目標値から換算後の深度調整舵角指令値(δb)を減算して誤差を算出し、算出した誤差を浮量FB制御部12-1に出力する。演算部11-2は、指定されたトリム目標値と、ピッチ角FB制御部32-2が出力するピッチ角調整舵角指令値(δr)とを取り込む。演算部11-2は、ピッチ角調整舵角指令値(δr)をトリム目標値の単位に換算した上で、トリム目標値から換算後の深度調整舵角指令値(δb)を減算して誤差を算出し、算出した誤差をトリムFB制御部12-2に出力する(ステップSb1)。 The calculation unit 11-1 takes in the specified float target value and the depth adjustment rudder angle command value (δb) output by the depth FB control unit 32-1. The calculation unit 11-1 converts the depth adjustment rudder angle command value (δb) into the unit of the float target value, subtracts the converted depth adjustment rudder angle command value (δb) from the float target value to calculate the error, and outputs the calculated error to the float FB control unit 12-1. The calculation unit 11-2 takes in the specified trim target value and the pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) output by the pitch angle FB control unit 32-2. The calculation unit 11-2 converts the pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) into the unit of the trim target value, subtracts the converted depth adjustment rudder angle command value (δb) from the trim target value to calculate the error, and outputs the calculated error to the trim FB control unit 12-2 (step Sb1).

浮量FB制御部12-1は、PID制御演算により、演算部11-1が出力する誤差から上下指令値(F)を算出する。浮量FB制御部12-1は、算出した上下指令値(F)を調整量算出部13aに出力する(ステップSb2-1)。トリムFB制御部12-2は、PID制御演算により、演算部11-2が出力する誤差からトリム指令値(M)を算出する。トリムFB制御部12-2は、算出したトリム指令値(M)を調整量算出部13aに出力する(ステップSb2-2)。 The float amount FB control unit 12-1 calculates a vertical command value (F c ) from the error output by the calculation unit 11-1 using a PID control calculation. The float amount FB control unit 12-1 outputs the calculated vertical command value (F c ) to the adjustment amount calculation unit 13a (step Sb2-1). The trim FB control unit 12-2 calculates a trim command value (M c ) from the error output by the calculation unit 11-2 using a PID control calculation. The trim FB control unit 12-2 outputs the calculated trim command value (M c ) to the adjustment amount calculation unit 13a (step Sb2-2).

調整量算出部13aは、浮量FB制御部12-1が出力する上下指令値(F)と、トリムFB制御部12-2が出力するトリム指令値(M)とを取り込む。調整量算出部13aは、取り込んだ上下指令値(F)とトリム指令値(M)とを入力として、最適解を算出する演算式による演算を行って調整量ΔV~ΔVを算出する。調整量算出部13aは、算出した調整量ΔV~ΔVをアクチュエータ制御部14に出力する(ステップSb3)。 The adjustment amount calculation unit 13a takes in the up/down command value (F c ) output by the floatation amount FB control unit 12-1 and the trim command value (M c ) output by the trim FB control unit 12-2. The adjustment amount calculation unit 13a receives the up/down command value (F c ) and the trim command value (M c ) as inputs, and calculates the adjustment amounts ΔV 1 to ΔV 5 by performing calculations using equations for calculating optimal solutions. The adjustment amount calculation unit 13a outputs the calculated adjustment amounts ΔV 1 to ΔV 5 to the actuator control unit 14 (step Sb3).

アクチュエータ制御部14は、調整量算出部13aが出力する調整量ΔV~ΔVと、内部の記憶領域に予め記憶させている変換ルールデータとに基づいて、アクチュエータ21であるポンプ21P-1~21P-7、バルブ21V-1~21V-15の各々の駆動手段をON状態、または、OFF状態する制御信号を生成する。アクチュエータ制御部14は、生成した制御信号の各々を、各々に対応するポンプ21P-1~21P-7、バルブ21V-1~21V-15の駆動手段に出力する(ステップSb4)。 Based on the adjustment amounts ΔV 1 to ΔV 5 output by the adjustment amount calculation unit 13a and conversion rule data previously stored in an internal storage area, the actuator control unit 14 generates control signals for turning on or off the drive means of the pumps 21P-1 to 21P-7 and valves 21V-1 to 21V-15, which are the actuators 21. The actuator control unit 14 outputs each of the generated control signals to the drive means of the corresponding pumps 21P-1 to 21P-7 and valves 21V-1 to 21V-15 (step Sb4).

ポンプ21P-1~21P-7、バルブ21V-1~21V-15の各々の駆動手段が、アクチュエータ制御部14からON状態、または、OFF状態する制御信号を受けると、制御信号に応じた動作を開始し、これにより、タンク22-1~22-5において、移水や注排水が行われることになる(ステップSb5)。 When the driving means of the pumps 21P-1 to 21P-7 and the valves 21V-1 to 21V-15 receive a control signal from the actuator control unit 14 to turn them on or off, they start operating according to the control signal, thereby transferring water and filling or draining it in the tanks 22-1 to 22-5 (step Sb5).

水量制御系制御装置1aのON/OFFスイッチの状態が、ON状態である場合、水量制御系による制御が継続しているものとして(ステップSb6、Yes)、ステップSb1以降の処理が行われる。一方、水量制御系制御装置1aのON/OFFスイッチの状態が、OFF状態である場合、演算部11-1,11-2、浮量FB制御部12-1、トリムFB制御部12-2、調整量算出部13a、及びアクチュエータ制御部14は、動作を停止するため(ステップSb6、No)、処理が終了する。 If the ON/OFF switch of the water volume control system control device 1a is in the ON state, it is assumed that control by the water volume control system is continuing (step Sb6, Yes), and the processing from step Sb1 onwards is carried out. On the other hand, if the ON/OFF switch of the water volume control system control device 1a is in the OFF state, the calculation units 11-1, 11-2, floatation amount FB control unit 12-1, trim FB control unit 12-2, adjustment amount calculation unit 13a, and actuator control unit 14 stop operating (step Sb6, No), and the processing ends.

なお、図8の処理において、ステップSb2-1の処理と、ステップSb2-2の処理とは、並列に行われる処理である。 Note that in the process of FIG. 8, the process of step Sb2-1 and the process of step Sb2-2 are performed in parallel.

(シミュレーション結果)
図9及び図10は、制御システム100aを用いて行ったシミュレーション結果を示すグラフである。図9、図10のグラフにおいて横軸は、経過時間を示しており、単位は[秒]であり、横軸の左端の時刻は、「0秒」である。また、図9、図10において、縦方向の一点鎖線で示す時刻は、同一時刻であり、この時刻が、水量制御系制御装置1aをON状態にした時刻、すなわち水量制御系制御装置1aが図8に示す処理を開始した時刻である。検出部5aは、時刻「0秒」において深度とピッチ角の制御量を一定の間隔で検出する処理を開始している。運動制御系制御装置3aは、時刻「0秒」においてON状態になっており図7に示す処理を開始している。また、運動制御系制御装置3aに対して、図9(e)の符号71の破線で示す深度目標値が指定され、図9(f)の符号72の破線で示すピッチ角目標値が指定されている。
(Simulation results)
9 and 10 are graphs showing the results of a simulation performed using the control system 100a. In the graphs of FIG. 9 and FIG. 10, the horizontal axis indicates elapsed time in seconds, and the time at the left end of the horizontal axis is "0 seconds". In FIG. 9 and FIG. 10, the times indicated by the vertical dashed lines are the same, and this time is the time when the water volume control system control device 1a is turned on, that is, the time when the water volume control system control device 1a starts the process shown in FIG. 8. At time "0 seconds", the detection unit 5a starts the process of detecting the control amount of the depth and the pitch angle at regular intervals. The motion control system control device 3a is turned on at time "0 seconds" and starts the process shown in FIG. 7. In addition, the depth target value indicated by the dashed line of reference numeral 71 in FIG. 9(e) and the pitch angle target value indicated by the dashed line of reference numeral 72 in FIG. 9(f) are specified for the motion control system control device 3a.

なお、図9(c),(d)、(f)では、[rad]の単位で得られた値を[deg]の単位に換算して示している。また、図9(a),(b),(g),(h)のグラフにおいて[tonf(トン重:ton-force)]及び「tonf・m」の単位は、[N]、[N・m]の単位で得られた値を[tonf]、[tonf・m]の単位に換算して示している。 In Figures 9(c), (d), and (f), values obtained in units of [rad] are converted into units of [deg]. In addition, the units of [tonf (ton-force)] and "tonf・m" in the graphs of Figures 9(a), (b), (g), and (h) are values obtained in units of [N] and [N・m] converted into units of [tonf] and [tonf・m].

図10(a),(b),(c),(d),(e)のグラフは、それぞれタンク22-1,22-2,22-3,22-4,22-5内の水量を百分率で示したグラフであり、時刻「0秒」においてタンク22-1~22-5の各々は、同一の比率で水を貯留しているものとする。 The graphs in Figures 10(a), (b), (c), (d), and (e) show the amount of water in tanks 22-1, 22-2, 22-3, 22-4, and 22-5, respectively, as a percentage, and assume that at time "0 seconds" each of tanks 22-1 to 22-5 contains the same amount of water.

図9(a),(b)のグラフに示すように水中航走体6aに対して時刻0[秒]から少し経過した時刻において、一定の外乱力(F)と、一定の外乱モーメント(M)とが加えられ、これにより、水中航走体6aの重量のバランスが崩れることになる。運動制御系制御装置3aの深度FB制御部32-1及びピッチ角FB制御部32-2と、舵制御装置4aとによる制御により、図9(c),(d)のグラフに示すように深度調整舵角度と、ピッチ角調整舵の角度が変化する。図9(e),(f)のグラフは、それぞれ検出部5aが検出する水中航走体6aの深度とピッチ角の変化を示すグラフである。図9(e)のグラフに示されるように、外乱力(F)が加わることにより、水中航走体6aは沈むため深度が増加し、その後、深度FB制御部32-1による制御によって一定の深度が維持される。ただし、深度FB制御部32-1による制御では、図9(e)において符号71の破線で示す深度目標値には収束しない。これに対して、図9(f)のグラフに示されるように、外乱モーメント(M)が加わることにより、水中航走体6aはピッチ軸を中心に傾くためピッチ角が増加するが、その後、ピッチ角FB制御部32-2による制御によって、符号72の破線で示すピッチ角目標値に収束している。 As shown in the graphs of Figures 9(a) and (b), a certain disturbance force (F d ) and a certain disturbance moment (M d ) are applied to the underwater vehicle 6a a little after time 0 [seconds], which causes the weight balance of the underwater vehicle 6a to be lost. The depth adjustment rudder angle and the angle of the pitch angle adjustment rudder change as shown in the graphs of Figures 9(c) and (d) by the control by the depth FB control unit 32-1 and pitch angle FB control unit 32-2 of the motion control system control device 3a and the rudder control device 4a. The graphs of Figures 9(e) and (f) are graphs showing the change in the depth and pitch angle of the underwater vehicle 6a detected by the detection unit 5a, respectively. As shown in the graph of Figure 9(e), the application of the disturbance force (F d ) causes the underwater vehicle 6a to sink and increase in depth, and then a constant depth is maintained by the control by the depth FB control unit 32-1. However, the control by the depth feedback control unit 32-1 does not converge to the depth target value indicated by the dashed line 71 in Fig. 9(e). In contrast, as shown in the graph in Fig. 9(f), the application of the disturbance moment (M d ) causes the underwater vehicle 6a to tilt about the pitch axis, increasing the pitch angle, but then, the control by the pitch angle feedback control unit 32-2 converges to the pitch angle target value indicated by the dashed line 72.

縦方向の一点鎖線で示す時刻になり、水量制御系制御装置1aが、図8に示す処理を開始する。水量制御系制御装置1aにおいて、図9(g)のグラフにおいて符号73の破線で示す浮量目標値が指定され、図9(h)のグラフにおいて符号74の破線で示すトリム目標値が指定される。水量制御系制御装置1aによる制御が開始されることにより、調整量算出部13aが算出するタンク22-1~22-5の各々に対する調整量ΔV~ΔVにしたがって、図10のグラフに示すようにタンク22-1~22-5の各々の水量が徐々に減少し、オーバーシュートすることなく、タンク22-1~22-5の各々が貯留する水量が一定量に収束する。検出部5aが検出する水中航走体6aの深度は、図9(e)のグラフに示すように、縦方向の一点鎖線で示す時刻以降、乱れが生じることなく、符号71の破線で示す深度目標値に収束する。検出部5aが検出する水中航走体6aのピッチ角は、図9(f)のグラフに示すように、縦方向の一点鎖線で示す時刻以降、多少の乱れが生じるものの、最終的には、符号72の破線で示すピッチ角目標値に収束する。また、図9(c),(d)のグラフに示すように、縦方向の一点鎖線で示す時刻以降は、深度調整舵角及びピッチ角調整舵角は、舵の制御を行っていない中立の状態に収束する。また、図9(g),(h)のグラフに示すように、水中航走体6aの上下方向の浮量は、符号73の破線で示す浮量目標値に収束し、水中航走体6aのトリム制御モーメントも、符号74の破線で示すトリム目標値に収束する。 At the time indicated by the vertical dashed line, the water volume control system control device 1a starts the process shown in FIG. 8. In the water volume control system control device 1a, the float target value indicated by the dashed line 73 in the graph of FIG. 9(g) is specified, and the trim target value indicated by the dashed line 74 in the graph of FIG. 9(h) is specified. When the control by the water volume control system control device 1a is started, the water volume of each of the tanks 22-1 to 22-5 gradually decreases as shown in the graph of FIG. 10 according to the adjustment amounts ΔV 1 to ΔV 5 for each of the tanks 22-1 to 22-5 calculated by the adjustment amount calculation unit 13a, and the amount of water stored in each of the tanks 22-1 to 22-5 converges to a constant amount without overshooting. The depth of the underwater vehicle 6a detected by the detection unit 5a converges to the depth target value indicated by the dashed line 71 without any disturbance after the time indicated by the vertical dashed line, as shown in the graph of FIG. 9(e). As shown in the graph of Fig. 9(f), the pitch angle of the underwater vehicle 6a detected by the detector 5a is somewhat disturbed after the time indicated by the vertical dashed line, but ultimately converges to the pitch angle target value indicated by the dashed line indicated by reference numeral 72. As shown in the graphs of Fig. 9(c) and (d), after the time indicated by the vertical dashed line, the depth adjustment rudder angle and the pitch angle adjustment rudder angle converge to a neutral state in which the rudder is not controlled. As shown in the graphs of Fig. 9(g) and (h), the vertical buoyancy of the underwater vehicle 6a converges to the buoyancy target value indicated by the dashed line indicated by reference numeral 73, and the trim control moment of the underwater vehicle 6a also converges to the trim target value indicated by the dashed line indicated by reference numeral 74.

上記した第2の実施形態の構成により、制御システム100aによって安定した自動制御、すなわち、アクチュエータ21の能力制約によって生じる応答遅れを補償し、水量制御系の制御帯域と、既存の制御系である運動制御系との制御帯域との干渉を抑え、浮量目標値及びトリム目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンク22-1~22-5の各々に対する最適な水量の調整量を算定してタンク22-1~22-5に対して移水や注排水を行うことが可能になる。言い換えると、アクチュエータ21の能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体6aの制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることが可能になる。 The configuration of the second embodiment described above allows the control system 100a to perform stable automatic control, i.e., to compensate for response delays caused by the capacity constraints of the actuator 21, to suppress interference between the control bandwidth of the water volume control system and the control bandwidth of the motion control system, which is an existing control system, to calculate the optimal water volume adjustment amount for each of the multiple tanks 22-1 to 22-5 so that the entire control system including the motion control system converges in parallel toward the buoyancy target value and the trim target value, and to transfer water to and fill/drain the tanks 22-1 to 22-5. In other words, it becomes possible to optimize the water volume of the multiple tanks so that the control system of the underwater vehicle 6a converges to the target value while taking into account the capacity constraints of the actuator 21 and coordinating with the existing control system.

なお、上記の第1の実施形態の制御システム100における水量制御系目標値、及び運動制御系目標値、並びに第2の実施形態の制御システム100aにおける浮量目標値、トリム目標値、深度目標値、及びピッチ角目標値は、水量制御系制御装置1,1a及び運動制御系制御装置3,3aの内部の記憶領域に予め書き込まれる値であってもよいし、陸上に設置した設定装置を利用者が操作して、音響通信や有線ケーブルを介した通信により制御システム100,100aに対してこれらの目標値を伝達するようにしてもよい。また、制御システム100aにおける水量制御系制御装置1a、及び運動制御系制御装置3aのON/OFF状態についても、同様に、陸上に設置した設定装置を利用者が操作して、音響通信や有線ケーブルを介した通信によりON/OFF状態を切り替えるようにしてもよい。 The water volume control system target value and motion control system target value in the control system 100 of the first embodiment, and the floatation target value, trim target value, depth target value, and pitch angle target value in the control system 100a of the second embodiment may be values that are written in advance in the internal memory areas of the water volume control system control devices 1, 1a and the motion control system control devices 3, 3a, or the user may operate a setting device installed on land to transmit these target values to the control systems 100, 100a by acoustic communication or communication via a wired cable. Similarly, the ON/OFF state of the water volume control system control device 1a and the motion control system control device 3a in the control system 100a may be switched ON/OFF by operating a setting device installed on land by acoustic communication or communication via a wired cable.

上記の第1及び第2の実施形態において、水中航走体6,6aは、例えば、水中無人機であるとしているが、人が乗船する有人の水中機であってもよい。有人である場合、水中航走体6,6aに乗船している人が、水量制御系目標値、及び運動制御系目標値、並びに浮量目標値、トリム目標値、深度目標値、及びピッチ角目標値を指定し、また、水量制御系制御装置1a、及び運動制御系制御装置3aのON/OFF状態を切り替えるようにしてもよい。また、人が乗船している場合には、内部における人の移動により、水中航走体6,6aの重量バランスが変わることがある。人の移動による水中航走体6,6aの重量バランスが変化することを考慮する場合、重量バランスが変化することによって生じる力及びモーメントは、外乱力及び外乱モーメントとみなすことができるので、それぞれ「F」と「M」に加えられることになる。 In the above first and second embodiments, the underwater vehicle 6, 6a is, for example, an unmanned underwater vehicle, but may be a manned underwater vehicle on which a person is aboard. In the case where the person is aboard the underwater vehicle 6, 6a, the person on board may specify the water volume control system target value, the motion control system target value, the buoyancy target value, the trim target value, the depth target value, and the pitch angle target value, and may also switch the ON/OFF state of the water volume control system control device 1a and the motion control system control device 3a. In addition, when a person is aboard, the weight balance of the underwater vehicle 6, 6a may change due to the movement of the person inside. When considering the change in the weight balance of the underwater vehicle 6, 6a due to the movement of the person, the force and moment generated by the change in the weight balance can be regarded as a disturbance force and a disturbance moment, and are added to " Fd " and " Md ", respectively.

第2の実施形態の制御システム100aでは、運動制御系制御装置3aが算出する舵角指令値をフィードバック値として水量制御系制御装置1aにフィードバックする構成となっている。これに対して、第1の実施形態の制御システム100と同様に、制御システム100aにおいても、検出部5aが検出した深度の制御量をフィードバック値として演算部11-1にフィードバックし、検出部5aが検出したピッチ角の制御量をフィードバック値として演算部11-2にフィードバックするようにしてもよい。また、一般に、水中航走体6,6aでは、ピッチ角調整舵を備えているが、深度調整舵を備えていない場合もある。このような場合には、検出部5aが検出した深度の制御量をフィードバック値として演算部11-1にフィードバックし、ピッチ角FB制御部32-2が算出するピッチ角調整舵角指令値(δr)をフィードバック値として演算部11-2にフィードバックするという構成にしてもよい。 In the control system 100a of the second embodiment, the rudder angle command value calculated by the motion control system control device 3a is fed back to the water volume control system control device 1a as a feedback value. In contrast, as in the control system 100 of the first embodiment, the control system 100a may also feed back the depth control amount detected by the detection unit 5a to the calculation unit 11-1 as a feedback value, and feed back the pitch angle control amount detected by the detection unit 5a to the calculation unit 11-2 as a feedback value. In addition, generally, the underwater vehicle 6, 6a is equipped with a pitch angle adjustment rudder, but may not be equipped with a depth adjustment rudder. In such a case, the control amount of the depth detected by the detection unit 5a may be fed back to the calculation unit 11-1 as a feedback value, and the pitch angle adjustment rudder angle command value (δr) calculated by the pitch angle FB control unit 32-2 may be fed back to the calculation unit 11-2 as a feedback value.

この場合において、演算部11-1は、与えられるフィードバック値の単位と、浮量目標値の単位とが一致していない場合、与えられるフィードバック値を浮量目標値の単位に換算した上で、浮量目標値から換算後のフィードバック値を減算することになる。同様に、演算部11-2は、与えられるフィードバック値の単位と、トリム目標値の単位とが一致していない場合、与えられるフィードバック値をトリム目標値の単位に換算した上で、トリム目標値から換算後のフィードバック値を減算することになる。例えば、フィードバック値が深度の制御量である場合、深度の時系列の変化から水中航走体6aの上下方向に作用する力を推定することができる。演算部11-1は、検出部5aが出力する時系列上において連続した複数の深度の制御量を取り込み、取り込んだ複数の深度の制御量から推定力を算出することにより力の単位への換算を行うことができる。また、フィードバック値がピッチ角の制御量である場合、ピッチ角の時系列の変化から水中航走体6aのピッチ軸方向に作用するモーメントを推定することができる。演算部11-2は、検出部5aが出力する時系列上において連続した複数のピッチ角の制御料を取り込み、取り込んだ複数のピッチ角の制御量から推定モーメントを算出することによりモーメントの単位への換算を行うことができる。 In this case, if the unit of the given feedback value does not match the unit of the float target value, the calculation unit 11-1 converts the given feedback value into the unit of the float target value, and then subtracts the converted feedback value from the float target value. Similarly, if the unit of the given feedback value does not match the unit of the trim target value, the calculation unit 11-2 converts the given feedback value into the unit of the trim target value, and then subtracts the converted feedback value from the trim target value. For example, if the feedback value is a depth control amount, the force acting in the vertical direction of the underwater vehicle 6a can be estimated from the time series change in depth. The calculation unit 11-1 can convert to the unit of force by taking in multiple consecutive depth control amounts on the time series output by the detection unit 5a and calculating an estimated force from the taken in multiple depth control amounts. Also, if the feedback value is a pitch angle control amount, the moment acting in the pitch axis direction of the underwater vehicle 6a can be estimated from the time series change in pitch angle. The calculation unit 11-2 takes in multiple consecutive pitch angle control amounts on the time series output by the detection unit 5a, and converts them into units of moment by calculating an estimated moment from the control amounts of the multiple pitch angles taken in.

第2の実施形態の制御システム100aにおいて、フィードバック制御部12aは、浮量FB制御部12-1と、トリムFB制御部12-2という2つの機能部を備えているが、いずれか一方を備えるようにしてもよい。 In the control system 100a of the second embodiment, the feedback control unit 12a has two functional units, a floatation FB control unit 12-1 and a trim FB control unit 12-2, but it may have only one of them.

第2の実施形態の制御システム100aにおいて、フィードバック制御部12aは、更に、ロール角の制御指標に対応する機能部を備えてもよい。この場合、運動制御系制御装置3aも、ロール角の制御指標に対応する機能部を備え、当該機能部が出力する指令値をフィードバック値として、フィードバック制御部12aが備えるロール角の制御指標に対応する機能部にフィードバックするようにしてもよい。また、検出部5aが検出するロール角の制御量をフィードバック値として、フィードバック制御部12aが備えるロール角の制御指標に対応する機能部にフィードバックするようにしてもよい。 In the control system 100a of the second embodiment, the feedback control unit 12a may further include a functional unit corresponding to the control index of the roll angle. In this case, the motion control system control device 3a may also include a functional unit corresponding to the control index of the roll angle, and the command value output by the functional unit may be fed back as a feedback value to the functional unit corresponding to the control index of the roll angle provided in the feedback control unit 12a. In addition, the control amount of the roll angle detected by the detection unit 5a may be fed back as a feedback value to the functional unit corresponding to the control index of the roll angle provided in the feedback control unit 12a.

上記の第2の実施形態の制御システム100aにおいて、舵制御装置4aに替えて、深度とピッチ角を調整するスラスタを制御する制御装置を備えるようにしてもよい。この場合、深度FB制御部32-1は、深度を調整するスラスタに対する指令値を算出し、算出した指令値を、スラスタを制御する制御装置と、演算部11-1とに出力することになる。また、ピッチ角FB制御部32-2は、ピッチ角を調整するスラスタに対する指令値を算出し、算出した指令値を、スラスタを制御する制御装置と、演算部11-2とに出力することになる。また、制御システム100aは、舵制御装置4aを備えると共に、スラスタを制御する制御装置を備えるようにしてもよい。 In the control system 100a of the second embodiment described above, instead of the rudder control device 4a, a control device that controls a thruster that adjusts the depth and pitch angle may be provided. In this case, the depth feedback control unit 32-1 calculates a command value for the thruster that adjusts the depth, and outputs the calculated command value to the control device that controls the thruster and to the calculation unit 11-1. The pitch angle feedback control unit 32-2 calculates a command value for the thruster that adjusts the pitch angle, and outputs the calculated command value to the control device that controls the thruster and to the calculation unit 11-2. The control system 100a may also be provided with a control device that controls the thruster, in addition to the rudder control device 4a.

上記の第1の実施形態の図3において示した伝達要素62として、PID制御方式に替えて、I-PD制御、PI-PD制御などのフィードバック制御方式や、非線形補償や非干渉制御による安定化技術を組み合わせたフィードバック制御方式を適用するようにしてもよい。この場合、第1の実施形態のフィードバック制御部12、及び第2の実施形態の浮量FB制御部12-1及びトリムFB制御部12-2は、PID制御方式から置き替えられるフィードバック制御方式によるに対応する演算を行うことになる。 As the transfer element 62 shown in FIG. 3 of the first embodiment described above, a feedback control method such as I-PD control or PI-PD control, or a feedback control method combining stabilization techniques using nonlinear compensation and non-interference control may be applied instead of the PID control method. In this case, the feedback control unit 12 of the first embodiment, and the floatation amount FB control unit 12-1 and trim FB control unit 12-2 of the second embodiment will perform calculations corresponding to the feedback control method that replaces the PID control method.

上記の第1及び第2の実施形態の調整量算出部13,13aが実行する最適解を算出する演算式をラグランジュの未定乗数法により求めているが、ラグランジュの未定乗数法以外の最適化手法を適用して最適解を算出する演算式を求めるようにしてもよい。また、調整量算出部13,13aに適用される計算機の処理能力が高い場合、調整条件と、状態条件とを条件とする逐次最適化計算をすることにより、最適解を算出する演算式を求めることなく、直接、複数のタンク22-1~22-5の各々に対する最適な水量の調整量を算出する最適化手法を用いるようにしてもよい。 The calculation formula for calculating the optimal solution executed by the adjustment amount calculation unit 13, 13a in the first and second embodiments is calculated using Lagrange's undetermined multiplier method, but an optimization method other than Lagrange's undetermined multiplier method may be applied to calculate the calculation formula for the optimal solution. In addition, if the processing capacity of the computer applied to the adjustment amount calculation unit 13, 13a is high, an optimization method may be used to directly calculate the optimal water volume adjustment amount for each of the multiple tanks 22-1 to 22-5 by performing sequential optimization calculations based on the adjustment conditions and state conditions, without calculating a calculation formula for calculating the optimal solution.

図11は、一実施形態に係る水量制御系制御装置1,1a、及び運動制御系制御装置3,3aのハードウェア構成の一例を示す図である。コンピュータ90は、CPU91、主記憶装置92、補助記憶装置93、入出力インタフェース94、通信インタフェース95を備える。上述の水量制御系制御装置1,1a、及び運動制御系制御装置3,3aは、コンピュータ90に実装される。そして、上述した各機能は、プログラムの形式で補助記憶装置93に記憶されている。CPU91は、プログラムを補助記憶装置93から読み出して主記憶装置92に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU91は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置92に確保する。また、CPU91は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置93に確保する。 Figure 11 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the water volume control system control device 1, 1a and the motion control system control device 3, 3a according to one embodiment. The computer 90 includes a CPU 91, a main memory device 92, an auxiliary memory device 93, an input/output interface 94, and a communication interface 95. The water volume control system control device 1, 1a and the motion control system control device 3, 3a described above are implemented in the computer 90. The above-mentioned functions are stored in the auxiliary memory device 93 in the form of a program. The CPU 91 reads the program from the auxiliary memory device 93, expands it in the main memory device 92, and executes the above-mentioned processing according to the program. The CPU 91 also secures a memory area in the main memory device 92 according to the program. The CPU 91 also secures a memory area in the auxiliary memory device 93 for storing data being processed according to the program.

なお、水量制御系制御装置1,1a、及び運動制御系制御装置3,3aの全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各機能部による処理を行ってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、CD、DVD、USB等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ90に配信される場合、配信を受けたコンピュータ90が当該プログラムを主記憶装置92に展開し、上記処理を実行しても良い。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。 In addition, a program for realizing all or part of the functions of the water volume control system control device 1, 1a and the motion control system control device 3, 3a may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read into a computer system and executed to perform processing by each functional unit. The term "computer system" here includes hardware such as an OS and peripheral devices. In addition, if a WWW system is used, the term "computer system" also includes a homepage providing environment (or display environment). In addition, the term "computer-readable recording medium" refers to portable media such as CDs, DVDs, and USBs, and storage devices such as hard disks built into a computer system. In addition, if this program is distributed to a computer 90 via a communication line, the computer 90 that receives the program may expand the program into the main storage device 92 and execute the above processing. In addition, the above program may be for realizing part of the above-mentioned functions, and may further be capable of realizing the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system.

以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、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を意図していない。これらの実施形態は、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。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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。 As described above, several embodiments of the present disclosure have been described, but all of these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope of the invention and its equivalents as described in the claims, as well as in the scope and gist of the invention.

<付記>
上述の実施形態に記載の水量制御系制御装置1,1a、制御システム100,100a、水量制御方法、及びプログラムは、例えば、以下のように把握される。
<Additional Notes>
The water volume control device 1, 1a, the control system 100, 100a, the water volume control method, and the program described in the above-described embodiments can be understood, for example, as follows.

本開示の第1の態様によれば、水量制御系制御装置1、1aは、水中航走体6,6aの運動を制御する運動制御装置4(舵制御装置4a)と、運動制御系目標値及び前記水中航走体6,6aから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置4(舵制御装置4a)に対する指令値を算出する運動制御系制御装置3,3aと、複数のタンク22-1~22-5と、前記タンク22-1~22-5の各々の水量を調整するアクチュエータ21とを有する前記水中航走体6,6aの前記タンク22-1~22-5の各々の水量を増減させる制御を行う水量制御系制御装置1、1aであって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ21の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置3,3aの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部12,12aと、前記フィードバック制御部12,12aが算出する前記指令値を入力とし、複数の前記タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件と、前記水中航走体6,6aの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク22-1~22-5の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部13,13aと、を備える。 According to a first aspect of the present disclosure, the water volume control system control device 1, 1a is a water volume control system control device 1, 1a that controls the amount of water in each of the tanks 22-1 to 22-5 of the underwater vehicle 6, 6a, which has a motion control device 4 (rudder control device 4a) that controls the motion of the underwater vehicle 6, 6a, a motion control system control device 3, 3a that calculates a command value for the motion control device 4 (rudder control device 4a) based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle 6, 6a, and a plurality of tanks 22-1 to 22-5 and an actuator 21 that adjusts the amount of water in each of the tanks 22-1 to 22-5, and the water volume control system control device 1, 1a controls the amount of water in each of the tanks 22-1 to 22-5 of the underwater vehicle 6, 6a, based on a water volume control system target value and a feed The feedback control unit 12, 12a receives the back value and calculates a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that compensates for the response delay of the actuator 21 and suppresses interference with the control band of the motion control system control device 3, 3a, and an adjustment amount calculation unit 13, 13a receives the command value calculated by the feedback control unit 12, 12a as input and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks 22-1 to 22-5 by an optimization method that uses adjustment conditions related to the water volume of the multiple tanks 22-1 to 22-5 and state conditions indicating the state of the underwater vehicle 6, 6a as conditions.

本開示の第2の態様によれば、第1の態様に係る水量制御系制御装置1,1aにおいて、前記フィードバック制御方式による演算は、PID制御方式による演算であり、前記アクチュエータ21の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置3,3aの制御帯域との干渉を抑えるように前記PID制御方式のパラメータが定められる。 According to the second aspect of the present disclosure, in the water volume control system control device 1, 1a according to the first aspect, the calculation using the feedback control method is a calculation using a PID control method, and the parameters of the PID control method are determined so as to compensate for the response delay of the actuator 21 and suppress interference with the control band of the motion control system control device 3, 3a.

本開示の第3の態様によれば、第1または第2の態様に係る水量制御系制御装置1,1aにおいて、前記最適化手法は、前記調整条件を目的関数とし、前記状態条件を拘束条件としてラグランジュの未定乗数法により求められる最適解を算出する演算式を用いる最適化手法である。 According to a third aspect of the present disclosure, in the water volume control system control device 1, 1a according to the first or second aspect, the optimization method is an optimization method that uses an arithmetic formula that calculates an optimal solution obtained by the Lagrange method of undetermined multipliers with the adjustment conditions as objective functions and the state conditions as constraint conditions.

本開示の第4の態様によれば、第1から第3の態様に係るいずれか1つの水量制御系制御装置1,1aにおいて、前記フィードバック値は、前記制御量、及び前記運動制御系制御装置3,3aが算出する前記指令値のいずれか一方である。 According to the fourth aspect of the present disclosure, in any one of the water volume control system control devices 1, 1a according to the first to third aspects, the feedback value is either the controlled variable or the command value calculated by the motion control system control device 3, 3a.

本開示の第5の態様によれば、第1から第4の態様に係るいずれか1つの水量制御系制御装置1,1aは、前記調整量算出部13,13aが算出する前記調整量と、予め定められる変換ルールデータとに基づいて、前記アクチュエータ21に対する制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アクチュエータ21に出力するアクチュエータ制御部14を備える。 According to a fifth aspect of the present disclosure, any one of the water volume control system control devices 1, 1a according to the first to fourth aspects includes an actuator control unit 14 that generates a control signal for the actuator 21 based on the adjustment amount calculated by the adjustment amount calculation unit 13, 13a and predetermined conversion rule data, and outputs the generated control signal to the actuator 21.

本開示の第6の態様によれば、第1から第5の態様に係るいずれか1つの水量制御系制御装置1,1aにおいて、前記運動制御装置4は、前記水中航走体6,6aの舵、及び前記水中航走体6,6aのスラスタのいずれか一方を制御するか、または、両方を制御する。 According to a sixth aspect of the present disclosure, in any one of the water volume control system control devices 1, 1a according to the first to fifth aspects, the motion control device 4 controls either the rudder of the underwater vehicle 6, 6a or the thruster of the underwater vehicle 6, 6a, or controls both.

本開示の第7の態様によれば、第1から第6の態様に係るいずれか1つの水量制御系制御装置1,1aにおいて、前記制御量には、前記水中航走体6,6aの深度、ピッチ角、及びロール角の中の少なくとも1つの制御指標に関する制御量が含まれており、前記水量制御系目標値には、前記制御量に含まれる制御指標のいずれかに対応する目標値が含まれており、前記フィードバック制御部12,12aは、前記水量制御系目標値に含まれる前記目標値の各々と、各々の前記制御指標に対応する前記フィードバック値とを入力とし、前記フィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に含まれる前記目標値の各々に対する指令値を算出し、前記調整量算出部13,13aは、前記フィードバック制御部12,12aが前記水量制御系目標値に含まれる前記目標値の各々に対して算出する前記指令値を入力とし、前記最適化手法により複数の前記タンク22-1~22-5の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する。 According to a seventh aspect of the present disclosure, in any one of the water volume control system control devices 1, 1a according to the first to sixth aspects, the control amount includes a control amount related to at least one control index among the depth, pitch angle, and roll angle of the underwater vehicle 6, 6a, the water volume control system target value includes a target value corresponding to one of the control indexes included in the control amount, the feedback control unit 12, 12a receives as input each of the target values included in the water volume control system target value and the feedback value corresponding to each of the control indexes, and calculates a command value for each of the target values included in the water volume control system target value by calculation using the feedback control method, and the adjustment amount calculation unit 13, 13a receives as input the command value calculated by the feedback control unit 12, 12a for each of the target values included in the water volume control system target value, and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the multiple tanks 22-1 to 22-5 by the optimization method.

本開示の第8の態様によれば、制御システム100,100aは、水中航走体6,6aの運動を制御する運動制御装置4(舵制御装置4a)と、運動制御系目標値及び前記水中航走体6,6aから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置4(舵制御装置4a)に対する指令値を算出する運動制御系制御装置3,3aと、前記水中航走体6,6aに備えられる複数のタンク22-1~22-5と、前記タンク22-1~22-5の各々の水量を調整するアクチュエータ21と、水量制御系制御装置1,1aと、を備える制御システム100,100aであって、前記水量制御系制御装置1,1aは、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ21の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置3,3aの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部12,12aと、前記フィードバック制御部12,12aが算出する前記指令値を入力とし、複数の前記タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件と、前記水中航走体6,6aの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク22-1~22-5の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部13,13aと、を備える。 According to an eighth aspect of the present disclosure, the control system 100, 100a includes a motion control device 4 (rudder control device 4a) that controls the motion of the underwater vehicle 6, 6a, a motion control system control device 3, 3a that calculates a command value for the motion control device 4 (rudder control device 4a) based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle 6, 6a, a plurality of tanks 22-1 to 22-5 provided on the underwater vehicle 6, 6a, an actuator 21 that adjusts the water volume of each of the tanks 22-1 to 22-5, and a water volume control system control device 1, 1a, and the water volume control system control device 1, 1a controls the water volume control system target value and The feedback control unit 12, 12a receives the feedback value as an input, and calculates a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that compensates for the response delay of the actuator 21 and suppresses interference with the control band of the motion control system control device 3, 3a; and an adjustment amount calculation unit 13, 13a receives the command value calculated by the feedback control unit 12, 12a as an input, and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks 22-1 to 22-5 by an optimization method that uses adjustment conditions related to the water volume of the multiple tanks 22-1 to 22-5 and state conditions indicating the state of the underwater vehicle 6, 6a as conditions.

本開示の第9の態様によれば、水量制御方法は、水中航走体6,6aの運動を制御する運動制御装置4(舵制御装置4a)と、運動制御系目標値及び前記水中航走体6,6aから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置4(舵制御装置4a)に対する指令値を算出する運動制御系制御装置3,3aと、複数のタンク22-1~22-5と、前記タンク22-1~22-5の各々の水量を調整するアクチュエータ21とを有する前記水中航走体6,6aにおける水量制御方法であって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ21の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置3,3aの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、算出した前記指令値を入力とし、複数の前記タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件と、前記水中航走体6,6aの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク22-1~22-5の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する。 According to a ninth aspect of the present disclosure, the water volume control method is a water volume control method for an underwater vehicle 6, 6a having a motion control device 4 (rudder control device 4a) that controls the motion of the underwater vehicle 6, 6a, a motion control system control device 3, 3a that calculates a command value for the motion control device 4 (rudder control device 4a) based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle 6, 6a, a plurality of tanks 22-1 to 22-5, and an actuator 21 that adjusts the water volume of each of the tanks 22-1 to 22-5, and the feedback value are input, a command value for the water volume control system target value is calculated by a calculation using a feedback control method that compensates for the response delay of the actuator 21 and suppresses interference with the control band of the motion control system control device 3, 3a, and the calculated command value is input, and an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks 22-1 to 22-5 is calculated using an optimization method that uses adjustment conditions related to the water volume of the multiple tanks 22-1 to 22-5 and state conditions indicating the state of the underwater vehicle 6, 6a as conditions.

本開示の第10の態様によれば、プログラムは、水中航走体6,6aの運動を制御する運動制御装置4(舵制御装置4a)と、運動制御系目標値及び前記水中航走体6,6aから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置4(舵制御装置4a)に対する指令値を算出する運動制御系制御装置3,3aと、複数のタンク22-1~22-5と、前記タンク22-1~22-5の各々の水量を調整するアクチュエータ21とを有する前記水中航走体6,6aが備えるコンピュータに、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ21の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置3,3aの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、算出した前記指令値を入力とし、複数の前記タンク22-1~22-5の水量に関する調整条件と、前記水中航走体6,6aの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク22-1~22-5の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、を実行させる。 According to a tenth aspect of the present disclosure, the program includes a motion control device 4 (rudder control device 4a) that controls the motion of the underwater vehicle 6, 6a, a motion control system control device 3, 3a that calculates a command value for the motion control device 4 (rudder control device 4a) based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle 6, 6a, a plurality of tanks 22-1 to 22-5, and an actuator 21 that adjusts the water volume of each of the tanks 22-1 to 22-5. The program includes a computer provided in the underwater vehicle 6, 6a that controls the motion of the underwater vehicle 6, 6a, the motion control system control device 3, 3a that calculates a command value for the motion control device 4 (rudder control device 4a) based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle 6, 6a, and the water volume control system target value and a feedback control system. The system executes a procedure of calculating a command value for the water volume control system target value by calculation using a feedback control method that uses the actuator 21 and the actuator 22-1 to compensate for the response delay of the actuator 21 and suppresses interference with the control band of the motion control system control device 3, 3a, and a procedure of calculating an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the tanks 22-1 to 22-5 by an optimization method that uses the calculated command value as input and has adjustment conditions related to the water volume of the tanks 22-1 to 22-5 and state conditions indicating the state of the underwater vehicle 6, 6a as conditions.

1…水量制御系制御装置、2…タンクシステム、3…運動制御系制御装置、4…運動制御装置、5…水中航走体、6…検出部、11…演算部、12…フィードバック制御部、13…調整量算出部、14…アクチュエータ制御部、21…アクチュエータ、22…タンク 1...Water volume control system control device, 2...Tank system, 3...Motion control system control device, 4...Motion control device, 5...Underwater vehicle, 6...Detection unit, 11...Calculation unit, 12...Feedback control unit, 13...Adjustment amount calculation unit, 14...Actuator control unit, 21...Actuator, 22...Tank

Claims (10)

水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体の前記タンクの各々の水量を増減させる制御を行う水量制御系制御装置であって、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、
前記フィードバック制御部が算出する前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、
を備える水量制御系制御装置。
a motion control device that controls the motion of an underwater vehicle; a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle; and a water volume control system control device that controls an amount of water to be increased or decreased in each of the tanks of the underwater vehicle, the water volume control system control device having a plurality of tanks and an actuator that adjusts the amount of water in each of the tanks,
a feedback control unit that receives a water volume control system target value and a feedback value, and calculates a command value for the water volume control system target value by a calculation using a feedback control method that compensates for a response delay of the actuator and suppresses interference with the control bandwidth of the motion control system control device;
an adjustment amount calculation unit that uses the command value calculated by the feedback control unit as an input and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the amount of water for each of the tanks by an optimization method using adjustment conditions related to the amounts of water in the multiple tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle as conditions;
A water volume control system control device comprising:
前記フィードバック制御方式による演算は、
PID制御方式による演算であり、
前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるように前記PID制御方式のパラメータが定められる、
請求項1に記載の水量制御系制御装置。
The calculation by the feedback control method is
This is a calculation using a PID control method.
The parameters of the PID control method are determined so as to compensate for the response delay of the actuator and suppress interference with the control bandwidth of the motion control system control device.
The water flow control system control device according to claim 1 .
前記最適化手法は、
前記調整条件を目的関数とし、前記状態条件を拘束条件としてラグランジュの未定乗数により求められる最適解を算出する演算式を用いる最適化手法である、
請求項1または請求項2に記載の水量制御系制御装置。
The optimization method includes:
an optimization method using an arithmetic expression for calculating an optimal solution obtained by Lagrange's undetermined multiplier with the adjustment condition as an objective function and the state condition as a constraint condition,
The water flow control system control device according to claim 1 or 2.
前記フィードバック値は、
前記制御量、及び前記運動制御系制御装置が算出する前記指令値のいずれか一方である、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の水量制御系制御装置。
The feedback value is
The control amount is either one of the command value calculated by the motion control system control device,
The water flow control system control device according to any one of claims 1 to 3.
前記調整量算出部が算出する前記調整量と、予め定められる変換ルールデータとに基づいて、前記アクチュエータに対する制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ制御部
を備える請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の水量制御系制御装置。
5. The water volume control system control device according to claim 1, further comprising: an actuator control unit that generates a control signal for the actuator based on the adjustment amount calculated by the adjustment amount calculation unit and predetermined conversion rule data, and outputs the generated control signal to the actuator.
前記運動制御装置は、
前記水中航走体の舵、及び前記水中航走体のスラスタのいずれか一方を制御するか、または、両方を制御する、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の水量制御系制御装置。
The motion control device includes:
Controlling either the rudder of the underwater vehicle or the thruster of the underwater vehicle, or controlling both.
The water flow control system control device according to any one of claims 1 to 5.
前記制御量には、前記水中航走体の深度、ピッチ角、及びロール角の中の少なくとも1つの制御指標に関する制御量が含まれており、
前記水量制御系目標値には、前記制御量に含まれる制御指標のいずれかに対応する目標値が含まれており、
前記フィードバック制御部は、
前記水量制御系目標値に含まれる前記目標値の各々と、各々の前記制御指標に対応する前記フィードバック値とを入力とし、前記フィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に含まれる前記目標値の各々に対する指令値を算出し、
前記調整量算出部は、
前記フィードバック制御部が前記水量制御系目標値に含まれる前記目標値の各々に対して算出する前記指令値を入力とし、前記最適化手法により複数の前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の水量制御系制御装置。
the control amount includes a control amount related to at least one control index among a depth, a pitch angle, and a roll angle of the underwater vehicle;
the water volume control system target value includes a target value corresponding to any one of the control indexes included in the controlled variable,
The feedback control unit is
each of the target values included in the water volume control system target values and the feedback values corresponding to each of the control indices are input, and a command value for each of the target values included in the water volume control system target values is calculated by the feedback control method;
The adjustment amount calculation unit
the feedback control unit receives as input the command values calculated for each of the target values included in the water volume control system target values, and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the water volume for each of the multiple tanks using the optimization method;
The water flow control system control device according to any one of claims 1 to 6.
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、
運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、
前記水中航走体に備えられる複数のタンクと、
前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータと
水量制御系制御装置と、を備える制御システムであって、
前記水量制御系制御装置は、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、
前記フィードバック制御部が算出する前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、
を備える制御システム。
a motion control device for controlling the motion of the underwater vehicle;
a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle;
A plurality of tanks provided on the underwater vehicle;
A control system including an actuator for adjusting the amount of water in each of the tanks and a water amount control device,
The water volume control system control device includes:
a feedback control unit that receives a water volume control system target value and a feedback value, and calculates a command value for the water volume control system target value by a calculation using a feedback control method that compensates for a response delay of the actuator and suppresses interference with the control band of the motion control system control device;
an adjustment amount calculation unit that uses the command value calculated by the feedback control unit as an input and calculates an adjustment amount indicating an increase or decrease in the amount of water for each of the tanks by an optimization method using adjustment conditions related to the amounts of water in the multiple tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle as conditions;
A control system comprising:
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体における水量制御方法であって、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、
算出した前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する、
水量制御方法。
1. A water volume control method for an underwater vehicle having a motion control device that controls motion of the underwater vehicle, a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle, a plurality of tanks, and an actuator that adjusts the water volume of each of the tanks, comprising:
a water volume control system target value and a feedback value are input, and a command value for the water volume control system target value is calculated by a feedback control method that compensates for a response delay of the actuator and suppresses interference with a control band of the motion control system control device;
calculating an adjustment amount indicating an increase or decrease in the amount of water for each of the tanks using an optimization method that uses the calculated command value as an input and has adjustment conditions related to the amount of water in the plurality of tanks and state conditions indicating the state of the underwater vehicle as conditions;
Water flow control method.
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体が備えるコンピュータに、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、
算出した前記指令値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、
を実行させるためのプログラム。
a computer provided on the underwater vehicle, the computer having a motion control device that controls the motion of the underwater vehicle, a motion control system control device that calculates a command value for the motion control device based on a motion control system target value and a control amount detected from the underwater vehicle, a plurality of tanks, and an actuator that adjusts the amount of water in each of the tanks;
a step of calculating a command value for the water volume control system target value by a calculation using a feedback control method that inputs a water volume control system target value and a feedback value, compensates for a response delay of the actuator, and suppresses interference with a control band of the motion control system control device;
a step of calculating an adjustment amount indicating an increase or decrease in the amount of water for each of the tanks by an optimization method using the calculated command value as an input and including an adjustment condition related to the amount of water in the plurality of tanks and a state condition indicating a state of the underwater vehicle;
A program for executing.
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