JPH0330557B2 - - Google Patents
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- JPH0330557B2 JPH0330557B2 JP58092088A JP9208883A JPH0330557B2 JP H0330557 B2 JPH0330557 B2 JP H0330557B2 JP 58092088 A JP58092088 A JP 58092088A JP 9208883 A JP9208883 A JP 9208883A JP H0330557 B2 JPH0330557 B2 JP H0330557B2
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- Japan
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- ship
- angle
- disturbance
- gain
- evaluation function
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は船舶の自動操舵装置に係り、詳しく
は、船舶が波・風などの外乱下で航行する際、そ
の推進エネルギの直進航行時の推進エネルギから
の増加率を評価関数とし、この評価関数値が最小
となるように操舵させ、動特性および外乱適応型
とした省エネルギ型の船舶の自動操舵装置に関す
るものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to an automatic steering system for ships, and more specifically, when a ship navigates under disturbances such as waves and wind, the propulsion energy is This invention relates to an energy-saving automatic steering system for a ship that uses the rate of increase from propulsion energy as an evaluation function, and steers the ship so that the evaluation function value becomes the minimum, and is adaptive to dynamic characteristics and disturbances.
従来の船舶の自動操舵装置は、周知の通り、設
定された方位に船舶を直進航行させること、すな
わち、方位偏差をできるだけ小さくすることにあ
る。このために、ジヤイロコンパスなどにより検
出された実方位と設定方位との差に、例えば、比
例、微分、積分などの演算を施して舵を取らせる
フイードバツク制御が行われている。さらに最近
においては、設定された方位に航行し、しかも、
省エネルギを目指すように制御している自動操舵
装置が出現している。そのような装置で制御を行
う際、ある評価関数を最小にするようにそのゲイ
ンを調整している。そして、現在までに提案され
かつ採用されている評価関数は、例えば
J1=λ1 2+λ2 2+λ3ψ〓2…… (1)
なお、2は舵角の自乗平均値、
2は方位角の自乗平均値、
ψ〓2は方位角速度の自乗平均値、
λ1,λ2,λ3は重み係数、
であつて、最適レギユレータ理論などを用いて最
適制御則を計算によつて求めている。
As is well known, a conventional automatic steering system for a ship is intended to cause a ship to sail straight ahead in a set direction, that is, to minimize deviation in direction as much as possible. For this purpose, feedback control is performed to steer the vehicle by performing calculations such as proportionality, differentiation, and integration on the difference between the actual orientation detected by a gyro compass and the set orientation. More recently, it has become possible to navigate in a set direction, and
Autopilot systems are emerging that control the vehicle in a way that aims to save energy. When performing control with such a device, its gain is adjusted to minimize a certain evaluation function. The evaluation functions that have been proposed and adopted so far are, for example, J 1 = λ 1 2 + λ 2 2 + λ 3 ψ〓 2 ... (1) where 2 is the root mean square value of the steering angle, and 2 is the azimuth. The root mean square value of the angle, ψ〓 2 is the root mean square value of the azimuthal angular velocity, λ 1 , λ 2 , λ 3 are weighting coefficients, and the optimal control law is obtained by calculation using optimal regulator theory, etc. There is.
このような制御において、航行中の船体の運動
状態を諸検出量より同定するものや、その状態に
よつて重み係数を可変にする方法などが採られて
いるが、いずれにしてもジヤイロコンパスで検出
された方位角に基づいて、上記評価関数値を最小
にするものである。このような評価関数J1は上述
したような自乗項のみで表わされており、後述す
る斜航角を加味する場合にも、斜航角を舵角と方
位角速度とを用いて近似的に求めている。このよ
うな評価関数が用いられているのは、それが自乗
項のみからなつていて、その値を最小にする制御
が、旧来から存在する近代制御理論を用いて極め
て容易に行い得ること、および、斜航角βを高精
度で検出するのが容易でないという理由に基づい
ている。 In this type of control, methods are used to identify the motion state of the ship during navigation from various detected quantities, or to vary the weighting coefficient depending on the state. The above-mentioned evaluation function value is minimized based on the azimuth angle detected in . Such an evaluation function J 1 is expressed only by the square term as described above, and even when taking into account the oblique angle described later, the oblique angle can be approximated using the rudder angle and the azimuthal velocity. I'm looking for it. Such an evaluation function is used because it consists only of square terms, and control to minimize its value can be performed extremely easily using modern control theory that has existed for a long time. This is based on the reason that it is not easy to detect the oblique angle β with high accuracy.
このような評価関数を用いた制御は、次のよう
な欠点がある。上述の評価関数J1それ自体を、で
きるだけ小さな操作量により、できるだけ小さい
偏差に留めようという意味、船舶の制御に適用し
て言い換えると、船舶が直進状態からずれたと
き、それを直進状態に戻すために、最小のJ1で戻
すことができるという意味しか持つていない。し
たがつて、後で詳しく述べるような外乱を受けて
航行する船舶における真の意味での省エネルギ機
能を有していない。すなわち、船体は舵を取つた
ときのみならず、外乱を横または斜めから受けた
ときも斜航するのであり、斜航角βを舵角δまた
は方位角速度ψのみで近似すると、操舵に無関係
な斜航が生じた場合、上記の近似は全く不合理と
なり、燃焼消費量が最小となる適切な操舵制御が
なされないことになる。
Control using such an evaluation function has the following drawbacks. The above-mentioned evaluation function J 1 itself means trying to keep the deviation as small as possible by using the smallest possible amount of operation.In other words, when applied to ship control, when a ship deviates from a straight-ahead state, it returns it to a straight-ahead state. Therefore, it only means that it can be returned with the minimum J 1 . Therefore, it does not have a true energy saving function for ships that navigate under disturbances as will be described in detail later. In other words, the ship sails diagonally not only when the helm is steered, but also when it is subjected to disturbances from the side or diagonally.If the slant angle β is approximated only by the rudder angle δ or the azimuth angular velocity ψ, then the ship will sail diagonally not only when the helm is steered, but also when it receives disturbances from the side or diagonally. If oblique sailing occurs, the above approximation becomes completely unreasonable, and appropriate steering control that minimizes combustion consumption will not be performed.
例えば、特開昭55−11968号公報に記載の船舶
運航制御方式においては、船体運動の独立な成分
である方位角ψと斜航角βを強引に従属とみな
し、方位角ψのみをフイードバツクし制御してい
る。すなわち、方位角ψと斜航角βの両者をフイ
ードバツクするようにはなつていない。したがつ
て、特開昭55−11968号公報の場合は動特性適応
型であるといえるが、外乱適応型とはなつていな
い。これは、制御則の導出が正しくないことに起
因している。 For example, in the ship operation control system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-11968, the azimuth angle ψ and the oblique angle β, which are independent components of the ship's motion, are forcibly considered to be dependent, and only the azimuth angle ψ is fed back. It's in control. In other words, it is not designed to feed back both the azimuth angle ψ and the oblique angle β. Therefore, although it can be said that the device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11968/1983 is of the dynamic characteristic adaptive type, it is not of the disturbance adaptive type. This is due to incorrect derivation of the control law.
本発明は上述の欠点を解消するためになされた
もので、その目的は、コントローラにより舵角を
調整し目標針路に船舶を航行させる場合、上述し
た外乱をも考慮し、航行中ある目標に向かう航程
において、燃料消費量を最小に維持する省エネル
ギ航行を可能にした船舶の自動操舵装置を提供す
ることである。 The present invention has been made in order to eliminate the above-mentioned drawbacks, and its purpose is to take into account the above-mentioned disturbances when the controller adjusts the rudder angle and navigates the ship toward a target course. An object of the present invention is to provide an automatic steering system for a ship that enables energy-saving navigation that keeps fuel consumption to a minimum during a voyage.
すなわち、正しい状態変数(互いに独立な方位
角ψと斜航角β)を採用し、正しい評価関数J2
(正定でない被積分関数)を用い、不規則な外乱
を現実に則したものとして処理する。そして、正
しい最適制御を採り、外乱の変化に応じて最適化
できるようになつている動特性および外乱適応型
である真の意味の省エネルギを図るものである。 That is, by adopting the correct state variables (mutually independent azimuth angle ψ and oblique angle β), the correct evaluation function J 2
(non-positive definite integrand) is used to process irregular disturbances as if they were based on reality. Furthermore, it is intended to realize energy saving in the true sense of the word by employing correct optimal control and dynamic characteristics that can be optimized according to changes in disturbance, and by being a disturbance adaptive type.
ここで、上記した状態変数について、以下に説
明を加える。船体運動は方位角ψと斜航角(横流
れ角)βで表される。これらは、波、風などの不
規則な外乱を受けることにより、また舵を取るこ
とにより生じる。 Here, the above-mentioned state variables will be explained below. The hull motion is expressed by the azimuth angle ψ and the drift angle (crossflow angle) β. These are caused by being exposed to irregular disturbances such as waves and wind, and by steering.
ψ=ψd+ψr β=βd+βr ψd,βdは外乱によるψ,β ψr,βrは舵によるψ,β (a) このψr,βrは入力である舵角δの出力である。 ψ=ψ d +ψ r β=β d +β r ψ d , β d is ψ due to disturbance, β ψ r , β r is ψ due to rudder, β (a) These ψ r and β r are the input rudder angle δ This is the output of
ψ〓r=F1δ βr=F2δ ψ〓r=d/dtψr(d/dtは時間微分) F1,F2はオペレータ (b) 近似的には、 βr=c1ψ〓r+c2δ c1,c2は定数 (c) と表せる。 ψ〓 r =F 1 δ β r =F 2 δ ψ〓 r = d/dtψ r (d/dt is time derivative) F 1 and F 2 are operators (b) Approximately, β r = c 1 ψ 〓 r + c 2 δ c 1 , c 2 can be expressed as a constant (c).
しかし、ψd,βdは独立である。なぜなら、互い
に独立な旋回モーメントと横力を成分とする不規
則な外乱により生じるからである。 However, ψ d and β d are independent. This is because it is caused by irregular disturbances whose components are mutually independent turning moment and lateral force.
ψd,βdが独立ならば、ψ,βは独立である。し
たがつて、ψ,β,δから構成される評価関数
(評価基準)を最小にするδを求めるには、ψだ
けでなくβもフイードバツクしなければならな
い。 If ψ d and β d are independent, ψ and β are independent. Therefore, in order to find δ that minimizes the evaluation function (evaluation criterion) composed of ψ, β, and δ, it is necessary to feedback not only ψ but also β.
しかし、上記の特開昭55−11968号公報におい
ては、
β=c1ψ〓+c2δ
c1,c2は定数 (d)
としており、ψのみをフイードバツクしている。
上記した理由により、式(d)は正しくないのであ
る。 However, in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-11968, β=c 1 ψ〓+c 2 δ c 1 and c 2 are constants (d), and only ψ is fed back.
For the reasons mentioned above, formula (d) is incorrect.
なお、本発明においては、省エネルギを可能に
する新しい評価関数を見出すと共に、斜航角の検
出を精度よく行うことができるようになつたの
で、実現できたものであるが、後者に関しては本
発明の要旨とするところでないので説明を省く。
なお、前者の新しい評価関数の詳細については後
述するが、概略は以下の通りである。従来の評価
関数J1は前述したように方位角を小さくすること
を目的としているが、船舶がある目標までたとえ
方位角が大きい状態で航行しても、燃料消費量が
最小になれば何ら差し支えない。本発明は、それ
に採用される評価関数を最小にすることによつ
て、推進エネルギの増加を最小に留めることがで
きるという知見に基づくものである。 In addition, in the present invention, we were able to realize this because we found a new evaluation function that enables energy saving and also became able to accurately detect the oblique angle, but the latter is beyond the scope of this paper. Since this is not the gist of the invention, the explanation will be omitted.
The details of the former new evaluation function will be described later, but the outline is as follows. As mentioned above, the conventional evaluation function J1 aims to reduce the azimuth angle, but even if a ship navigates to a certain target with a large azimuth angle, there is no problem as long as fuel consumption is minimized. do not have. The present invention is based on the finding that the increase in propulsion energy can be kept to a minimum by minimizing the evaluation function employed therein.
なお、評価関数の被積分関数は、ψ,ψ〓,β,
δの関数であり、正定ではない(ψ〓=d/dtψ)。特
開昭55−11968号公報では、一般形としてはψ,
ψ,β,δの関数〔該公報の式(8)′〕として表現
されているが、使つているのは、ψ,ψ〓,δの関
数であり〔該公報の式(8)〕、これは正定である。 Note that the integrand of the evaluation function is ψ, ψ〓, β,
It is a function of δ and is not positive definite (ψ〓=d/dtψ). In JP-A-55-11968, the general form is ψ,
Although it is expressed as a function of ψ, β, δ [Equation (8)′ in the publication], what is used is a function of ψ, ψ〓, δ [Equation (8) in the publication], This is positive definite.
ちなみに、不規則な外乱は有色雑音である。し
かし、特開昭55−11968号公報では、最適制御則
の導出過程から推して、白色雑音としている。ま
た、最適制御則について、特開昭55−11968号公
報では、評価関数の被積分関数が正定であり、外
乱を白色雑音であるとして最適レギユレータ理論
を適用している。これは当を得ていない。 By the way, irregular disturbances are colored noise. However, in Japanese Patent Application Laid-open No. 11968/1983, white noise is assumed based on the process of deriving the optimal control law. Regarding the optimal control law, Japanese Patent Laid-Open No. 11968/1983 applies the optimal regulator theory assuming that the integrand of the evaluation function is positive definite and that the disturbance is white noise. This is not true.
本発明は、コントローラ4により舵角を調整し
目標針路に船舶を航行させる場合、航行中のある
状態における船体2の斜航角を加味して波・風な
どによる外乱の強さを推定し、この外乱の強さか
ら燃料消費量に関する評価関数値を最小とすると
きのコントローラ4のゲインを推定し、このゲイ
ンを有するコントローラ4により、船舶を目標に
向かつて航行させる自動操舵装置としたことであ
る。そして、動特性適応型とするための動特性演
算手段、外乱適応型とするための外乱演算手段、
正しい最適ゲインを求めるためのゲイン出力手段
とを有し、システムを正しく表現するため、状態
変数として独立な方位角ψと斜航角βを用いてい
おり、真の意味の省エネルギを実現する。
The present invention estimates the strength of disturbances caused by waves, wind, etc. by taking into account the oblique angle of the hull 2 in a certain state during navigation, when adjusting the rudder angle using the controller 4 and navigating the ship along the target course. The gain of the controller 4 when minimizing the evaluation function value regarding fuel consumption is estimated from the strength of this disturbance, and the controller 4 having this gain is used as an automatic steering device to navigate the ship toward the target. be. and a dynamic characteristic calculating means for making the dynamic characteristic adaptive type, a disturbance calculating means for making the disturbance adaptive type,
It has a gain output means for determining the correct optimum gain, and uses independent azimuth angle ψ and oblique angle β as state variables in order to correctly represent the system, realizing energy saving in the true sense.
本発明の船舶の自動操舵装置の特徴とするとこ
ろは、第1図を参照して、航行中に検出された舵
角δ、方位角ψ、斜航角βからそのときの船体の
動特性を推定する動特性演算手段5と、検出され
た方位角ψ、斜航角βから外乱の強さを推定する
外乱演算手段6と、この外乱演算手段6および動
特性演算手段5から出力される外乱の強さと船体
2の動特性を用いてコントローラ4で制御される
船舶の航行状態をシミユレーシヨンする航行シミ
ユレーシヨン部10とを設けている。そして、こ
の航行シミユレーシヨン部10から出力される舵
角δ、方位角ψ、方位角速度ψ〓、斜航角βに基づ
いて評価関数値を計算する評価関数演算部11
と、この評価関数値が最小となる航行シミユレー
シヨン部10のコントローラ13のゲインを探索
する最適利得探索部12とを有すると共に、コン
トローラ4にその最適ゲインを出力するゲイン出
力手段7とを具備している。 The feature of the automatic ship steering system of the present invention is that, with reference to FIG. A dynamic characteristic calculating means 5 for estimating, a disturbance calculating means 6 for estimating the strength of the disturbance from the detected azimuth ψ and oblique angle β, and a disturbance output from the disturbance calculating means 6 and the dynamic characteristic calculating means 5. A sailing simulation section 10 is provided which simulates the sailing state of a ship controlled by the controller 4 using the strength of the ship and the dynamic characteristics of the ship's body 2. An evaluation function calculation unit 11 calculates an evaluation function value based on the rudder angle δ, azimuth angle ψ, azimuth angular velocity ψ〓, and oblique angle β output from the navigation simulation unit 10.
and an optimal gain search unit 12 that searches for the gain of the controller 13 of the navigation simulation unit 10 that minimizes this evaluation function value, and a gain output means 7 that outputs the optimal gain to the controller 4. There is.
本発明によれば、コントローラにより舵角を調
整し目標針路に船舶を航行させる場合、設定され
た船速における航行中船体に作用する外乱をも考
慮し、そのような外乱や船体の状態が維持される
限り、燃料消費量を最小に維持して船舶の真の省
エネルギ航行を行わせることができる。したがつ
て、外乱などに変化があれば、その都度、それに
応じた省エネルギ航行が行われ、最終目的地まで
の一航海を通じて、最も少ない燃料消費量でもつ
て船舶を航行させることができる。すなわち、動
特性の変化に応じて最適化できるだけでなく、
波、風などの不規則な外乱の変化に応じて最適化
でき、真の意味の省エネルギが実現される。
According to the present invention, when the controller adjusts the rudder angle and navigates the ship along the target course, disturbances that act on the ship while sailing at a set ship speed are taken into consideration, and such disturbances and the state of the ship are maintained. As long as fuel consumption is kept to a minimum, true energy saving operation of the vessel can be achieved. Therefore, whenever there is a change in external disturbances, energy-saving navigation is performed in accordance with the change, and the ship can be operated with the lowest fuel consumption throughout the entire voyage to the final destination. In other words, it is not only possible to optimize according to changes in dynamic characteristics;
It can be optimized in response to changes in irregular disturbances such as waves and wind, achieving true energy savings.
以下、本発明をその実施例に基づいて詳細に説
明する。
Hereinafter, the present invention will be explained in detail based on examples thereof.
第1図は本発明の実施例である船舶の自動操舵
装置1の全体系統図である。これは、船体2の舵
3に舵角を指令するコントローラ4と、船体2の
動特性を表わす運動微係数を推定する動特性演算
手段5と、外乱の強さを推定する外乱演算手段6
と、最適ゲインを出力するゲイン出力手段7と
を、その主たる構成としている。 FIG. 1 is an overall system diagram of a ship automatic steering system 1 according to an embodiment of the present invention. This includes a controller 4 that commands the rudder angle to the rudder 3 of the hull 2, a dynamic characteristic calculation means 5 that estimates a motion differential coefficient representing the dynamic characteristics of the hull 2, and a disturbance calculation means 6 that estimates the strength of the disturbance.
Its main components are: and a gain output means 7 for outputting an optimum gain.
詳述すると、前記動特性演算手段5は、船舶が
航行中のある状態下で船速を変更した時などから
ある一定の時間間隔で検出された舵角δ、方位角
ψ、斜航角βと、方位角ψより求められた方位角
速度ψ〓とから、そのときの船体2の船速、積荷や
燃料残存状態により定まる動特性を推定するもの
で、船体2の運動方程式に上記値を与えることに
より、その時点における運動微係数を演算し、こ
の係数をゲイン出力手段7の後述する航行シミユ
レーシヨン部10に出力するものである。 More specifically, the dynamic characteristic calculating means 5 calculates the rudder angle δ, azimuth angle ψ, and oblique angle β detected at certain time intervals from when the ship changes speed under certain conditions while the ship is sailing. and the azimuth angular velocity ψ〓 obtained from the azimuth angle ψ, the dynamic characteristics determined by the ship speed, cargo, and remaining fuel status of the hull 2 at that time are estimated, and the above values are given to the equation of motion of the hull 2. By doing so, a motion differential coefficient at that point in time is calculated, and this coefficient is outputted to a navigation simulation section 10 of the gain output means 7, which will be described later.
前記外乱演算手段6は、上述と同様の方位角ψ
と斜航角βおよび求められた方位角速度ψ〓とか
ら、そのときの波・風などによる外乱の強さを演
算し、その外乱の強さを航行シミユレーシヨン部
10に出力するものである。なお、この外乱の強
さとは、波・風により船体2に生じる旋回モーメ
ントと横力(サイドフオース)などであり、これ
らを周波数領域でスペクトル処理するものであつ
ても、また、時間領域で処理するものであつても
よいが、図は前者によるものを示している。この
場合、船体運動スペクトル密度計算部8と外乱ス
ペクトル密度計算部9が設けられ、前者において
は、方位角ψ、斜航角β、方位角速度ψ〓より、周
波数領域でそれぞれの運動スペクトル密度が計算
され、これらのスペクトル密度を受けて、後者で
は周波数領域で外乱スペクトル密度が計算される
ようになつている。そして、これらの外乱スペク
トル密度が航行シミユレーシヨン部10に出力さ
れ、前述した運動微係数と共に幾種類もの仮想操
舵における航行状態のシミユレーシヨンに供され
る。 The disturbance calculation means 6 calculates the azimuth angle ψ similar to that described above.
The strength of the disturbance caused by waves, wind, etc. at that time is calculated from the oblique angle β and the obtained azimuth angular velocity ψ〓, and the strength of the disturbance is output to the navigation simulation section 10. Note that the strength of this disturbance is the turning moment and side force generated on the hull 2 by waves and wind, and even if these are subjected to spectrum processing in the frequency domain, they are also processed in the time domain. However, the figure shows the former. In this case, a hull motion spectral density calculation section 8 and a disturbance spectral density calculation section 9 are provided, and the former calculates each motion spectral density in the frequency domain from the azimuth angle ψ, oblique angle β, and azimuth angular velocity ψ〓. Based on these spectral densities, the latter calculates the disturbance spectral density in the frequency domain. These disturbance spectral densities are then output to the navigation simulation section 10, and used together with the above-mentioned motion differential coefficients to simulate navigation conditions in various types of virtual steering.
前記ゲイン出力手段7は、航行状態をシミユレ
ーシヨンする航行シミユレーシヨン部10と、評
価関数演算部11と、最適利得探索部12とを有
し、コントローラ4にその最適ゲインを出力する
ものである。その航行シミユレーシヨン部10
は、数学モデルのコントローラ13、舵14、船
体15とを用いて演算するものであつて、前述し
た船体2の運動微係数と外乱スペクトル密度を用
いて、コントローラ13による幾種類もの舵角調
整信号、すなわち、角ゲインにおける異なる値で
もつてそれぞれに対応する幾通りものシミユレー
シヨンを行うものである。そして、この各シミユ
レーシヨンにおける舵角δs、方位角ψs、斜航角βs
および方位角ψsより求められる方位角速度ψ〓s、ま
たは、それぞれのスペクトル密度および相互スペ
クトル密度を評価関数演算部11に出力する。 The gain output means 7 includes a navigation simulation section 10 for simulating navigation conditions, an evaluation function calculation section 11, and an optimum gain search section 12, and outputs the optimum gain to the controller 4. The navigation simulation part 10
is calculated using a mathematical model of the controller 13, the rudder 14, and the hull 15, and uses the motion differential coefficient of the hull 2 and the disturbance spectrum density described above to calculate various types of rudder angle adjustment signals by the controller 13. That is, a number of simulations are performed for different values of the angular gain. Then, in each simulation, the rudder angle δ s , azimuth angle ψ s , and oblique angle β s
and the azimuth angular velocity ψ〓 s determined from the azimuth angle ψ s , or the respective spectral densities and mutual spectral densities are output to the evaluation function calculation unit 11 .
ここで、本発明で採用される新しい評価関数に
ついて説明する。新しい評価関数J2は、外乱によ
る斜航角を加味した推進エネルギの増加率を示す
下記の式(6)で与えられるものである。この評価関
数J2は次のような論理により導かれる。 Here, a new evaluation function employed in the present invention will be explained. The new evaluation function J 2 is given by the following equation (6), which indicates the rate of increase in propulsion energy taking into account the oblique angle due to disturbance. This evaluation function J 2 is derived from the following logic.
第2図に示すように船体2の座標原点をその重
心Gに採ると、外乱下で蛇行したり針路からのず
れを起こしながら一航海を行うに必要な推進エネ
ルギEは、
E=∫〓0Tudt…… (2)
と表わされる。なお、Tは推力、uは船体2の前
進方向速度すなわち船速Uの斜航角β余弦、τは
一航海に要する時間である。ところで、船舶が舵
を取らずに直進した場合の推進エネルギE0は、
E0=∫〓0 0T0u0dt……(3)
と表わせ、船体2が蛇行や斜航することなく、舵
角を零に保つたまゝ船首方向に理想的に航行する
場合の推進エネルギである。なお、τ0は一般にτ
より小さい。これらの式(2)および(3)から推進エネ
ルギの増加率J2は、
J2=(E−E0)/E0…… (4)
と表わされ、自動操舵により波・風・潮流などの
外乱下を航行するときに必要な推進エネルギと、
平水状態を直進するときに要するそれと比較した
場合の増加率である。この式(4)に船体2の前進方
向の運動方程式を考慮して整理すると、
J2=μ1(−)2+μ2(β+γψ〓)ψ〓
+μ3 2+μ4 2…… (5)
となる。こゝで、−の記号は時間平均値を表わし、
例えばδeについては、
2=(1/τ0)∫〓0 0δ2 edτ
と表わされるものである。なお、μ1,μ2,μ3,μ4
は定数、γは距離を表わす定数である。また、δe
は有効舵角であり、a,bを定数としてδe=δ−
aβ−bψ〓と表わすことができる。加えて、上記式
(5)の各項の物理的意味は次の通りである。第1項
の(−)2は、船舶が蛇行することによつて航
路が直進時より長くなることによる推進エネルギ
の損失、第2項の(β+γψ〓)ψ〓は、船体が遠心力
すなわち慣性抵抗を受けることによつて生ずる推
進エネルギの損失、第3項の2は、船体が斜航す
ることによつて受ける抵抗による推進エネルギの
損失、第4項の2は、操舵操作による推進エネ
ルギの損失を表わしている。 As shown in Figure 2, if the coordinate origin of the hull 2 is set at its center of gravity G, the propulsion energy E required to make one voyage while meandering or deviating from the course under disturbance is E=∫〓 0 It is expressed as Tudt... (2). Note that T is the thrust, u is the forward speed of the hull 2, that is, the oblique angle β cosine of the ship speed U, and τ is the time required for one voyage. By the way, the propulsion energy E 0 when the ship moves straight without steering is expressed as E 0 =∫〓 0 0 T 0 u 0 dt...(3), and the ship 2 does not meander or sail diagonally, This is the propulsion energy when ideally sailing in the bow direction while keeping the rudder angle at zero. Note that τ 0 is generally τ
smaller. From these equations (2) and (3), the propulsion energy increase rate J 2 is expressed as J 2 = (E-E 0 )/E 0 ... (4). The propulsion energy required when navigating under disturbances such as
This is the rate of increase compared to that required when traveling straight on flat water. If we rearrange this equation (4) by considering the equation of motion of the hull 2 in the forward direction, we get J 2 = μ 1 (−) 2 + μ 2 (β + γψ〓) ψ〓 + μ 3 2 + μ 4 2 …… (5) Become. Here, the - symbol represents the time average value,
For example, δe is expressed as 2 = (1/τ 0 )∫〓 0 0 δ 2 e dτ. In addition, μ 1 , μ 2 , μ 3 , μ 4
is a constant, and γ is a constant representing distance. Also, δe
is the effective steering angle, and with a and b as constants, δe = δ−
It can be expressed as aβ−bψ〓. In addition, the above formula
The physical meaning of each term in (5) is as follows. The first term (-) 2 is the loss of propulsion energy due to the ship meandering, which makes the route longer than when the ship is going straight. Loss of propulsion energy due to resistance. Item 3.2 refers to the loss of propulsion energy due to resistance caused by the ship sailing diagonally. Item 4.2 refers to the loss of propulsion energy due to steering operation. represents loss.
上記の式(5)をさらに整理すると、評価関数J2
は、次式で表わされる。 Further rearranging the above equation (5), the evaluation function J 2
is expressed by the following formula.
J2=λ1 2+λ2 2+λ3βψ〓+λ4ψ〓2
+λ5 2+λ6+λ7+λ8δψ〓……(6)
なお、δは舵角、βは斜航角、ψは方位角、ψ〓
は方位角速度、λ1〜λ8は定数である。 J 2 =λ 1 2 +λ 2 2 +λ 3 βψ〓+λ 4 ψ〓 2 +λ 5 2 +λ 6 +λ 7 +λ 8 δψ〓……(6) Note that δ is the rudder angle, β is the oblique angle, and ψ is the azimuth. angle, ψ〓
is the azimuthal velocity, and λ 1 to λ 8 are constants.
再び、前述したゲイン出力手段7の残りの構成
を述べる。最適利得探索部12は、前記評価関数
演算部11で演算される評価関数値を最小にする
ように、例えば、山登り法などの手法を用いてコ
ントローラ13のゲインを探索するもので、その
ゲインを最適ゲインとして船体2を操舵調整する
コントローラ4に出力するものである。なお、コ
ントローラ4へのゲイン入力のために、最適制御
ゲイン自動設定部16が必要に応じてゲイン出力
手段7の内部または外部に設けられる。 The remaining configuration of the gain output means 7 described above will be described again. The optimal gain search unit 12 searches for the gain of the controller 13 using a method such as the hill climbing method, for example, so as to minimize the evaluation function value calculated by the evaluation function calculation unit 11. This is output as the optimum gain to the controller 4 that adjusts the steering of the hull 2. Note that, for gain input to the controller 4, an automatic optimum control gain setting section 16 is provided inside or outside the gain output means 7 as necessary.
このような実施例によれば、次のようにして燃
料消費量が最小となるよう船舶を自動操舵させる
ことができる。 According to such an embodiment, the ship can be automatically steered so as to minimize fuel consumption in the following manner.
第1図において、まず、目標に向かう針路ψ0
がコントローラ4に入力される。いま、コントロ
ーラ4において例えばPID制御がなされるとする
と、そこに予め入力されているPIDの各ゲイン
Kp0,Ki0,Kd0により、舵3が舵角δ0となるよう
操舵指令がなされる。その結果、船体2は舵角δ0
にしたがつて目標針路ψ0を採つて航行する。と
ころが、このような航行中に波・風などの外乱が
船体2に作用すると、第2図に示すように船体2
が針路ψ0より方位角ψ外れた針路ψbを採つたり、
また、場合によつては横滑りを起こして左右方向
速度vが生じ、これによる斜航角βが発生したり
する。ところで、船体2に作用する外乱は急変す
ることもあるが、通常はある一定時間持続するの
で、その外乱が持続する間における航行中設定さ
れている船速Uの下で、ある目標に向かう間の燃
料消費量を最小にする必要がある。そのための操
舵量を計算するために、上記方位角ψと斜航角β
が図示しない計測機器により検出され、その検出
量と前記舵角δ0が動特性演算手段5に入力され
る。なお、船体2のそのときの動特性は前述した
ように、船速、重心位置などにより異なるので、
航行中に異なつた船速を設定したり、排水量や重
心位置が異なる事情が生じたときなどは、その都
度上述の検出が行われてその状態における動特性
が演算される。 In Figure 1, first, the course ψ 0 toward the target
is input to the controller 4. Now, for example, if PID control is performed in the controller 4, each gain of the PID input in advance
A steering command is issued using Kp 0 , Ki 0 , and Kd 0 so that the rudder 3 has a steering angle δ 0 . As a result, the hull 2 has a rudder angle δ 0
Accordingly, the ship takes the target course ψ 0 and navigates. However, if disturbances such as waves and wind act on the hull 2 during such navigation, the hull 2 will be damaged as shown in Figure 2.
takes a course ψb that deviates from the course ψ 0 by an azimuth ψ,
Further, in some cases, sideslip may occur, resulting in a left-right velocity v, resulting in a slanting angle β. Incidentally, although the disturbance acting on the hull 2 may change suddenly, it usually lasts for a certain period of time, so while the disturbance continues, the ship is sailing at the set speed U while heading towards a certain target. fuel consumption must be minimized. In order to calculate the amount of steering for that purpose, the above azimuth angle ψ and oblique angle β
is detected by a measuring device (not shown), and the detected amount and the steering angle δ 0 are input to the dynamic characteristic calculation means 5. Note that, as mentioned above, the dynamic characteristics of the hull 2 at that time vary depending on the ship speed, the position of the center of gravity, etc.
When a different ship speed is set during navigation, or when a situation arises in which the displacement or center of gravity differs, the above-mentioned detection is performed each time, and the dynamic characteristics in that state are calculated.
上述した方位角ψと斜航角βおよびそのときの
舵角δ0が検出され、かつ、その方位角ψより方位
角速度ψ〓が計算され、これらを用いて動特性演算
手段5においてその外乱下における船体2の動特
性を指標する運動微係数が演算され、この微係数
がゲイン出力手段7の航行シミユレーシヨン部1
0に出力されて、船体15の動特性として扱われ
る。 The above-mentioned azimuth angle ψ, slanting angle β, and the rudder angle δ 0 at that time are detected, and the azimuth angular velocity ψ is calculated from the azimuth angle ψ. A motion differential coefficient that indicates the dynamic characteristics of the hull 2 at
0 and treated as the dynamic characteristics of the hull 15.
一方、外乱演算手段6にも同様に、前記方位角
ψと斜航角βが例えば数分ないし十数分の一定時
間ごとに入力され、かつ、方位角速度ψ〓が計算さ
れ、これらから外乱の強さが演算される。その過
程は、まず、船体運動スペクトル密度計算部8に
おいて、第3図a〜cに示すように方位角ψ、斜
航角β、方位角速度ψ〓の周波数に対する運動スペ
クトル密度Φββ,Φψψ,Φβψ〓が計算される。次
に、このスペクトル密度を受けて外乱スペクトル
密度計算部9では、周波数に対する外乱の強さ、
すなわち、旋回モーメントや横力などのスペクト
ル密度Φyy,Φnn,Φynが、第4図a,bに示す
ように推定計算される。 On the other hand, the azimuth angle ψ and oblique angle β are similarly inputted to the disturbance calculating means 6 at regular intervals of, for example, several minutes to ten-odd minutes, and the azimuth angular velocity ψ〓 is calculated. Strength is calculated. The process begins with the hull motion spectral density calculation unit 8 calculating the motion spectral densities Φββ, Φψψ, Φβψ〓 for the frequencies of the azimuth angle ψ, the oblique angle β, and the azimuth angular velocity ψ〓 as shown in Fig. 3 a to c. is calculated. Next, in response to this spectral density, the disturbance spectral density calculation unit 9 calculates the intensity of the disturbance with respect to the frequency,
That is, the spectral densities Φyy, Φnn, Φyn of turning moment, lateral force, etc. are estimated and calculated as shown in FIGS. 4a and 4b.
この外乱のスペクトル密度Φyy,Φnn,Φynが
ゲイン出力手段7に入力されると共に、すでに動
特性演算手段5から船体15に入力されている運
動微係数に基づいて、船体2の航行状態のシミユ
レーシヨンが、数学モデルである航行シミユレー
シヨン部10において行われる。この際、最適利
得探索部12は、前記評価関数演算部11で演算
される評価関数値を最小とするように例えば、山
登り法などの手法を用いてコントローラ13のゲ
インを探索する。そして、このゲインが上述した
状態にある船体2の航行における最小燃料消費量
となる最適ゲインとして、最適制御ゲイン自動設
定部16を介して実船体2を操舵調整するコント
ローラ4に入力される。すなわち、コントローラ
4に記憶されている前述のゲインKp0,Ki0,
Kd0が、最適ゲインであるKp1,Ki1,Kd1に置き
換えられる。したがつて、コントローラ4は新し
いゲインに基づいて操舵信号を発信する。船体2
は上述した外乱の強さや船体2の速度などが変わ
らない状態で所望の目標に向けて航行する間、実
質的に燃料消費量が最小となる航海がなされる。 The spectral densities Φyy, Φnn, and Φyn of this disturbance are input to the gain output means 7, and a simulation of the sailing state of the hull 2 is performed based on the motion differential coefficient that has already been input to the hull 15 from the dynamic characteristic calculation means 5. , is performed in the navigation simulation section 10, which is a mathematical model. At this time, the optimal gain search section 12 searches for the gain of the controller 13 using a method such as a hill climbing method, so that the evaluation function value calculated by the evaluation function calculation section 11 is minimized. Then, this gain is input to the controller 4 that adjusts the steering of the actual hull 2 via the optimal control gain automatic setting section 16 as the optimal gain that provides the minimum fuel consumption while the hull 2 is traveling in the above-described state. That is, the aforementioned gains Kp 0 , Ki 0 ,
Kd 0 is replaced by Kp 1 , Ki 1 , and Kd 1 which are the optimal gains. Therefore, the controller 4 issues a steering signal based on the new gain. Hull 2
While the vessel is sailing toward a desired target while the above-mentioned disturbance intensity and the speed of the hull 2 remain unchanged, a voyage is carried out in which fuel consumption is substantially minimized.
なお、外乱の強さや船体2の状態が変れば、そ
の都度上述した一連の検出、演算などの処理が行
われることはいうまでもない。したがつて、船舶
が最終目的地に到達するまでの間に、設定船速を
変えてもその状態における目標までの航行中の燃
料消費量を最小にすることができ、総じて、一航
海における燃料消費量を少なくできる。 It goes without saying that whenever the intensity of the disturbance or the state of the hull 2 changes, the series of processes such as the above-mentioned detection and calculation are performed each time. Therefore, even if the set ship speed is changed until the ship reaches its final destination, the amount of fuel consumed during the voyage to the target can be minimized, and overall, the amount of fuel consumed during one voyage can be minimized. Consumption can be reduced.
以上を簡潔にまとめると、コントローラにより
舵角を調整し、目標針路に船舶を航行させる場
合、航行中のある状態における船体の斜航角を加
味して波・風などによる外乱の強さを推定し、こ
の外乱の強さから燃料消費量に関する評価関数値
を最小とするときのゲインを推定し、このゲイン
によりコントローラを稼働させ、船舶を目標に向
かつて最小の燃料消費量で航行させることができ
る。 To summarize the above briefly, when the rudder angle is adjusted by the controller and the ship is sailing along the target course, the strength of disturbances caused by waves, wind, etc. is estimated by taking into account the oblique angle of the ship in a certain state during navigation. Then, from the strength of this disturbance, a gain is estimated to minimize the evaluation function value related to fuel consumption, and this gain is used to operate the controller and navigate the ship toward the target with the minimum fuel consumption. can.
本発明は以上の説明から判るように、コントロ
ーラにより舵角を調整し目標針路に船舶を航行さ
せる場合、設定された船速における航行中船体に
作用する外乱をも考慮し、そのような外乱や船体
の状態が維持される限り、燃料消費量を最小に維
持して船舶の真の省エネルギ航行を行わせること
ができる。したがつて、外乱などに変化があれ
ば、その都度、それに応じた省エネルギ航行が行
われ、最終目的地までの一航海を通じて、最も少
ない燃料消費量でもつて船舶を航行させることが
できる。 As can be seen from the above description, when the controller adjusts the rudder angle and navigates the ship along the target course, the present invention also takes into account disturbances that act on the ship during navigation at a set ship speed, and eliminates such disturbances and As long as the condition of the ship's hull is maintained, fuel consumption can be kept to a minimum, allowing the ship to operate in true energy-saving mode. Therefore, whenever there is a change in external disturbances, energy-saving navigation is performed in accordance with the change, and the ship can be operated with the lowest fuel consumption throughout the entire voyage to the final destination.
第1図は本発明の実施例である船舶の自動操舵
装置の全体系統図、第2図は外乱を受けている船
体の力学モデル図、第3図a〜cは運動スペクト
ル図、第4図a,bは外乱のスペクトル図であ
る。
2……船体、4……コントローラ、5……動特
性演算手段、6……外乱演算手段、7……ゲイン
出力手段、10……航行シミユレーシヨン部、1
1……評価関数演算部、12……最適利得探索
部、13……数学モデルのコントローラ、δ,δ0
……舵角、β……斜航角、ψ……方位角。
Fig. 1 is an overall system diagram of an automatic steering system for a ship which is an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a dynamic model diagram of a ship body undergoing disturbance, Figs. 3 a to c are motion spectrum diagrams, and Fig. 4 a and b are disturbance spectrum diagrams. 2...Hull, 4...Controller, 5...Dynamic characteristic calculation means, 6...Disturbance calculation means, 7...Gain output means, 10...Navigation simulation section, 1
1...Evaluation function calculation unit, 12...Optimum gain search unit, 13...Mathematical model controller, δ, δ 0
... Rudder angle, β ... Oblique angle, ψ ... Azimuth angle.
Claims (1)
閉ループを構成する自動操舵装置において、 航行中に検出された舵角、方位角、斜航角から
そのときの船体の動特性を推定する動特性演算手
段と、 検出された方位角、斜航角から外乱の強さを推
定する外乱演算手段と、 この外乱演算手段および前記動特性演算手段か
ら出力される外乱の強さと船体の動特性を用い
て、前記閉ループの船舶の航行状態をシミユレー
シヨンする航行シミユレーシヨン部と、この航行
シミユレーシヨン部から出力される舵角、方位
角、方向角速度、斜航角の関数として示される推
進エネルギ増加率を表わす評価関数値を計算する
評価関数演算部と、この評価関数値を最小とする
航行シミユレーシヨン部のコントローラのゲイン
を探索する最適利得探索部とを有すると共に、前
記閉ループを構成するコントローラにその最適ゲ
インを出力するゲイン出力手段と、 を具備することを特徴とする船舶の自動操舵装
置。[Scope of Claims] 1. In an automatic steering system that constitutes a closed loop that steers the ship according to the difference between the target heading and the actual heading, the ship's hull at that time is determined based on the rudder angle, azimuth angle, and oblique angle detected during navigation. a dynamic characteristic calculation means for estimating the dynamic characteristic of the disturbance; a disturbance calculation means for estimating the strength of the disturbance from the detected azimuth and oblique angle; A sailing simulation part that simulates the sailing state of the closed-loop ship using the strength and dynamic characteristics of the ship, and is expressed as a function of the rudder angle, azimuth angle, directional angular velocity, and oblique angle output from this sailing simulation part. It has an evaluation function calculation section that calculates an evaluation function value representing a propulsion energy increase rate, and an optimal gain search section that searches for a gain of the controller of the navigation simulation section that minimizes this evaluation function value, and constitutes the closed loop. An automatic steering device for a ship, comprising: gain output means for outputting the optimum gain to a controller;
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58092088A JPS59220496A (en) | 1983-05-24 | 1983-05-24 | Automatic steering system for vessel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58092088A JPS59220496A (en) | 1983-05-24 | 1983-05-24 | Automatic steering system for vessel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59220496A JPS59220496A (en) | 1984-12-11 |
| JPH0330557B2 true JPH0330557B2 (en) | 1991-04-30 |
Family
ID=14044682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58092088A Granted JPS59220496A (en) | 1983-05-24 | 1983-05-24 | Automatic steering system for vessel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59220496A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1978004A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-08 | TDK Corporation | Dielectric ceramic composition, complex electronic device and multilayer ceramic capacitor |
| EP2130804A2 (en) | 2008-05-12 | 2009-12-09 | TDK Corporation | Dielectric ceramic composition, multilayer complex electronic device, multilayer common mode filter, multilayer ceramic coil and multilayer ceramic capacitor |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61139594A (en) * | 1984-12-12 | 1986-06-26 | Tokyo Keiki Co Ltd | Automatic weather adjustment deivie in steering unit |
| JPH10332416A (en) * | 1997-06-02 | 1998-12-18 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Automobiles, autonomous vessels and dam sedimentation surveying vessels |
| JP4669283B2 (en) * | 2004-12-28 | 2011-04-13 | 東京計器株式会社 | Ship automatic steering system |
| JP5094800B2 (en) * | 2009-08-21 | 2012-12-12 | 横河電子機器株式会社 | Automatic steering apparatus and method |
| JP7661273B2 (en) * | 2022-04-19 | 2025-04-14 | 三菱重工業株式会社 | Coming alongside support system, coming alongside support method and program |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5511968A (en) * | 1978-07-14 | 1980-01-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Navigation control system |
-
1983
- 1983-05-24 JP JP58092088A patent/JPS59220496A/en active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1978004A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-08 | TDK Corporation | Dielectric ceramic composition, complex electronic device and multilayer ceramic capacitor |
| EP2130804A2 (en) | 2008-05-12 | 2009-12-09 | TDK Corporation | Dielectric ceramic composition, multilayer complex electronic device, multilayer common mode filter, multilayer ceramic coil and multilayer ceramic capacitor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59220496A (en) | 1984-12-11 |
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