JP4603832B2 - Automatic steering device for ship and design method of estimator for automatic steering device for ship - Google Patents
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Description
本発明は、推定器を有する船舶用自動操舵装置に関し、特にパラメータの不確かさの存在下で波浪等の外乱による無駄舵を防止することができる船舶用自動操舵装置及び船舶用自動操舵装置の推定器の設計方法に関する。 The present invention relates to a marine vessel automatic steering apparatus having an estimator, and in particular, an estimation of a marine vessel automatic steering apparatus and a marine vessel automatic steering apparatus capable of preventing wasteful rudder due to disturbance such as waves in the presence of parameter uncertainty. Relates to the design method of the vessel.
船舶用自動操舵装置は、設定針路に、ジャイロコンパスからの方位を追従させるために舵を制御する装置であり、制御系は、設定針路と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求めフィードバックゲインを乗じて制御量である指令舵角を操舵機に出力する。操舵機は指令舵角に比例した舵角を動かすため、船体は舵角によって角速度を生じ方位が変化する。 The automatic marine steering system is a device that controls the rudder so that the direction from the gyrocompass follows the set course, and the control system obtains the deviation and turning angular velocity from the input of the set course and heading and feeds back. Multiply the gain and output the commanded steering angle, which is the controlled variable, to the steering machine. Since the steering machine moves the rudder angle proportional to the command rudder angle, the hull generates an angular velocity depending on the rudder angle, and its azimuth changes.
船舶用自動操舵装置の閉ループ系は図１１に示すように船体モデルと波浪モデルとからなる制御対象と、推定器とフィードバックループとからなる制御系とから構成される。簡単化のため操舵機を省くので、指令舵角は舵角と等価になる。同図においてｓはラプラス演算子を、
荒天時、方位に含まれる外乱成分が制御系を経て舵角に入力するために、操舵機は無効な操舵を行い機器の疲労や磨耗、燃料の損失を招くことになる。かかる無駄舵を防止するために各種のフィルタや天候調節機能が提案されている（非特許文献１、非特許文献２）。その中で外乱モデルとして波浪モデルを組み込んだ推定器の外乱除去効果の有効性が報告されている（非特許文献３、非特許文献４）。
During stormy weather, disturbance components included in the direction are input to the rudder angle through the control system, so the steering machine performs invalid steering, leading to equipment fatigue and wear, and fuel loss. In order to prevent such a rudder, various filters and weather adjustment functions have been proposed (Non-Patent
また、特許文献１では、定常カルマンフィルタを用いて、旋回角速度及び方位誤差の最適値を推定して天候調整を行うようにしたカルマンフィルタを含む自動操舵装置を開示している。
Further,
しかしながら、制御対象の船体モデルは、載荷の変化によるノミナル値のパラメータ不確かさを持ち、図１１中のＫｓｎ，Ｔｓｎ，Ｔｓ３ｎはＫｓａ，Ｔｓａ，Ｔｓ３ａに変化する。そのためノミナル値のモデルベースで構成する推定器は載荷の変化によって推定値に誤差を生じる。このため、推定値の状態フィードバックによる閉ループ安定性は、推定誤差によって劣化し、船体を蛇行航行させる（ヨーイング）おそれがある。 However, the hull model to be controlled has a parameter uncertainty of nominal values due to changes in loading, and K sn , T sn , and T s3n in FIG. 11 change to K sa , T sa , and T s3a . For this reason, an estimator configured on the basis of a nominal value model causes an error in the estimated value due to a change in loading. For this reason, the closed loop stability due to the state feedback of the estimated value deteriorates due to the estimation error, and there is a risk that the hull will meander (yaw).
しかしながら、従来の推定器の設計にあたっては、かかるパラメータ不確かさに対する検討については、何らなされていなかった。 However, in designing a conventional estimator, no consideration has been given to such parameter uncertainty.
本発明は、このような状況に鑑みて、船体パラメータのノミナル値のパラメータ不確かさを積極的に考慮に入れて、該パラメータ不確かさを起因とする推定誤差を小さくすることができるようにした船舶用自動操舵装置及びその推定器の設計方法を提供することをその目的とする。本発明のさらなる目的は、波浪モデルまたは舵角オフセットモデルを組み込んだ場合の、パラメータ不確かさを起因とする推定誤差と外乱除去との特性の関係に着目して設計された船舶用自動操舵装置及びその推定器の実用的な設計方法を提供することである。 In view of such circumstances, the present invention positively takes into account the parameter uncertainty of the nominal value of the hull parameters, and can reduce the estimation error caused by the parameter uncertainty. It is an object of the present invention to provide a design method for an automatic steering device for an automobile and its estimator. A further object of the present invention is to provide an automatic steering apparatus for a ship designed by paying attention to the relationship between characteristics of estimation error caused by parameter uncertainty and disturbance elimination when a wave model or a steering angle offset model is incorporated, and It is to provide a practical design method for the estimator.
かかる目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、検出方位
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置において、
前記推定器の特性多項式として、
To achieve the above object, the invention according to
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δ,
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
In the ship automatic steering device having
As a characteristic polynomial of the estimator,
λｅ２は、波浪モデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅ、ωｅがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、
ωｅを操舵系固有周波数ωｎのρ（＞１）倍に設定し、ζｅを１／√２に設定する、ことを特徴とする。
λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model when there is no wave model, and ζ e and ω e are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the hull model, respectively. And
ω e is set to ρ (> 1) times the steering system natural frequency ω n , and ζ e is set to 1 / √2.
請求項２記載の発明は、検出方位
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置において、
前記推定器の特性多項式として、
Invention, biopsy attitude position according to
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δ,
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
In the ship automatic steering device having
As a characteristic polynomial of the estimator,
λｅ２は、波浪モデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅ、ωｅがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λｅｗは、波浪モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅｗ、ωｅｗがそれぞれ波浪モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、
波浪モデルが無い（λｅｗ＝１）としたときの推定器の船体パラメータに対する感度が、波浪モデルが有るときの推定器の船体パラメータに対する感度とほぼ等しくなるときの、ωｅ＝ωｗｎ（ωｗｎ：波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す）を満足するときのωｅの値をωｘ、ωｅ＝ωｗｎを満足しないときのωｅの値をωｙとしたときに、
波浪周波数ωｗｎがωｘよりも大きいときには、固有周波数ωｅをωｙに設定し、固有周波数ωｅｗを波浪周波数ωｗｎと等しく設定し、
波浪周波数ωｗｎがωｘ以下のときには、固有周波数ωｅをωｘに設定し、波浪周波数ωｗｎを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊＝ωｘに修正し、固有周波数ωｅｗを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊と等しく設定する、ことを特徴とする。
λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model when there is no wave model, and ζ e and ω e are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the hull model, respectively. Λ ew is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the wave model, and ζ ew and ω ew are an attenuation coefficient and a natural frequency for estimating the state quantity of the wave model, respectively.
Ω e = ω wn (ω) when the sensitivity of the estimator to the hull parameter when there is no wave model (λ ew = 1) is almost equal to the sensitivity of the estimator to the hull parameter when there is a wave model wn: the value of omega e when satisfying represents the wave frequency) is the natural frequency omega x, the value of omega e when not satisfied ω e = ω wn when the omega y of wave model,
When the wave frequency ω wn is larger than ω x , the natural frequency ω e is set to ω y , the natural frequency ω ew is set equal to the wave frequency ω wn ,
When the wave frequency ω wn is less than or equal to ω x , the natural frequency ω e is set to ω x , the wave frequency ω wn is corrected to the corrected wave frequency ω wn * = ω x , and the natural frequency ω ew is corrected to the corrected wave frequency. It is set to be equal to ω wn * .
請求項３記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、前記ωｘ及びωｙは、
The invention described in
請求項４記載の発明は、請求項２または３に記載のものにおいて、前記ζｅｗをζｅに設定することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the ζ ew is set to ζ e .
請求項５記載の発明は、請求項２ないし４のいずれか１項に記載のものにおいて、前記ζｅを１／√２に設定することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the apparatus according to any one of the second to fourth aspects, the ζ e is set to 1 / √2.
請求項６記載の発明は、検出方位
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用すると共に前記推定舵角オフセットを用いて前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置において、
前記推定器の特性多項式として、
Invention, biopsy attitude position according to
A feedback gain loop that applies a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity and outputs the command steering angle δ using the estimated steering angle offset;
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
In the ship automatic steering device having
As a characteristic polynomial of the estimator,
λｅ２は、波浪モデル及び舵角オフセットモデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅ、ωｅがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λｅｗは、波浪モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅｗ、ωｅｗがそれぞれ波浪モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λｅｏは、舵角オフセットモデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ωｅｏが舵角オフセットモデルの状態量を推定するための固有周波数であり、
固有周波数ωｅｏを操舵系固有周波数ωｎのρｏ（＜１）倍に設定し、
波浪モデル及び舵角オフセットモデルが無い（λｅｗλｅｏ＝１）としたときの推定器の船体パラメータに対する感度が、波浪モデル及び舵角オフセットモデルが有るときの推定器の船体パラメータに対する感度とほぼ等しくなるときの、ωｅ＝ωｗｎを満足するときのωｅの値をωｘ（ωｗｎ：波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す）、ωｅ＝ωｗｎを満足しないときのωｅの値をωｙとしたときに、
波浪周波数ωｗｎがωｘよりも大きいときには、固有周波数ωｅをωｙに設定し、固有周波数ωｅｗを波浪周波数ωｗｎと等しく設定し、
波浪周波数ωｗｎがωｘ以下のときには、固有周波数ωｅをωｘに設定し、波浪周波数ωｗｎを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊＝ωｘに修正し、固有周波数ωｅｗを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊と等しく設定する、ことを特徴とする。
λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model when there is no wave model and rudder angle offset model, and ζ e and ω e are for estimating the state quantity of the hull model, respectively. Λ ew is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the wave model, and ζ ew and ω ew are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the wave model, respectively. Yes , λ eo is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the steering angle offset model, ω eo is a natural frequency for estimating the state quantity of the steering angle offset model,
The natural frequency ω eo is set to ρ o (<1) times the steering system natural frequency ω n ,
The sensitivity of the estimator to the hull parameters when there is no wave model and rudder angle offset model (λ ew λ eo = 1) is almost the same as the sensitivity of the estimator to the hull parameters when there is a wave model and a rudder angle offset model. The value of ω e when ω e = ω wn when equal is expressed as ω x (ω wn : represents the wave frequency that is the natural frequency of the wave model), and ω e when ω e = ω wn is not satisfied. When the value of e is ω y ,
When the wave frequency ω wn is larger than ω x , the natural frequency ω e is set to ω y , the natural frequency ω ew is set equal to the wave frequency ω wn ,
When the wave frequency ω wn is less than or equal to ω x , the natural frequency ω e is set to ω x , the wave frequency ω wn is corrected to the corrected wave frequency ω wn * = ω x , and the natural frequency ω ew is corrected to the corrected wave frequency. It is set to be equal to ω wn * .
請求項７記載の発明は、請求項６に記載のものにおいて、前記ωｘ及びωｙは、
The invention described in
請求項８記載の発明は、請求項６または７記載のものにおいて、前記ζｅｗをζｅに設定することを特徴とする。
The invention described in
請求項９記載の発明は、請求項６ないし８のいずれか１項に記載のものにおいて、前記ζｅを１／√２に設定することを特徴とする。 A ninth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the sixth to eighth aspects, the ζ e is set to 1 / √2.
請求項１０記載の発明は、検出方位
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置の推定器の設計方法であって、
まず波浪モデル無しの推定器として船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δ,
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
A estimator design method of marine autopilot to have a,
First, the natural frequency for estimating the state quantity of the hull model as an estimator without a wave model
請求項１１記載の発明は、検出方位
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用すると共に前記推定舵角オフセットを用いて前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置の推定器の設計方法であって、
まず波浪モデル及び舵角オフセットモデル無しの推定器として船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
A feedback gain loop that applies a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity and outputs the command steering angle δ using the estimated steering angle offset;
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
A estimator design method of marine autopilot to have a,
First, the natural frequency for estimating the state quantity of the hull model as an estimator without wave model and rudder angle offset model
請求項１記載の発明によれば、ωｅを操舵系固有周波数ωｎのρ（＞１）倍に設定にし、ζｅを１／√２に設定することにより、角速度の伝達関数に対する船体パラメータに対する感度を小さくすることができるようになり、船体パラメータの変動による推定誤差を低減し、推定誤差による閉ループ安定性の低下を防ぐことができる。 According to the first aspect of the present invention, the hull parameter for the transfer function of the angular velocity is set by setting ω e to ρ (> 1) times the steering system natural frequency ω n and setting ζ e to 1 / √2. It is possible to reduce the sensitivity to, and to reduce the estimation error due to fluctuations in the hull parameters and prevent the closed loop stability from being lowered due to the estimation error.
請求項２ないし５記載の発明によれば、船体モデルの状態量を推定するためのモデルと、波浪モデルの状態量を推定するためのモデルとに分けて推定器を設計しているために、波浪モデルを導入したことによる船体パラメータの変動を起因とする推定誤差の劣化を把握することができるようになる。この劣化は、波浪周波数が低くなると大きくなることが分かる。そこで、波浪モデルを導入したときの船体パラメータに対する感度を、波浪モデルがない船体モデルだけの場合の感度と、最低限同じになるように、船体モデルの状態量を推定するためのモデルの固有周波数を設定する。
According to the inventions of
これにより、推定誤差特性を、波浪モデル即ち外乱モデルのない、最も単純な制御対象である船体モデルのものと等価とすることができ、推定器を用いた閉ループ系設計を簡単化することができる。 As a result, the estimation error characteristic can be equivalent to that of the hull model that is the simplest control object without the wave model, that is, the disturbance model, and the closed loop system design using the estimator can be simplified. .
請求項３記載の発明によれば、波浪モデルを導入したときの船体パラメータに対する感度を、波浪モデルがない船体モデルだけの場合の感度と同じになるようにする固有周波数の値を、２次方程式の解により求めることができ、簡単に求めることができるようになる。 According to the third aspect of the present invention, the value of the natural frequency is set so that the sensitivity to the hull parameters when the wave model is introduced is the same as the sensitivity of only the hull model without the wave model. It can be obtained by the solution of and can be obtained easily.
請求項６ないし９記載の発明によれば、船体モデルの状態量を推定するためのモデルと、波浪モデルの状態量を推定するためのモデルと、舵角オフセットモデルの状態量を推定するためのモデルとに分けて推定器を設計しているために、波浪モデル及び舵角オフセットモデルを組み込んだことによる船体パラメータの変動を起因とする推定誤差の劣化を把握することができるようになる。この劣化は、波浪周波数が低くなると大きくなることが分かる。そこで、波浪モデル及び舵角オフセットモデルを導入したときの船体パラメータに対する感度を、これらモデルを導入していない場合の感度と、最低限同じになるように、船体モデルの状態量を推定するためのモデルの固有周波数を設定する。
According to the inventions of
これにより、推定誤差特性を、波浪モデル及び舵角オフセットモデルのない、最も単純な制御対象である船体モデルのものと等価とすることができ、推定器を用いた閉ループ系設計を簡単化することができる。 As a result, the estimation error characteristics can be equivalent to those of the hull model that is the simplest control object without the wave model and rudder angle offset model, and the closed-loop system design using the estimator can be simplified. Can do.
請求項７記載の発明によれば、波浪モデル及び舵角オフセットモデルを導入したときの船体パラメータに対する感度を、これらモデルがない船体モデルだけの場合の感度と同じになるようにする固有周波数の値を、２次方程式の解により求めることができ、簡単に求めることができるようになる。 According to the seventh aspect of the invention, the value of the natural frequency is set so that the sensitivity to the hull parameters when the wave model and the rudder angle offset model are introduced is the same as the sensitivity of only the hull model without these models. Can be obtained by the solution of the quadratic equation, and can be easily obtained.
請求項１０及び１１記載の発明によれば、船体モデルの状態量を推定するためのモデルと、波浪モデルまたは舵角オフセットモデルの状態量を推定するためのモデルとに分けて推定器を設計しているために、波浪モデルまたは舵角オフセットモデルを導入したことによる船体パラメータの変動を起因とする推定誤差の劣化を把握することができるようになる。そこで、推定誤差を外乱モデルのパラメータに依らず仕様どおりに設計できるので、極めて簡単に推定器の設計をすることができるようになる。
According to the invention described in
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、波浪モデル無しの推定器を設計し、次に波浪モデル有りの推定器を設計する（第１実施形態）。そして、舵角オフセットモデルをさらに組み込んだ波浪モデル有りの推定器を設計する（第２実施形態）。 First, an estimator without a wave model is designed, and then an estimator with a wave model is designed (first embodiment). Then, an estimator with a wave model further incorporating a steering angle offset model is designed (second embodiment).
波浪モデル無しの推定器の設計においては、パラメータ不確かさに起因した推定誤差の特性を把握し、閉ループ安定性を低下させる誤差要因を求め、それを低減させるような設計を行い、波浪モデル有りの推定器および舵角オフセットモデルを組み込んだ波浪モデル有りの推定器では波浪モデル無しの推定器の結果と比較して波浪モデルの導入による推定誤差と外乱除去との特性を把握し、推定誤差を波浪モデル無しの推定器の場合と同一にし、外乱除去性を前者の場合より向上するような設計を行う。 In designing an estimator without a wave model, grasp the characteristics of the estimation error due to parameter uncertainty, determine the error factor that reduces the closed-loop stability, and design to reduce it. In the estimator with the wave model incorporating the estimator and the rudder angle offset model, the characteristics of the estimation error and disturbance rejection due to the introduction of the wave model are grasped compared with the result of the estimator without the wave model, and the estimation error is The design is made to be the same as that of the estimator without a model, and the disturbance eliminability is improved as compared with the former case.
本発明で対象とする第１実施形態による自動操舵装置１０の制御系は、図１に示したように、設定針路と検出船首方位とに基づいて指令舵角δを出力する自動操舵装置の制御系において、閉ループを安定化するフィードバックループ１５と、船首方位に含まれる波浪成分を除去する推定器２０とから構成され、推定器２０は、検出方位
推定器２０の設計にあたり、操舵系と数値例を以下のように設定する。操舵系は、船体モデルとフィードバックループとからなる系に定めると、特性方程式は、
In designing the
船体パラメータの数値例は、船体モデルが安定船（ノミナル値）から不安定船（実際値）に変化した場合を想定し The numerical example of the hull parameters assumes that the hull model changes from a stable ship (nominal value) to an unstable ship (actual value).
以下、推定器の設計について、手順を追って説明する。 Hereinafter, the design of the estimator will be described step by step.
（第１実施形態）
１ 波浪モデル無しの推定器
１．１ はじめに
波浪モデル無しの推定器（以下２次推定器と呼ぶ）は、ノミナル値の船体モデルから構成され、検出方位と指令舵角とを入力し推定方位と推定角速度とを出力する。それら出力は閉ループ安定化のためフィードバック制御に利用される。推定器は、ノミナル値のパラメータ不確かさにより推定誤差を生じるため安定性を劣化させる場合が生じる。よってパラメータ不確かさに起因する推定誤差を推定器の伝達関数を用いて調べ、その結果から２次推定器を設計することとする。
(First embodiment)
1 Estimator without wave model 1.1 Introduction An estimator without a wave model (hereinafter referred to as a secondary estimator) is composed of a nominal hull model, and inputs the detected direction and the command rudder angle. Outputs estimated angular velocity. These outputs are used for feedback control for closed-loop stabilization. Since the estimator generates an estimation error due to the parameter uncertainty of the nominal value, the stability may be deteriorated. Therefore, the estimation error caused by the parameter uncertainty is examined using the transfer function of the estimator, and a secondary estimator is designed from the result.
１．２ 伝達関数の導出
２次推定器は、図２に示すように、ノミナル値の船体モデル（野本モデル）と、検出方位と推定方位との差
1.2 Derivation of transfer function As shown in Fig. 2, the secondary estimator is the difference between the nominal value hull model (Nomoto model) and the detected and estimated directions.
式(6)〜(9)から、２次推定器の伝達関数は、次の特性を持つことが分かる。
・パラメータ不確かさがなければ、推定値は真値と一致する。
・波浪による推定誤差はパラメータ不確かさに無関係である。
・パラメータ不確かさと波浪とによる推定誤差は特性多項式に関係する。
Ｇｃ３は舵感度時定数の関数を示し、操舵系固有周波数ωｎでのゲインは、
From equations (6) to (9), it can be seen that the transfer function of the secondary estimator has the following characteristics.
• If there is no parameter uncertainty, the estimated value matches the true value.
• The estimation error due to waves is independent of parameter uncertainty.
• Estimation errors due to parameter uncertainty and waves are related to the characteristic polynomial.
G c3 represents a function of the rudder sensitivity time constant, and the gain at the steering system natural frequency ω n is
１．３ 推定ゲインの設定
推定ゲインは特性方程式の根を極配置することにより求める。式（10）の特性方程式を２次標準系、
1.3 Estimated gain setting Estimated gain is obtained by placing the root of the characteristic equation in a pole. The characteristic equation of equation (10) is expressed as a secondary standard system,
１．４ 伝達関数の周波数特性
伝達関数のパラメータ不確かさに起因する誤差を周波数特性で調べる。そのために、ゲイン
１．４．１ 誤差Δ１の影響
式(6)から、Δ１による伝達関数
次に、式(8)から、Δ１による伝達関数
１．４．２ 誤差Δ２の影響
式(6)から、Δ２による伝達関数
１．４．３ 周波数特性
以上の低周波数域と高周波数域とでの
１．５ 特性方程式の設計
上記の結果を用いて、設計パラメータωｅ，ζｅを設計する。２次推定器は外乱除去性能より推定性能を重視するため、パラメータ不確かさによる推定誤差の低減を図るように、推定角速度の伝達関数すなわちΔ１による
１．５．１ 固有周波数ωｅの設計
式(8)の
１．５．２ 減衰係数ζｅの設計
ζｅはΔ１による
図３はζｅ＝０．５，０．７０７，１とした場合についての
したがって、ζｅ＝０．７０７は、周波数応答においてゲインにピーク誤差を生じさせない最小値、すなわち最適値になる。 Therefore, ζ e = 0.707 is a minimum value that does not cause a peak error in the gain in the frequency response, that is, an optimum value.
１．６ まとめ
以上のことから、波浪モデル無しの推定器においては、ωｅ＝ρωｎ，ζｅ＝１／√２と設定する。
1.6 Summary From the above, in an estimator without a wave model, ω e = ρω n and ζ e = 1 / √2 are set.
２． 波浪モデル有りの推定器
２．１ はじめに
次に、波浪モデル有りの推定器を考える。波浪モデル有りの推定器（以下４次推定器と呼ぶ）は、２次推定器に波浪モデルを組み込むことで、検出方位に含まれる波浪成分を推定波浪として分離抽出することができる。そのため推定方位と推定角速度とに含まれる波浪成分が除去され無駄舵が防止できる。しかし波浪モデルの導入が推定誤差を増加させる状況は避けなければならない。よって２次推定器の推定誤差を保持しつつ、かつ効果的な外乱除去性能を実現する４次推定器を設計する。なお記号は２次推定器のものと同一とする。
2. 2. Estimator with wave model 2.1 Introduction Next, an estimator with a wave model is considered. An estimator with a wave model (hereinafter referred to as a fourth-order estimator) can separate and extract the wave component included in the detected direction as an estimated wave by incorporating the wave model into the secondary estimator. Therefore, the wave component contained in the estimated azimuth and the estimated angular velocity is removed, and useless steering can be prevented. However, the situation where the introduction of the wave model increases the estimation error must be avoided. Therefore, a quaternary estimator is designed that retains the estimation error of the secondary estimator and realizes effective disturbance removal performance. Note that the symbols are the same as those of the secondary estimator.
２．２ 伝達関数の導出
４次推定器は、図４に示すように、２次推定器にノミナル値の波浪モデルを加えたもので、
2.2 Derivation of transfer function As shown in Fig. 4, the fourth-order estimator is obtained by adding a nominal wave model to the second-order estimator.
になる。ここで、ｋｉ，ｉ＝１〜４は推定ゲインを、
式(24)〜(29)から、４次推定器の伝達関数は、波浪モデルの組み込みによって、２次推定器の特性に加えて次の特定を持つことが分かる。
・波浪モデルが推定方位と推定角速度との伝達関数の分子に付加される。
・推定波浪はパラメータ不確かさにより推定誤差が生じる。
From equations (24) to (29), it can be seen that the transfer function of the fourth-order estimator has the following specification in addition to the characteristics of the second-order estimator by incorporating the wave model.
A wave model is added to the numerator of the transfer function between the estimated azimuth and the estimated angular velocity.
・ Estimated waves have estimation errors due to parameter uncertainty.
２．３ 推定ゲインの設定
式(30)の特性方程式を２つの２次標準系を用いて
２．４ 特性方程式の設計
４次推定器の設計は、式(33)においてλｅが２次推定器の設計より設定できるので、もう一方のλｅｗのωｅｗ，ζｅｗを決定することになる。４次推定器は波浪モデルを取り込むことによって、２次推定器より外乱除去性能の向上を図る。よって推定方位と推定角速度とに含まれる波浪成分を除去する設計を行う。波浪から推定方位と推定角速度とまでの伝達関数は式(25)，(27)より波浪モデルをもつから、波浪除去に対応する伝達関数は、
2.4 Design of Characteristic Equation The design of the fourth-order estimator is to determine ω ew and ζ ew of the other λ ew since λ e can be set from the design of the second-order estimator in Equation (33). Become. The fourth-order estimator takes in the wave model to improve the disturbance removal performance than the second-order estimator. Therefore, a design is made to remove the wave component included in the estimated azimuth and the estimated angular velocity. Since the transfer function from the wave to the estimated azimuth and the estimated angular velocity has a wave model from Equations (25) and (27), the transfer function corresponding to wave removal is
２．４．１ 固有周波数ωｅｗの設計
上記伝達関数に波浪周波数ωｗｎでのノッチフィルタ特性を持たせるために、
ところで、推定誤差は、前述の２次推定器におけるΔ１に対する伝達関数への影響から類推されるように、ωｅ，ωｅｗの内、より低い周波数でより大きくなる傾向をもつ。そのため波浪モデルの導入による推定誤差の増加を防ぐために、 By the way, the estimation error tends to become larger at lower frequencies of ω e and ω ew , as can be inferred from the influence on the transfer function for Δ 1 in the above-described secondary estimator. Therefore, in order to prevent an increase in estimation error due to the introduction of the wave model,
２．４．２ 減衰係数ζｅｗの設計
最悪条件になったときに（ωｗｎ＝ωｅｗ＝ωｅ）にパラメータ不確かさ感度を最小にするために、λｅｗをλｅに一致させるよう減衰係数を
2.4.2 Design of attenuation coefficient ζ ew Attenuation to match λ ew to λ e to minimize parameter uncertainty sensitivity when worst case (ω wn = ω ew = ω e ) Coefficient
２．５ ４次推定器の特性
４次推定器の推定誤差と波浪除去との特性を２次推定器の特性と比較する。推定誤差は２次推定器の設計よりパラメータ不確かさΔ１に対する推定角速度の伝達関数を調べる。一方、推定値に含まれる波浪成分はフィードバックゲインを乗じて舵角になる。微分ゲインが比例ゲインより大きいために、舵角の波浪成分は推定方位のものより推定角速度のものが主要になる。よって、波浪除去は波浪に対する推定角速度の伝達関数を調べることにする。
2.5 Characteristics of the fourth-order estimator The characteristics of the estimation error and wave elimination of the fourth-order estimator are compared with those of the second-order estimator. For the estimation error, the transfer function of the estimated angular velocity with respect to the parameter uncertainty Δ 1 is examined from the design of the secondary estimator. On the other hand, the wave component included in the estimated value is multiplied by a feedback gain to become a steering angle. Since the differential gain is larger than the proportional gain, the wave component of the rudder angle is mainly of the estimated angular velocity than that of the estimated azimuth. Therefore, wave removal will examine the transfer function of the estimated angular velocity for waves.
Δ１による伝達関数
次に、波浪周波数に対する推定角速度のゲイン特性，すなわち波浪除去性能は式(9)，(27)より
この結果、４次推定器の特性は２次推定器のそれに比べて、推定誤差が最悪条件で２倍程度に増加し、外乱除去性がζｗｎ＝０．１で０．１４倍に減少することが分かる。 As a result, the characteristic of the fourth-order estimator is about twice as large as that of the second-order estimator under the worst condition, and the disturbance rejection is reduced to 0.14 times when ζ wn = 0.1. I understand that.
２．６ 推定誤差の改善
前項で示されたように、波浪モデルを導入することにより、外乱除去性能は向上するが、推定性能は劣化することが分かった。しかしながら、実用的な推定器の設計としては、閉ループ安定性を優先するため、外乱除去性能の低下は許容しつつ、推定性能は波浪モデルなしの場合と同等になるように設計することが望まれる。以下、推定誤差の改善と、それに伴う外乱除去性能の低下について検討する。
2.6 Improvement of estimation error As shown in the previous section, it was found that the introduction of the wave model improves the disturbance removal performance but degrades the estimation performance. However, as a practical estimator design, closed-loop stability is prioritized, so it is desirable to design the estimation performance to be equivalent to that without the wave model while permitting a reduction in disturbance rejection performance. . In the following, the improvement of the estimation error and the accompanying decrease in disturbance removal performance will be examined.
推定誤差は式（41）でパラメータ不確かさΔ１の係数（以降、感度関数Ｓと呼ぶ）に依存する。４次推定器の感度関数Ｓを２次推定器のもの
Ｒｅ４に対する感度関数と外乱除去性能との関係を図６の４次推定器の特性を用いて説明する。同図は上段の横軸に周波数比
尚、上段において、図中の凡例中のＲｅ４(0)の値は、
Ｒｅ４(0)＝１（最悪条件）の場合、感度関数比は
２．６．１ ωｅの解法
式（47）を満足する４次推定器の固有周波数ωｅを求める。まず最悪条件になると仮定した場合のωｅを求めるために、Ｒｅ４＝１として式（42）を式（47）に代入すると、
次に、最悪条件にならないと仮定した場合のωｅを求めるためにＲｅ４＝ωｗｎ／ωｅとして同様にすると、
ωｗｎとωｘとの大小を比較することによって最悪条件であるか否かの判別をすることができる。ωｗｎ≦ωｘが成り立つときには、最悪条件のωｅ＝ωｘとすれば、２次推定器と同じ推定誤差を確保することができ、ωｗｎ＞ωｘであれば最悪条件でなくωｅ＝ωｙとすれば、２次推定器と同じ推定誤差を確保することができる。まとめると By comparing the magnitudes of ω wn and ω x , it can be determined whether or not it is the worst condition. When ω wn ≦ ω x holds, if the worst condition ω e = ω x , the same estimation error as that of the secondary estimator can be secured, and if ω wn > ω x , ω e is not the worst condition. Assuming = ω y , the same estimation error as that of the secondary estimator can be secured. Summary
２．７ まとめ
以上のことから、波浪モデル有りの推定器においては、設計パラメータを以下のように設定する。
2.7 Summary From the above, in the estimator with a wave model, the design parameters are set as follows.
ωｗｎ≦ωｘのとき、
ωｅ＝ωｘ
ωｗｎ ＊＝ωｅ
ωｅｗ＝ωｗｎ ＊
ωｗｎ＞ωｘのとき、
ωｅ＝ωｙ
ωｗｎ ＊＝ωｗｎ
ωｅｗ＝ωｗｎ ＊
When ω wn ≦ ω x ,
ω e = ω x
ω wn * = ω e
ω ew = ω wn *
When ω wn > ω x ,
ω e = ω y
ω wn * = ω wn
ω ew = ω wn *
（第２実施形態）
３．舵角オフセットモデルの追加
第１実施形態では、外乱モデルに波浪モデルを用いたが、舵角オフセットモデルも加えることができる。図８を用いて説明する。舵角オフセットモデルは方位軸まわりに作用する船体モーメントを舵角換算で表したもので、偏差にオフセット誤差を生じさせる。偏差誤差を除去するために、推定器に舵角オフセットモデルを追加して、推定舵角オフセットを求めフィードバックループで制御量に加える。
(Second Embodiment)
3. Addition of rudder angle offset model In the first embodiment, the wave model is used as the disturbance model, but a rudder angle offset model can also be added. This will be described with reference to FIG. The rudder angle offset model represents the hull moment acting around the azimuth axis in terms of rudder angle, and causes an offset error in the deviation. In order to remove the deviation error, a steering angle offset model is added to the estimator, and an estimated steering angle offset is obtained and added to the control amount in a feedback loop.
このとき船体モデルの入出力は
３．１ はじめに
舵角オフセットによる方位誤差を抑制するために、舵角オフセットモデルを４次推定器に組み込んだものを以下５次推定器と呼ぶ。推定舵角オフセットは推定状態量として推定器から出力し制御量に加えることによって、舵角オフセットを打ち消す。したがってこの目的は４次推定器の特性を保持しつつ、かつ舵角オフセットを推定する５次推定器を設計することである。なお記号は４次推定器のものと同一とする。
3.1 Introduction In order to suppress the heading error due to the steering angle offset, a model in which the steering angle offset model is incorporated in the fourth order estimator is hereinafter referred to as a fifth order estimator. The estimated steering angle offset is output from the estimator as an estimated state quantity and added to the control amount to cancel the steering angle offset. Therefore, the objective is to design a fifth order estimator that retains the characteristics of the fourth order estimator and estimates the steering angle offset. The symbol is the same as that of the fourth order estimator.
３．２ 伝達関数の導出
５次推定器は、図９に示すように、４次推定器に舵角オフセットモデルを組み込んだもので、
になる。ここで、ｋｉ，ｉ＝１〜５は推定ゲインを、
式(58)〜(65)から、５次推定器の伝達関数は、４次推定器の特性に加えて次の特性を持つことが分かる。
・ｓまたはｋ５の項が推定方位と推定角速度との伝達関数の分子に付加される。
・推定舵角オフセットはパラメータ不確かさにより推定誤差が生じる。
From equations (58) to (65), it can be seen that the transfer function of the fifth order estimator has the following characteristics in addition to the characteristics of the fourth order estimator.
A term of s or k 5 is added to the numerator of the transfer function between the estimated azimuth and the estimated angular velocity.
・ Estimated rudder angle offset has an estimation error due to parameter uncertainty.
３．３ 推定ゲインの設定
式(66)の特性方程式を
3.3 Estimated gain setting The characteristic equation of equation (66)
３．４ 特性方程式の設計
５次推定器の設計についても、４次推定器の設定を行なったときと同様に、舵角オフセットモデルの導入により、４次推定器に比べパラメータ不確かさによる推定誤差を著しく増加させ外乱除去性能を著しく低下させる状況を回避するように設計を行なう必要がある。
3.4 Design of characteristic equation For the design of the fifth-order estimator, the estimation error due to the parameter uncertainty compared to the fourth-order estimator is introduced by introducing the steering angle offset model, as in the case of setting the fourth-order estimator. It is necessary to design so as to avoid a situation in which the noise is greatly increased and the disturbance elimination performance is significantly deteriorated.
３．４．１ 推定舵角オフセットの固有周波数
推定舵角オフセットの固有周波数は、
3.4.1 Natural frequency of estimated rudder angle offset The natural frequency of estimated rudder angle offset is
３．４．２ ５次推定器の特性
５次推定器の特性を調べる。５次推定器の特性方程式は推定舵角オフセットの周波数ωｅｏが他の周波数ωｅ, ωｅｗに比べて十分に低い条件をもつから
3.4.2 Characteristics of fifth-order estimator Check the characteristics of the fifth-order estimator. The characteristic equation of the fifth order estimator is that the estimated steering angle offset frequency ω eo is sufficiently lower than other frequencies ω e and ω ew.
また式（75）の特性方程式に対応する推定ゲインは式（33）の４次特性方程式にｓを乗じたものであるから、推定ゲインｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４は４次推定器のものとほぼ同一になる。よって５次推定器の推定方位、推定角速度と推定波浪との特性は式（73）の推定係数によって４次推定器のものとほぼ等価になり、各推定値の方位と波浪との入力に対するそれぞれの応答も4次推定器のものとほぼ同じになる。 Further, since the estimated gain corresponding to the characteristic equation of Expression (75) is obtained by multiplying the fourth-order characteristic equation of Expression (33) by s, the estimated gains k 1 , k 2 , k 3 , and k 4 are the fourth-order estimation. It becomes almost the same as that of the vessel. Therefore, the characteristics of the estimated azimuth, estimated angular velocity, and estimated wave of the fifth order estimator are almost equivalent to those of the fourth order estimator by the estimation coefficient of Equation (73). The response of is almost the same as that of the fourth-order estimator.
５次推定器の推定舵角オフセットの特性を調べる。推定舵角オフセットの伝達関数
３．４．３ 推定誤差の改善
推定誤差を改善するために４次推定器で採用したパラメータ不確かさ感度を２次推定器のものと同じくする方法を５次推定器にも適用する。式（47）の感度式に５次推定ゲインｋ１を用いて解き、５次固有周波数ωｅを求める。
3.4.3 Improvement of estimation error A method of applying the same parameter uncertainty sensitivity adopted in the fourth-order estimator to that of the second-order estimator to improve the estimation error is also applied to the fifth-order estimator. The sensitivity equation of equation (47) is solved using the fifth-order estimated gain k 1 to obtain the fifth-order natural frequency ω e .
まず、式(68)で表される推定ゲインｋ１に波浪除去条件ωｅｗ＝ωｗｎ，ζｅｗ＝ζｅを代入してωｅｏ／ωｗｎ≪１，１／Ｔｓｎの２乗以上の項を無視すると、近似した推定ゲインｋ１は、 First, the wave removal conditions ω ew = ω wn and ζ ew = ζ e are substituted into the estimated gain k 1 represented by the equation (68), and ω eo / ω wn << 1, 1 / T sn or more squares Ignoring the term, the approximate estimated gain k 1 is
をそれぞれ得る。ここでωｘは最悪条件と仮定した固有周波数を、ωｙは最悪条件でないと仮定した固有周波数をそれぞれ示し、上式の２次方程式の解の２根の内、大きい方を採用することで、その値を求めることができる。よって５次固有周波数は式(50)を用いて求まる。 Get each. Here, ω x represents the natural frequency assumed to be the worst condition, ω y represents the natural frequency assumed not to be the worst condition, and by adopting the larger one of the two roots of the solution of the above quadratic equation, The value can be obtained. Therefore, the fifth order natural frequency can be obtained using equation (50).
上述の５次推定器の性能を２次推定器と比較した結果を図１０に示す。同図の構成は図７の４次推定器の性能と同様なので説明を省く。同図は４次推定器の場合と比べると顕著な差異はない。しかし固有周波数の比率は若干大きくなり、外乱除去性能は若干悪くなっている(ζｗｎ＝０．１のとき−８[dB]から−７[dB]に低下する）。なお５次推定器の外乱除去ゲインは、 FIG. 10 shows the result of comparing the performance of the above-described fifth order estimator with that of the second order estimator. Since the configuration of the figure is similar to the performance of the fourth-order estimator of FIG. 7, the description thereof is omitted. The figure is not significantly different from the case of the fourth-order estimator. However, the ratio of the natural frequency is slightly increased, and the disturbance removal performance is slightly deteriorated (decreases from −8 [dB] to −7 [dB] when ζ wn = 0.1). The disturbance elimination gain of the fifth order estimator is
この結果、舵角オフセットモデルを組み込んだ５次推定器は、該モデルを組み込んでいない４次推定器に比べて、式(73)の推定係数を用いた場合、固有周波数と外乱除去性能とはほぼ同じ性能をもつ。 As a result, the fifth-order estimator incorporating the rudder angle offset model has a higher natural frequency and disturbance rejection performance than the fourth-order estimator that does not incorporate the model. Has almost the same performance.
３．５ まとめ
以上のことから、波浪モデル及び舵角オフセットモデル有りの５次推定器においても、４次推定器と同様に、設計パラメータを以下のように設定する。
3.5 Summary From the above, in the fifth-order estimator with the wave model and the steering angle offset model, the design parameters are set as follows, similarly to the fourth-order estimator.
ωｗｎ≦ωｘのとき、
ωｅ＝ωｘ
ωｗｎ ＊＝ωｅ
ωｅｗ＝ωｗｎ ＊
ωｗｎ＞ωｘのとき、
ωｅ＝ωｙ
ωｗｎ ＊＝ωｗｎ
ωｅｗ＝ωｗｎ ＊
When ω wn ≦ ω x ,
ω e = ω x
ω wn * = ω e
ω ew = ω wn *
When ω wn > ω x ,
ω e = ω y
ω wn * = ω wn
ω ew = ω wn *
以上のように、本発明によれば、従来の推定器設計では、十分な考慮がなされなかったパラメータ不確かさと外乱モデルとに起因した推定誤差と外乱除去との特性を定量的に明らかにした上で設計を行っているために、以下の効果を奏することができる。
・推定誤差を外乱モデルのパラメータに依らず仕様どおりに設計できるようになり、極めて簡単に推定器が構成できるようになる。
・推定誤差特性が外乱モデルのないすなわち最も単純な制御対象のものと等価であるので、推定器を用いた閉ループ系設計を簡単化することができる。
・波浪モデルのパラメータに依らず推定器の固有周波数が常に最適値に設定されることから、不必要に固有周波数が高く設定されないので、高周波域の白色ノイズによる推定誤差の増加または外乱除去の低下を防止できる。
As described above, according to the present invention, in the conventional estimator design, the characteristics of the estimation error and disturbance removal due to the parameter uncertainty and disturbance model that have not been sufficiently considered are quantitatively clarified. Therefore, the following effects can be obtained.
・ Estimated errors can be designed according to specifications without depending on the parameters of the disturbance model, and an estimator can be configured very easily.
Since the estimation error characteristic is equivalent to that of the simplest control target without a disturbance model, the closed loop system design using the estimator can be simplified.
-Since the natural frequency of the estimator is always set to the optimum value regardless of the wave model parameters, the natural frequency is not set unnecessarily high, so the estimation error increases due to white noise in the high frequency range or the disturbance rejection decreases. Can be prevented.
１０ 自動操舵装置
１５ フィードバックループ
２０ 推定器
10
Claims (11)
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置において、
前記推定器の特性多項式として、
λｅ２は、波浪モデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅ、ωｅがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、
ωｅを操舵系固有周波数ωｎのρ（＞１）倍に設定し、ζｅを１／√２に設定する、ことを特徴とする船舶用自動操舵装置。 Detection direction
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δ,
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
In the ship automatic steering device having
As a characteristic polynomial of the estimator,
λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model when there is no wave model, and ζ e and ω e are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the hull model, respectively. And
An automatic steering apparatus for a ship, wherein ω e is set to ρ (> 1) times the natural frequency ω n of the steering system, and ζ e is set to 1 / √2.
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置において、
前記推定器の特性多項式として、
λｅ２は、波浪モデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅ、ωｅがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λｅｗは、波浪モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、
ζｅｗ、ωｅｗがそれぞれ波浪モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、
波浪モデルが無い（λｅｗ＝１）としたときの推定器の船体パラメータに対する感度が、波浪モデルが有るときの推定器の船体パラメータに対する感度とほぼ等しくなるときの、ωｅ＝ωｗｎ（ωｗｎ：波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す）を満足するときのωｅの値をωｘ、ωｅ＝ωｗｎを満足しないときのωｅの値をωｙとしたときに、
波浪周波数ωｗｎがωｘよりも大きいときには、固有周波数ωｅをωｙに設定し、固有周波数ωｅｗを波浪周波数ωｗｎと等しく設定し、
波浪周波数ωｗｎがωｘ以下のときには、固有周波数ωｅをωｘに設定し、波浪周波数ωｗｎを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊＝ωｘに修正し、固有周波数ωｅｗを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊と等しく設定する、ことを特徴とする船舶用自動操舵装置。 Detection direction
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δ,
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
In the ship automatic steering device having
As a characteristic polynomial of the estimator,
λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model when there is no wave model, and ζ e and ω e are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the hull model, respectively. Λ ew is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the wave model,
ζ ew and ω ew are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the wave model,
Ω e = ω wn (ω) when the sensitivity of the estimator to the hull parameter when there is no wave model (λ ew = 1) is almost equal to the sensitivity of the estimator to the hull parameter when there is a wave model wn: the value of omega e when satisfying represents the wave frequency) is the natural frequency omega x, the value of omega e when not satisfied ω e = ω wn when the omega y of wave model,
When the wave frequency ω wn is larger than ω x , the natural frequency ω e is set to ω y , the natural frequency ω ew is set equal to the wave frequency ω wn ,
When the wave frequency ω wn is less than or equal to ω x , the natural frequency ω e is set to ω x , the wave frequency ω wn is corrected to the corrected wave frequency ω wn * = ω x , and the natural frequency ω ew is corrected to the corrected wave frequency A marine vessel automatic steering apparatus characterized by being set equal to ω wn * .
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用すると共に前記推定舵角オフセットを用いて前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置において、
前記推定器の特性多項式として、
λｅ２は、波浪モデル及び舵角オフセットモデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅ、ωｅがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λｅｗは、波浪モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζｅｗ、ωｅｗがそれぞれ波浪モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λｅｏは、舵角オフセットモデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ωｅｏが舵角オフセットモデルの状態量を推定するための固有周波数であり、
固有周波数ωｅｏを操舵系固有周波数ωｎのρｏ（＜１）倍に設定し、
波浪モデル及び舵角オフセットモデルが無い（λｅｗλｅｏ＝１）としたときの推定器の船体パラメータに対する感度が、波浪モデル及び舵角オフセットモデルが有るときの推定器の船体パラメータに対する感度とほぼ等しくなるときの、ωｅ＝ωｗｎを満足するときのωｅの値をωｘ（ωｗｎ：波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す）、ωｅ＝ωｗｎを満足しないときのωｅの値をωｙとしたときに、
波浪周波数ωｗｎがωｘよりも大きいときには、固有周波数ωｅをωｙに設定し、固有周波数ωｅｗを波浪周波数ωｗｎと等しく設定し、
波浪周波数ωｗｎがωｘ以下のときには、固有周波数ωｅをωｘに設定し、波浪周波数ωｗｎを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊＝ωｘに修正し、固有周波数ωｅｗを修正の波浪周波数ωｗｎ ＊と等しく設定する、ことを特徴とする船舶用自動操舵装置。 Detection direction
A feedback gain loop that applies a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity and outputs the command steering angle δ using the estimated steering angle offset;
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
In the ship automatic steering device having
As a characteristic polynomial of the estimator,
λ e2 is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the hull model when there is no wave model and rudder angle offset model, and ζ e and ω e are for estimating the state quantity of the hull model, respectively. Λ ew is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the wave model, and ζ ew and ω ew are the attenuation coefficient and natural frequency for estimating the state quantity of the wave model, respectively. Yes , λ eo is a characteristic polynomial for estimating the state quantity of the steering angle offset model, ω eo is a natural frequency for estimating the state quantity of the steering angle offset model,
The natural frequency ω eo is set to ρ o (<1) times the steering system natural frequency ω n ,
The sensitivity of the estimator to the hull parameters when there is no wave model and rudder angle offset model (λ ew λ eo = 1) is almost the same as the sensitivity of the estimator to the hull parameters when there is a wave model and a rudder angle offset model. The value of ω e when ω e = ω wn when equal is expressed as ω x (ω wn : represents the wave frequency that is the natural frequency of the wave model), and ω e when ω e = ω wn is not satisfied. When the value of e is ω y ,
When the wave frequency ω wn is larger than ω x , the natural frequency ω e is set to ω y , the natural frequency ω ew is set equal to the wave frequency ω wn ,
When the wave frequency ω wn is less than or equal to ω x , the natural frequency ω e is set to ω x , the wave frequency ω wn is corrected to the corrected wave frequency ω wn * = ω x , and the natural frequency ω ew is corrected to the corrected wave frequency A marine vessel automatic steering apparatus characterized by being set equal to ω wn * .
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置の推定器の設計方法であって、
まず波浪モデル無しの推定器として船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δ,
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
A estimator design method of marine autopilot to have a,
First, the natural frequency for estimating the state quantity of the hull model as an estimator without a wave model
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用すると共に前記推定舵角オフセットを用いて前記指令舵角δを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δに応じて舵角を変化させる操舵機と、
を有する船舶用自動操舵装置の推定器の設計方法であって、
まず波浪モデル及び舵角オフセットモデル無しの推定器として船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
A feedback gain loop that applies a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity and outputs the command steering angle δ using the estimated steering angle offset;
A steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δ output from the feedback gain loop;
A estimator design method of marine autopilot to have a,
First, the natural frequency for estimating the state quantity of the hull model as an estimator without wave model and rudder angle offset model
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