JP6004877B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
図27に、一般的な従来の制御装置50のブロック線図を示す。図27に示すように、船体51の姿勢θpと目標指令θp*との差分がPID制御部52に入力され、舵角指令φ*が生成される。舵角指令φ*は、舵54を制御する舵制御系に与えられ、舵54の舵角が舵角指令φ*に追従するように制御される。このようにして、舵角指令φ*に基づいて舵角が変化することで、船体51の姿勢も変化し、船体51の姿勢θpが目標指令θp*に近づくこととなる。
更に、アクチュエータの動作速度に応じてフィードバックループを切り替えるので、例えば、アクチュエータの動作速度が速度飽和が生ずる速度に達していなかった場合には、安定化フィルタを経由せずに操作量をフィードバックさせることができる。これにより、速度飽和が発生しないときには、ハイゲインとならずに、従来通りの制御性能を発揮することが可能となる。この結果、より一層の制御の安定化を図ることが可能となる。
更に、安定化フィルタを有していないフィードバックループと安定化フィルタを有しているフィードバックループとの切り替えを緩やかに行うことが可能となる。フィードバックループの切替に伴う舵角速度のチャタリングなどを回避することが可能となる。
本発明の第4態様は、舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、舵角速度を検出する速度検出手段と、舵角速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された前記舵角速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記舵制御系のフィードバック値とする演算手段とを具備する制御装置である。
以下、制御対象として水中航走体を、アクチュエータとして舵を想定した場合の実施形態について説明するが、本発明の制御装置は、この範囲に限定されるものではなく、上記のごとく、速度飽和が生ずるシステムに広く利用されるものである。
以下、本発明の第1実施形態に係る制御装置1について、図1を用いて説明する。
図1は、本実施形態に係る制御装置1のブロック線図の一例を示している。図1に示すように、制御装置1が適用される水中航走体は、舵10の舵角を変化させることにより船体2の姿勢を制御するものである。
船体の姿勢制御系20は、船体2の姿勢θpを目標姿勢θp*に一致させるための舵10への舵角指令φ*を生成する制御系であり、船体2の姿勢θpをフィードバックするフィードバックループ21と、この姿勢θpと目標姿勢θp*との差分を算出する差分演算部22と、差分演算部22の出力に対して比例積分微分制御を行い、舵制御系30に対する舵角指令φ*を生成するPID制御部23と、外乱を推定してその外乱を相殺するような外乱補正値τpを出力する外乱制御部24と、舵角指令φ*から外乱補正値τpを減算することにより、最終的な舵角指令φc*を算出する差分演算部25とを主な構成として備えている。
ここで、安定化フィルタ32は、舵10の速度飽和による位相遅れを低減させるためのフィルタであり、例えば、位相進み補償要素を有している。この安定化フィルタ32の設計手法の詳細については後述する。
また、上記PID制御部23は、舵10が非線形要素を含まない場合を想定して設計されている。
まず、舵制御系に含まれる速度飽和要素N(a,ω)を、記述関数法を用いてモデル化する。舵の速度飽和の発生状況は、周波数と振幅に依存する。そこで、本実施形態では、周波数領域に応じて、速度飽和しない場合、1周期のうちの一部において速度飽和する場合、1周期の全域において速度飽和する場合の3つの場合に区分し、それぞれの周波数領域における速度飽和要素の記述関数を定義する。
例えば、位相遅れが発生し始める周波数から制御応答させたい周波数の10倍程度までの位相を進めるような安定化フィルタの時定数を決定する。
ここでは、一例として、周波数fmin[Hz]からfmax[Hz]までの位相を進めることとし、以下の(7)式のような位相進み補償要素を設計する。
そして、このような安定化フィルタ32を設けた場合の制御の安定性を再度ナイキスト線図を作成することで確認する。図15は、安定化フィルタ32を設けた後のナイキスト線図を示している。このように、舵10の振幅を最大にした場合でも、座標(−1,0)の点を左に見ることができ、速度飽和要素を含めた制御系の安定化が実現できていることがわかる。
次に、本発明の第2実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図20に示すように、図1に示した制御装置1の構成に加えて、舵角速度検出部(速度検出手段)34、判定部(判定手段)35、及び切替部(切替手段)36を更に備えている。
判定部35は、舵角速度検出部34によって検出された舵角速度が、舵10の動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する。例えば、閾値は、動作速度の上限値の90%付近に設定される。
切替部36は、判定部35によって舵角速度が閾値以上であると判定された場合に、安定化フィルタを挿入したフィードバックループ31bとし、舵角速度が閾値未満であると判定された場合に、安定化フィルタ32を除いたフィードバックループ31aとする。
これにより、舵10の動作状態に応じて適切な制御系を選択することができ、より一層の制御の安定化を図ることが可能となる。
次に、本発明の第3実施形態に係る制御装置について説明する。本実施形態に係る制御装置は、図23に示すように、図1に示した制御装置1の構成に加えて、舵角速度検出部34、重み付け取得部37、及び演算部38を更に備えている。
重み付け取得部37は、舵角速度と重み付け値が関連付けられたテーブルまたは演算式を有しており、舵角速度検出部34によって検出された舵角速度に対応する重み付け値を取得する。図24に、重み付けテーブルの一例を示す。図24において、横軸は舵角速度[%]、縦軸は重み付け値α(0≦α≦1)である。重み付け値αは、舵10が追従可能な最大速度、換言すると、速度飽和が生ずる舵角速度を100%としたときに、その50%から徐々に重み付けが0から1に向けて比例増加するように設定されている。
2 船体
10 舵
20 船体の姿勢制御系
21、31 フィードバックループ
22、25、33 差分演算部
23 PID制御部
24 外乱制御部
30 舵制御系
32 安定化フィルタ
34 舵角速度検出部
35 判定部
36 切替部
37 重み付け取得部
38 演算部
Claims (6)
- 制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに適用され、前記制御対象を目標状態に一致させるための前記アクチュエータの制御指令を生成する前記制御対象の運動制御系と、前記アクチュエータの制御指令に前記アクチュエータの操作量を追従させるためのアクチュエータの制御系とを備える制御装置であって、
前記アクチュエータの制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
前記アクチュエータの出力である操作量の速度を検出する速度検出手段と、
前記速度検出手段によって検出された速度が前記アクチュエータの動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって、前記速度が前記閾値以上であると判定された場合に、前記安定化フィルタを挿入したフィードバックループとし、前記速度が前記閾値未満であると判定された場合に前記安定化フィルタを除いたフィードバックループとする切替手段と
を具備する制御装置。 - 制御対象に対して操作量を与えるアクチュエータに速度飽和が生ずるシステムに適用され、前記制御対象を目標状態に一致させるための前記アクチュエータの制御指令を生成する前記制御対象の運動制御系と、前記アクチュエータの制御指令に前記アクチュエータの操作量を追従させるためのアクチュエータの制御系とを備える制御装置であって、
前記アクチュエータの制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
前記アクチュエータの出力である操作量の速度を検出する速度検出手段と、
前記アクチュエータの出力である操作量の速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、
前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記アクチュエータの制御系のフィードバック値とする演算手段と
を具備する制御装置。 - 前記安定化フィルタは、
前記アクチュエータの制御系に含まれる速度飽和要素を、記述関数法を用いてモデル化し、
記述関数を含めた前記アクチュエータの制御系で、前記制御対象の運動制御系の開ループ伝達関数を算出し、
前記開ループ伝達関数のボード線図を作成し、
前記ボード線図における周波数応答に基づいて作成される請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 前記アクチュエータの制御系に含まれる速度飽和要素を示す前記記述関数は、周波数領域に対応付けて、速度飽和しない場合、1周期のうちの一部において速度飽和する場合、1周期の全域において速度飽和する場合の3つの記述関数が設定されている請求項3に記載の制御装置。
- 舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、
前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
舵角速度を検出する舵角速度検出手段と、
前記舵角速度検出手段によって検出された舵角速度が前記舵の動作速度の上限値に基づいて設定された所定の閾値以上か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって、前記舵角速度が前記閾値以上であると判定された場合に、前記安定化フィルタを挿入したフィードバックループとし、前記舵角速度が前記閾値未満であると判定された場合に、前記安定化フィルタを除いたフィードバックループとする切替手段と
を備える制御装置。 - 舵の舵角を変化させることにより船体の姿勢を制御する水中航走体に適用され、前記船体を目標姿勢に一致させるための舵角指令を生成する船体の姿勢制御系と、前記舵角指令に舵角を追従させるための舵制御系とを備える制御装置であって、
前記舵制御系のフィードバックループに設けられた位相進み補償要素を有する安定化フィルタと、
舵角速度を検出する速度検出手段と、
舵角速度と重み付け値が関連付けられた情報に基づいて、前記速度検出手段によって検出された前記舵角速度に対応する重み付け値を取得する重み付け取得手段と、
前記重み付け取得手段によって取得された重み付け値を用いて、前記安定化フィルタが設けられたフィードバックループと、前記安定化フィルタが設けられていないフィードバックループとに重み付けをし、それぞれの前記フィードバックループの出力を加算した値を前記舵制御系のフィードバック値とする演算手段と
を具備する制御装置。
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