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技術 船舶の動揺低減のための複数アクチュエィター制御の方法および装置

出願人 石井昭良
発明者 石井昭良
出願日 2000年9月14日 (20年3ヶ月経過) 出願番号 2000-279129
公開日 2002年3月27日 (18年9ヶ月経過) 公開番号 2002-087380
状態 拒絶査定
技術分野 船体構造 係船・載荷
主要キーワード センサー入力信号 周波数解析用 エネルギー最大値 被制御変数 瞬時応答 複数センサー 小フィン 複合運動
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年3月27日)のものです。
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図面 (5)

課題

複数の小フィン動揺を低減するための制御方式を提供することを目的とする。

解決手段

複数のアクチュエィターで一定時間以上の連続する時系列データと瞬時応答データとを組み合わせて制御用のデータを作成し、各アクチュエィターへの制御用信号の設定を独立して行い、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算を、計測される船体運動と制御中の各アクチュエィターの作用による想定船体運動の両者の時系列データの周波数解析結果に基づいて行い、かつ、一定時間毎に制御用の演算処理に必要なパラメータの変更を行うことを特徴としたものである。

概要

背景

従来のフィンスタビライザは、横揺れを低減の対象とし、その運動に関する複数のセンサー信号に対して、左右2つアクチュエィターの出力信号の設定を行う。

ロールピッチとから成る複合的な動揺を制御する先行技術の例としては、以下のものがある。

特開平6−166396号公報は、船体前後左右両舷にフィンを配置し、検出したロール角ピッチ角から、または、検出したロール角速度ピッチ角速度から、一定の演算により前後左右のフィンの揚力配分調整を行い、動揺を制御しようとするものである。

特開平8−34389号公報は、船首部左右舷にフィンと船尾端の左右舷にトリムタブを装置を用い、ロール角速度検出手段とピッチ角速度検出手段と、これら検出信号からロール制御量またはピッチ制御量適応制御手法や一定の演算手法を用いて配分調整する制御量配分手段からフィンとトリムタブの制御量を決める方法である。

従来のフィンスタビライザのように、フィンから発生するモーメントで動揺を直接押さえるのではなく、船体の動きの特性を利用して押さえようとした例として、以下の様なものがある。

特開平4−321485号公報は、操舵によって船舶が変針する際に、船体が傾く現象を利用したもので、制御面としてを用い、ヨーとロールを低減しようとするものである。

制御方法は、制御面への指令値と複数の被制御変数との相関係数を統計的に求めておき、実際の制御時には、横揺れ角速度方位について目標値と実測値との差の最小値が得られる様に制御面への指令値を設定するものである。

概要

複数の小フィンで動揺を低減するための制御方式を提供することを目的とする。

複数のアクチュエィターで一定時間以上の連続する時系列データと瞬時応答データとを組み合わせて制御用のデータを作成し、各アクチュエィターへの制御用信号の設定を独立して行い、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算を、計測される船体運動と制御中の各アクチュエィターの作用による想定船体運動の両者の時系列データの周波数解析結果に基づいて行い、かつ、一定時間毎に制御用の演算処理に必要なパラメータの変更を行うことを特徴としたものである。

目的

本発明は、これらの欠点や問題点を取り除くために、複数の小フィンで動揺を低減するための制御方式を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

船舶動揺を低減するために複数のアクチュエィターを制御する装置において、複数のアクチュエィターで一定時間以上の連続する時系列データと瞬時応答データとを組み合わせて制御用のデータを作成し、各アクチュエィターへの制御用信号の設定を独立して行い、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算を、計測される船体運動と制御中の各アクチュエィターの作用による想定船体運動の両者の時系列データの周波数解析結果に基づいて行い、かつ、一定時間毎に制御用の演算処理に必要なパラメータの変更を行うことを特徴とする制御方法

請求項2

船舶の動揺を低減するためのに複数のアクチュエィターを制御する装置において、少なくとも、複数のセンサーからの信号を取り込む信号入力部、複数の入力信号周波数解析する信号解析部、複数の各アクチュエィターに対して一定時間以上の連続したアクチュエィター駆動パターン演算する第一制御処理部、複数の各アクチュエィターに対してセンサー入力信号に基づき瞬時のアクチュエィター駆動パターンを演算処理する第二制御処理部、各アクチュエィターの第一の制御処理部と第二の制御処理部での演算結果から各アクチュエィター制御用の出力信号を設定する出力信号設定部、ならびに、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算、及び、第一制御処理部と第二制御処理部での演算処理に必要なパラメータの値の一定時間毎の変更を行う制御判定部から構成されることを特徴とする制御装置

技術分野

0001

本発明は、波浪中での船舶動揺を低減するための制御の方法及び装置に関する。

背景技術

0002

従来のフィンスタビライザは、横揺れを低減の対象とし、その運動に関する複数のセンサー信号に対して、左右2つアクチュエィターの出力信号の設定を行う。

0003

ロールピッチとから成る複合的な動揺を制御する先行技術の例としては、以下のものがある。

0004

特開平6−166396号公報は、船体前後左右両舷にフィンを配置し、検出したロール角ピッチ角から、または、検出したロール角速度ピッチ角速度から、一定の演算により前後左右のフィンの揚力配分調整を行い、動揺を制御しようとするものである。

0005

特開平8−34389号公報は、船首部左右舷にフィンと船尾端の左右舷にトリムタブを装置を用い、ロール角速度検出手段とピッチ角速度検出手段と、これら検出信号からロール制御量またはピッチ制御量適応制御手法や一定の演算手法を用いて配分調整する制御量配分手段からフィンとトリムタブの制御量を決める方法である。

0006

従来のフィンスタビライザのように、フィンから発生するモーメントで動揺を直接押さえるのではなく、船体の動きの特性を利用して押さえようとした例として、以下の様なものがある。

0007

特開平4−321485号公報は、操舵によって船舶が変針する際に、船体が傾く現象を利用したもので、制御面としてを用い、ヨーとロールを低減しようとするものである。

0008

制御方法は、制御面への指令値と複数の被制御変数との相関係数を統計的に求めておき、実際の制御時には、横揺れ角速度方位について目標値と実測値との差の最小値が得られる様に制御面への指令値を設定するものである。

発明が解決しようとする課題

0009

同時に複数のフィンを制御する従来技術では、複合運動がそれぞれ独立した運動の合成であるとした運動モデル前提として、それぞれ独立した運動に対応して各翼面対応付けられているか、それぞれの動揺に対して複数のフィンを割り当てて、発生する揚力の配分を与えていた。

0010

このような従来技術は、個々のアクチュエィターからの作用が対応する個々の動揺の低減に有効でないとき、それらの組み合わせで決定される全体システムの動揺の低減に対して十分でない。

0011

一方、個々のアクチュエィターからの作用が対応する個々の動揺の低減に十分なとき、装置の大型化やスピードの低下が問題となる。

0012

また、船体の運動特性を利用して制御する装置例もあるが、他の動揺低減装置補助的な動揺の低減効果しか得られていない。

0013

本発明は、これらの欠点や問題点を取り除くために、複数の小フィンで動揺を低減するための制御方式を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0014

上記した課題を達成するために請求項1の発明は、船舶の動揺を低減するために複数のアクチュエィターを制御する装置において、複数のアクチュエィターで一定時間以上の連続する時系列データと瞬時応答データとを組み合わせて制御用のデータを作成し、各アクチュエィターへの制御用信号の設定を独立して行い、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算を、計測される船体運動と制御中の各アクチュエィターの作用による想定船体運動の両者の時系列データの周波数解析結果に基づいて行い、かつ、一定時間毎に制御用の演算処理に必要なパラメータの変更を行うことを特徴としたものである。

0015

また、請求項2の発明は、船舶の動揺を低減するためのに複数のアクチュエィターを制御する装置において、少なくとも、複数のセンサーからの信号を取り込む信号入力部、複数の入力信号周波数解析する信号解析部、複数の各アクチュエィターに対して一定時間以上の連続したアクチュエィター駆動パターンを演算する第一制御処理部、複数の各アクチュエィターに対してセンサー入力信号に基づき瞬時のアクチュエィター駆動パターンを演算処理する第二制御処理部、各アクチュエィターの第一の制御処理部と第二の制御処理部での演算結果から各アクチュエィター制御用の出力信号を設定する出力信号設定部、ならびに、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算、及び、第一制御処理部と第二制御処理部での演算処理に必要なパラメータの値の一定時間毎の変更を行う制御判定部から構成されることを特徴としたものである。

0016

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

0017

図1は、本発明にかかる制御フロー図で、3ヶのアクチュエィターを制御する例である。

0018

テップS1では複数センサーからの複数チャンネル分信号入力を実施し、ステップS2ではこれら複数チャンネル分の入力信号を周波数解析用に一定時間入力し、これを蓄積する。

0019

ステップS3では、複数チャンネル分の蓄積データを周波数解析し、複数チャンネル分の周波数ベースでの振幅と基準からの位相差を求める。

0020

ステップS4で、上記の周波数と振幅の関係をエネルギースペクトラムの形で求め、最大値と最大値をとる周波数、全体エネルギー量などを複数チャンネル分について求める。

0021

ステップS5で、各動揺に対して予め与えておいた全体エネルギーの基準値エネルギー最大値の基準値、それぞれに対する比率から、7種の動揺モード分類する。7種の動揺モードは、各3軸周りの動揺が主体であることを示す3種と、3軸周りの動揺のうちの各2種類の動揺が主体であることを示す3種と、3軸周りの動揺の全てが主体であることを示す1種とからなる。

0022

本ステップの方法の詳細は図2を用いて後述するが、動揺モードをMMとすると、MM=1はロールが主の動揺であることを、MM=2はピッチが主の動揺であることを、MM=3はヨーが主体の動揺であることを、MM=4はロールとピッチが主体の動揺であることを、MM=5はピッチとヨーが主体の動揺であることを、MM=6は、ヨーとロールが主体の動揺であることを示す。

0023

MMの値に従って、主体となる動揺を低減するために、複数の各アクチュエィターの組み合わせパターンを変更する。

0024

ステップS6で3つの制御評価モードに分類する。制御評価モードをCEMで表すと、制御が良好なCEM=1の場合は、制御方式パラメータと制御信号作成用パラメータは両者とも変更しない。制御が良好でないCEM=3の場合は、制御方式パラメータと制御信号作成用パラメータの両者ともに変更する。CEM=2の場合はその中間にあり、制御方式パラメータはそのままとするが、制御信号作成用パラメータを変更する。

0025

制御方式パラメータとしては、低減対象代表周波数カットオフ周波数、ならびに、時系列データによる制御と応答データによる制御のそれぞれの作用による想定船体運動のエネルギー量が想定される全ての運動のエネルギーに占める割合である。ステップS7で複数アクチュエィターに対して、制御方式パラメータを設定する。本方法の詳細は、図3を用いて後述する。

0026

制御信号作成用パラメータとしては、アクチュエィターに信号を設定する際のゲイン係数位相調整量である。ステップS8複数アクチュエィターに対して制御信号作成用パラメータを設定する。

0027

ステップS9a,S9bおよびS9cでは、設定されたパラメータに従って時系列データによる制御用のデータ作成を行い,時系列パターンでアクチュエィターの制御量を求める。

0028

ステップS10a、S10bおよびS10cでは、制御信号作成用パラメータの位相調整量を設定するタイミングをとるための計測信号入力を行う。

0029

ステップS11a、S11bおよびS11cでは、時系列データによる制御用のデータを設定するために位相調整を行う。

0030

ステップS12a、S12bおよびS12cで応答制御用の信号入力を行う。

0031

ステップS13a、S13bおよびS13cでは、応答データによる制御用のアクチュエィターの制御量を求める。

0032

ステップS14a、S14bおよびS14cでは、上記した時系列パターンと応答データによる制御量の2種類の制御量を重ね合わせてアクチュエィターに出力信号を設定する。

0033

なお、上記処理のステップは、制御開始直後はS1からS14まで順次実行されるが、以降は、S1からS2までの第一処理グループ、S3からS9までの第二処理グループ、S10からS11までの第三処理グループ、ならびに、S12からS14までの第四処理グループの4グループで、時間的に並行して処理される。

0034

また、S9からS14までは3ヶのアクチュエィターに対して独立した処理が実行される。

0035

図2は、本発明にかかる制御方法で図1のステップS5で動揺モードを求めるときの方法概念図である。

0036

(a)で、横軸動揺周波数101をとり、縦軸に動揺のエネルギースペクトラムをとる。制御実行中の動揺の大きさの判定には、無制御時の想定動揺スペクトラム105を用いる。

0037

これは、時系列データによる制御の作用に基づく想定動揺スペクトラム102、応答データによる制御の作用に基づく想定動揺スペクトラム103および計測信号から求めた動揺スペクトラム104を重ね合わせて求められる。

0038

(b)で、3種類の動揺の大きさを評価するときは、(a)で示した無制御時の想定動揺スペクトラムを3種類の動揺に対して、それぞれ108、109及び110と求め、これらから各スペクトラムの周波数に関する積分値S1,S2及びS3を求めて利用する。

0039

(c)でS2/S1とS3/S1を変数にとり、その取る値に従って、7つの領域に分割する。動揺モードをMMとし、MM=1〜7とする。MMの値に従って、低減対象とする動揺を選択する。

0040

図3は、本発明にかかる制御方法で図1のステップS7で複数のアクチュエィターの制御量を求めるときの方法概念図である。

0041

(a)で周波数201を横軸にとり、アクチュエィターNo1の時系列データによる制御に基づく駆動エネルギースペクトラムを202で示す。

0042

202に対して、予めシミュレーション計算試験計測で求めておいたアクチュエィターの駆動エネルギースペクトラムと船体の3軸周りの動揺の関係を用いた処理S201により、(c)で3軸周りの想定動揺スペクトラム203、204及び205を求める。

0043

スペクトラム202のアクチュエィターNo1の時系列データによる制御では、第一の動揺203や第三の動揺205と比べ第二の動揺204に対する作用の大きいことを示している。

0044

(b)で、アクチュエィターNo2の時系列データによる制御用の駆動エネルギースペクトラム206と応答データによる制御用の駆動エネルギースペクトラム207を示す。

0045

駆動スペクトラムと動揺スペクトラムの予め与えておいた関係を用いた処理S202により、駆動スペクトラム206と207に対応する(d)の想定動揺スペクトラム208と209を求める。

0046

(b)と(d)からは、駆動エネルギーがほぼ等しい206と207に対して、想定動揺スペクトラムは207に対応する209の方が206に対応する208と比べ大きい。これは、アクチュエィターNo2の第二の動揺に対する制御では、応答データによる制御の方が時系列データによる制御より制御効率の高いことを示している。

0047

第二の動揺に対しては、アクチュエィターNo1の時系列データによる制御とアクチュエィターNo2の応答データによる制御を重ね合わせる処理S203により、(e)でそれぞれのアクチュエィターでの低減を想定する動揺スペクトラム210と211を重ね合わせて、全体で想定動揺スペクトラム212に対応する動揺の低減が図れることを示している。

0048

図4は、本発明にかかる制御装置制御ブロック図で、3ヶのアクチュエィターの場合の実施例である。1は複数センサーからの信号を入力するセンサー信号入力部、2は複数チャンネル分の入力信号の周波数解析を行う入力信号解析部、3は制御判定部、4は第一制御処理部、5は第二制御処理部、6は出力信号設定部である。

0049

センサー信号入力部1は、複数のセンサーから入力されたアナログ信号を設定サンプリング周波数サンプリングデジタル信号に変換する。

0050

複数アクチュエィターへのそれぞれの出力信号設定部6は、各アクチュエィター対応の第一制御処理部4と同じく第二制御処理部5で演算された結果を重ね合わせて、各アクチュエィターへの出力信号を設定する。

0051

制御判定部3は、計測される船体運動とアクチュエィターの作用による船体運動の周波数解析結果を用いて、複数の動揺の大きさのランク付け、動揺特性を表すパラメータの計算、動揺低減の効果を表すパラメータの計算を行う。

0052

また、制御判定部3は、第一制御処理部と第二制御処理部での演算処理に必要なパラメータの値を一定時間毎に変更する。

0053

第一制御処理部4は、上記制御判定部で設定されたパラメータを用いて、複数の各アクチュエィターに対して一定時間以上の連続したアクチュエィター駆動パターンを演算して求める。

0054

第二制御処理部5は、上記制御判定部で設定されたパラメータを用いて、複数の各アクチュエィターに対してセンサー入力信号に基づき瞬時のアクチュエィター駆動パターンを演算処理して求める。

発明の効果

0055

以上のように、本発明によれば、複数のアクチュエィターによる作用を有効に組み合わせて利用して動揺が低減でき、装置の小型化、駆動パワーの低減に効果がある。また、フィンの迎角の急激な変化を抑えることができ、スピードロスやキャビテーション発生の低減に効果がある。

0056

さらに、フィンや対象船舶の種類や大きさ、動揺低減の目的、ならびに、海象条件気象条件などの外乱の状況を考慮しての制御パラメータの設定ができ、動揺の低減効果が高い。

図面の簡単な説明

0057

図1本発明にかかる制御フロー図である。(実施例1)
図2動揺モード評価方法の概念図である。
図3複数アクチュエィターへの制御量割り当ての概念図である。
図4本発明にかかる制御フロー図である。(実施例2)

--

0058

1:センサー信号入力部
2:入力信号解析部
3:制御判定部
4a,4b,4c:第一制御処理部
5a,5b,5c:第二制御処理部
6a,6b,6c:出力信号設定部
210:No1アクチュエィターの時系列データによる制御による第二の動揺スペクトラム
211:No2アクチュエィターの応答データによる制御による第二の動揺スペクトラム
212:複数アクチュエィターによる第二の動揺全体想定スペクトラム

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