JPH0834396A - Automatic steering gear for ship - Google Patents

Automatic steering gear for ship

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Publication number
JPH0834396A
JPH0834396A JP6172424A JP17242494A JPH0834396A JP H0834396 A JPH0834396 A JP H0834396A JP 6172424 A JP6172424 A JP 6172424A JP 17242494 A JP17242494 A JP 17242494A JP H0834396 A JPH0834396 A JP H0834396A
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JP
Japan
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automatic steering
disturbance
automatic
steering system
adder
Prior art date
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Pending
Application number
JP6172424A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fuyuki Hane
冬希 羽根
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Tokimec Inc
Original Assignee
Tokimec Inc
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Filing date
Publication date
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

PURPOSE:To remove the instability of an automatic steering system resulting from the non-linear element of an automatic steering gear by coming the combination of the automatic steering system and a generalized control object to be controlled into an Hinfinity control problem. CONSTITUTION:When a set course thetaIN is input into an automatic steering system, a first adder 11 obtains deviation ERR between the set course thetaIN and a bow bearing thetaOUT. The automatic steering gear 12 obtains a command steering angle deltaC by the deviation ERR, and outputs it to a second adder 13. Also the second adder 13 controls the results obtained by deducting the disturbance (d) of angle conversion from the command steering angle deltaC, and outputs it to an object 14. Then a third adder 15 deducts a detected disturbance dv of a bow bearing detector from an output signal phi of the control object 14, and generates a bow bearing thetaOUT. The bow bearing thetaOUT is fed back to the first adder 11. Thus a stable closed loop is formed so that the deviation ERR becomes zero.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は船舶用自動操舵装置の制
御系に関し、より詳細には斯かる制御系のオートパイロ
ットの改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control system for an automatic steering system for a ship, and more particularly to improvement of an autopilot for such a control system.

【0002】[0002]

【従来の技術】図5に従来の船舶用自動操舵装置の制御
系を模式化したブロック図を示す。斯かる制御系を以下
に単に自動操舵系と称する。自動操舵系は加算器11と
自動操舵装置即ちオートパイロット12と操舵機16と
船体14−1と船首方位検出器14−2とを含む。
2. Description of the Related Art FIG. 5 is a block diagram schematically showing a control system of a conventional automatic steering system for ships. Hereinafter, such a control system will be simply referred to as an automatic steering system. The automatic steering system includes an adder 11, an automatic steering device, that is, an autopilot 12, a steering device 16, a hull 14-1, and a heading detector 14-2.

【0003】自動操舵系に入力信号として設定針路θIN
が入力される。加算器11は設定針路θINと船首方位θ
OUT の偏差ERRを求める。自動操舵装置即ちオートパ
イロット12は斯かる偏差ERRを入力して命令舵角δ
C を出力する。斯かる命令舵角δC は操舵機16に供給
される。
Set course θ IN as an input signal to the automatic steering system
Is entered. The adder 11 has a set course θ IN and a heading θ
Calculate the deviation ERR of OUT . The automatic steering device, that is, the autopilot 12 inputs the deviation ERR and inputs the command steering angle δ.
Output C. The command steering angle δ C is supplied to the steering gear 16.

【0004】操舵機16は舵角δを命令舵角δC に迅速
に追従させるためのサーボ機構を有し、1次遅れ要素に
相当する。船体14−1には風、波浪等の外乱dが作用
する。船体14−1は船舶の方位軸周りに回転する運動
系であると考えることができる。船体14−1は舵角δ
と角度換算された外乱dを入力信号とし船首方位の角速
度dθ/dtを出力信号とする。
The steering machine 16 has a servo mechanism for causing the steering angle δ to quickly follow the command steering angle δ C , and corresponds to a first-order lag element. A disturbance d such as wind and waves acts on the hull 14-1. The hull 14-1 can be considered as a motion system that rotates around the azimuth axis of the ship. The hull 14-1 has a rudder angle δ
The angle-converted disturbance d is used as an input signal, and the angular velocity dθ / dt in the bow direction is used as an output signal.

【0005】船首方位検出器14−2は船首方位の角速
度dθ/dtより船首方位θOUT を演算する。船首方位
検出器14−2はジャイロコンパス、磁気コンパス等を
含むものであってよい。斯かる船首方位θOUT は加算器
11にフィードバックされる。加算器11の出力である
偏差ERRがゼロになるように安定な閉ループが構成さ
れる。このとき船首方位θOUT は自動操舵系の出力信号
として出力される。
The heading detector 14-2 calculates the heading θ OUT from the angular velocity dθ / dt of the heading. The heading detector 14-2 may include a gyro compass, a magnetic compass, or the like. The heading θ OUT is fed back to the adder 11. A stable closed loop is configured so that the deviation ERR output from the adder 11 becomes zero. At this time, the heading θ OUT is output as an output signal of the automatic steering system.

【0006】図6を参照して従来の自動操舵装置即ちオ
ートパイロット12の構成と動作を説明する。オートパ
イロット12は線形要素12−1と非線形要素12−2
を有し、偏差ERRを入力し命令舵角δC を出力する。
線形要素12−1は、比例+積分+微分(PID)制御
の機能、及びフィルタの機能を有する。非線形要素12
−2は天候調整機構を有する。
The structure and operation of the conventional automatic steering device, that is, the autopilot 12, will be described with reference to FIG. The autopilot 12 has a linear element 12-1 and a non-linear element 12-2.
And inputs the deviation ERR and outputs the command steering angle δ C.
The linear element 12-1 has a function of proportional + integral + derivative (PID) control and a function of a filter. Non-linear element 12
-2 has a weather adjustment mechanism.

【0007】比例(P)動作及び微分(D)動作は通常
の自動操舵系の周波数帯にて自動操舵中に船体の安定を
保持するように機能し、積分(I)動作は外乱dが船体
14−1に作用したとき船体14−1に生じる船首方位
θOUT の偏差ERRを定常的にゼロにするように機能
し、通常の運行で使用する低周波数域で作動する。フィ
ルタ機能は高周波域の外乱dを除去するように作動す
る。
The proportional (P) operation and the derivative (D) operation function to maintain the stability of the hull during automatic steering in the frequency band of the normal automatic steering system, and the integral (I) operation causes the disturbance d to affect the hull. When it acts on 14-1, it functions to steadily reduce the deviation ERR of the heading θ OUT generated in the hull 14-1 to zero, and operates in the low frequency range used in normal operation. The filter function operates so as to remove the disturbance d in the high frequency range.

【0008】天候調整機構は、外乱dに起因して操舵機
16に不要な操作量が生ずることを軽減させるように作
動する。こうして、偏差信号ERRはオートパイロット
12の線形要素12−1と非線形要素12−2の各動作
によって処理され、命令舵角δC が生成される。
The weather adjusting mechanism operates so as to reduce an unnecessary operation amount of the steering gear 16 caused by the disturbance d. Thus, the deviation signal ERR is processed by each operation of the linear element 12-1 and the non-linear element 12-2 of the autopilot 12, and the command steering angle δ C is generated.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来のオートパイロッ
ト12は、線形要素12−1と非線形要素12−2を有
し、斯かる要素の各々は独立的にその機能及び目的を達
成するように構成されている。自動操舵系の安定性は主
として線形要素12−1の比例動作(P)と微分動作
(D)によって確保される。
A conventional autopilot 12 has a linear element 12-1 and a non-linear element 12-2, each of which is configured to independently achieve its function and purpose. Has been done. The stability of the automatic steering system is ensured mainly by the proportional action (P) and the differential action (D) of the linear element 12-1.

【0010】しかしながら、非線形要素12−2である
天候調整機構は例えば、自励発振と呼ばれる持続的な船
首の揺動(ヨーイング)を生じさせ、それによって自動
操舵系の安定性を損うことがあると指摘されている。特
に針路が不安定な船舶の場合、通常の自動操舵系の調節
範囲でも、斯かる天候調整機構による自励発振は不可避
であるとの報告もある。
However, the weather adjusting mechanism which is the non-linear element 12-2 causes, for example, continuous swinging of the bow (yawing) called self-excited oscillation, which may impair the stability of the automatic steering system. It is pointed out that there is. In particular, in the case of a ship with an unstable course, it is also reported that self-excited oscillation by such a weather adjustment mechanism is inevitable even within the adjustment range of a normal automatic steering system.

【0011】天候調節機構は、位相遅れを伴わない非線
形要素(バックラッシュ、二重舵角比等)を含み、偏差
ERRに含まれる外乱dの振幅に基づいて、バックラッ
シュ幅、ゲイン切り換え幅等を制御している。これは、
天候調節機構は外乱dの周波数特性を考慮することが困
難であることを意味する。その結果、上述のように、外
乱dに起因して操舵機16に生ずる不要な操作量を軽減
させるという天候調整機構の機能が期待できないことと
なる。
The weather adjusting mechanism includes a non-linear element (backlash, double steering angle ratio, etc.) without a phase delay, and based on the amplitude of the disturbance d included in the deviation ERR, the backlash width, the gain switching width, etc. Are in control. this is,
This means that it is difficult for the weather control mechanism to consider the frequency characteristic of the disturbance d. As a result, as described above, it is not possible to expect the function of the weather adjusting mechanism to reduce the unnecessary operation amount generated in the steering device 16 due to the disturbance d.

【0012】本発明は斯かる点に鑑み、オートパイロッ
ト12の非線形要素12−2に起因する自動操舵系の不
安定性を除去することを目的とする。
In view of the above point, the present invention aims to eliminate the instability of the automatic steering system due to the non-linear element 12-2 of the autopilot 12.

【0013】本発明は斯かる点に鑑み、オートパイロッ
ト12を線形要素12−1のみで構成し自動操舵系の安
定性を確保することを目的とする。
In view of this point, the present invention has an object to secure the stability of the automatic steering system by configuring the autopilot 12 with only the linear element 12-1.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明によると、例えば
図1に示すように、設定針路に対する船首方位の偏差を
指示する信号を入力して命令舵角を出力する自動操舵装
置を閉ループによって制御するように構成された船舶用
自動操舵装置において、制御すべき対象としての一般化
制御対象100と上記自動操舵装置12とを組み合わせ
てH∞制御問題に帰着させたことを特徴とする。
According to the present invention, as shown in FIG. 1, for example, a closed loop control of an automatic steering device that inputs a signal indicating a deviation of a heading from a set course and outputs a commanded steering angle. In the marine vessel automatic steering apparatus configured as described above, the generalized controlled object 100 as an object to be controlled and the automatic steering apparatus 12 are combined to result in the H∞ control problem.

【0015】本発明によると、例えば図2に示すよう
に、船舶用自動操舵装置において、上記一般化制御対象
100は、上記自動操舵装置に対して外乱に起因する不
必要な操作を与えないような周波数特性を有する第1の
重み関数17と、低周波数域の外乱に起因する定常誤差
を上記偏差に残留させないような周波数特性を有する第
2の重み関数18と、制御対象14と、を一体化させて
構成したものであることを特徴とする。
According to the present invention, for example, as shown in FIG. 2, in the automatic steering device for a ship, the generalized controlled object 100 does not apply unnecessary operation to the automatic steering device due to disturbance. A first weighting function 17 having a stable frequency characteristic, a second weighting function 18 having a frequency characteristic that prevents a steady error caused by a disturbance in a low frequency range from remaining in the deviation, and the controlled object 14 are integrated. It is characterized in that it is configured by converting.

【0016】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記一般化制御対象100は更に、上記自動操舵
装置12の出力信号である命令舵角より上記外乱の角度
換算値を減算して舵角を求める加算器13を有すること
を特徴とする。
According to the present invention, in the automatic steering system for a ship, the generalized control target 100 further subtracts the angle conversion value of the disturbance from the commanded steering angle which is the output signal of the automatic steering system 12, and steers the steering angle. It is characterized by having an adder 13 for obtaining

【0017】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記制御対象14は船体及び船首方位検出器を一
体化して構成したものであることを特徴とする。
According to the present invention, in the marine vessel automatic steering device, the controlled object 14 is formed by integrating a hull and a heading detector.

【0018】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記外乱から上記自動操舵装置の出力信号までの
伝達関数が上記第1の重み関数の逆数以下であることを
特徴とする。
According to the present invention, in the marine vessel automatic steering system, the transfer function from the disturbance to the output signal of the automatic steering system is less than or equal to the reciprocal of the first weighting function.

【0019】本発明によると、船舶用自動操舵装置にお
いて、上記外乱から上記自動操舵装置の入力信号までの
伝達関数が上記第2の重み関数の逆数以下であることを
特徴とする。
According to the present invention, in the marine vessel automatic steering system, the transfer function from the disturbance to the input signal of the automatic steering system is less than or equal to the reciprocal of the second weighting function.

【0020】[0020]

【作用】本発明によると、自動操舵系をH∞制御として
扱い、斯かる自動操舵系の課題をH∞制御問題に帰着さ
せることによって解決する。
According to the present invention, the automatic steering system is treated as H∞ control, and the problem of such automatic steering system is solved by reducing it to the H∞ control problem.

【0021】自動操舵系を自動操舵装置即ちオートパイ
ロット12と一般化制御対象100の2つの要素より構
成し、一般化制御対象100を制御対象14と2つの重
み関数17、18とより構成する。制御対象14は船体
14−1と船首方位検出器14−2を一体化してもので
ある。
The automatic steering system is composed of two elements, an automatic steering device, that is, an autopilot 12 and a generalized controlled object 100, and the generalized controlled object 100 is composed of a controlled object 14 and two weighting functions 17 and 18. The controlled object 14 is formed by integrating the hull 14-1 and the heading detector 14-2.

【0022】第1の重み関数17は、外乱dに起因して
操舵機16に不要な操作量が生ずることを回避するよう
な周波数特性を有し、第2の重み関数18は、低周波域
の外乱dに対して偏差ERRに定常誤差が残らないよう
な周波数特性を有する。
The first weighting function 17 has a frequency characteristic that avoids an unnecessary amount of operation of the steering gear 16 due to the disturbance d, and the second weighting function 18 has a low frequency range. The frequency characteristic is such that a steady error does not remain in the deviation ERR with respect to the disturbance d.

【0023】外乱dに対する命令舵角δC の評価量
T 、ZQ と偏差ERRの各々の周波数特性を定量化す
ることによってH∞制御問題に帰着される。
The H∞ control problem is reduced by quantifying the frequency characteristics of the evaluation quantities Z T , Z Q and the deviation ERR of the command steering angle δ C with respect to the disturbance d.

【0024】本発明よると、自動操舵装置即ちオートパ
イロット12は低域から高域にいたる周波数をもつ外乱
dに対して自動操舵系の安定性を保証し、且つ操舵機1
6に不要な操作量が生ずることを排除するような周波数
特性を有する。
According to the present invention, the automatic steering device, that is, the autopilot 12 guarantees the stability of the automatic steering system against the disturbance d having a frequency ranging from the low range to the high range, and the steering system 1
6 has a frequency characteristic that eliminates the occurrence of an unnecessary manipulated variable.

【0025】[0025]

【実施例】以下に図1〜図4を参照して本発明の実施例
について説明する。尚図1〜図2において図5〜図6の
対応する部分には同一の参照符号を付してその詳細な説
明は省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 2, the corresponding parts in FIGS. 5 to 6 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0026】図1は本発明による船舶用自動操舵装置の
制御系即ち自動操舵系のブロック図を示す。斯かる自動
操舵系は第1の加算器11と自動操舵装置即ちオートパ
イロット12と第2の加算器13と制御対象14と第3
の加算器15とを含む。制御対象14は図5に示した船
体14−1と船首方位検出器14−2を一体化したもの
である。尚、操舵機16を省略したのは、操舵機16の
応答はこの自動操舵系の応答に比べて1桁程度速いので
その動特性を無視することができるからである。
FIG. 1 is a block diagram of a control system, that is, an automatic steering system of an automatic steering system for a ship according to the present invention. Such an automatic steering system includes a first adder 11, an automatic steering device, that is, an autopilot 12, a second adder 13, a control target 14, and a third adder 13.
And an adder 15 of. The control target 14 is an integration of the hull 14-1 and the heading detector 14-2 shown in FIG. The steering gear 16 is omitted because the response of the steering gear 16 is about one digit faster than the response of the automatic steering system, and the dynamic characteristics thereof can be ignored.

【0027】自動操舵系に入力信号として設定針路θIN
が入力される。第1の加算器11は設定針路θINと船首
方位θOUT の偏差ERRを求める。自動操舵装置即ちオ
ートパイロット12は斯かる偏差ERRを入力して命令
舵角δC を出力する。斯かる命令舵角δC は第2の加算
器13に供給される。
Set course θ IN as an input signal to the automatic steering system
Is entered. The first adder 11 obtains the deviation ERR between the set course θ IN and the heading θ OUT . The automatic steering device, that is, the autopilot 12 inputs the deviation ERR and outputs the command steering angle δ C. The command steering angle δ C is supplied to the second adder 13.

【0028】第2の加算器13は命令舵角δC より角度
換算の外乱dを減算し、その結果を制御対象14に出力
する。第3の加算器15は制御対象14の出力信号φよ
り船首方位検出器14−2の検出外乱dV を減算して、
船首方位θOUT を生成する。斯かる船首方位検出器14
−2の検出外乱dV は図5のブロック図には示されず、
ここで新た追加されたものである。
The second adder 13 subtracts the angle-converted disturbance d from the command steering angle δ C and outputs the result to the controlled object 14. The third adder 15 subtracts the detection disturbance d V of the bow direction detector 14-2 from the output signal φ of the controlled object 14,
Generate heading θ OUT . Such a heading detector 14
The detected disturbance d V of −2 is not shown in the block diagram of FIG.
It is newly added here.

【0029】船首方位θOUT は第1の加算器11にフィ
ードバックされる。加算器11の出力である偏差ERR
がゼロになるように安定な閉ループが構成される。この
とき船首方位θOUT は自動操舵系の出力信号として出力
される。
The heading θ OUT is fed back to the first adder 11. Deviation ERR which is the output of the adder 11
A stable closed loop is constructed so that is zero. At this time, the heading θ OUT is output as an output signal of the automatic steering system.

【0030】図1において、外乱dから命令舵角δC
での伝達関数、即ち、第1の伝達関数T(s)は、
In FIG. 1, the transfer function from the disturbance d to the command steering angle δ C , that is, the first transfer function T (s) is

【0031】[0031]

【数1】T(s)=P(s)K(s)/〔1+P(s)
K(s)〕
## EQU1 ## T (s) = P (s) K (s) / [1 + P (s)
K (s)]

【0032】となる。また、外乱dから偏差ERRまで
の伝達関数、即ち、第2の伝達関数Q(s)は、
## EQU1 ## The transfer function from the disturbance d to the deviation ERR, that is, the second transfer function Q (s) is

【0033】[0033]

【数2】 Q(s)=P(s)/〔1+P(s)K(s)〕## EQU00002 ## Q (s) = P (s) / [1 + P (s) K (s)]

【0034】となる。K(s)はオートパイロット12
の伝達関数、P(s)は制御対象14の伝達関数、sは
ラプラス演算子である。
It becomes K (s) is auto pilot 12
, P (s) is the transfer function of the controlled object 14, and s is the Laplace operator.

【0035】次に第1及び第2の伝達関数T(s)、Q
(s)の定量的な仕様を設定する。斯かる仕様は2つの
重み関数WT (s)、WQ (s)によって規定される。
第1の重み関数WT (s)は操舵機16に外乱dによる
不要な操作を与えないように所定の周波数特性を有し、
第2の重み関数WQ (s)は低波数の外乱dに対して偏
差ERRに定常誤差が残らないように所定の周波数特性
を有する。
Next, the first and second transfer functions T (s), Q
(S) Set quantitative specifications. Such specifications are defined by two weighting functions W T (s) and W Q (s).
The first weighting function W T (s) has a predetermined frequency characteristic so as not to give unnecessary operation to the steering gear 16 due to the disturbance d,
The second weighting function W Q (s) has a predetermined frequency characteristic so that a steady error does not remain in the deviation ERR with respect to the disturbance d having a low wave number.

【0036】伝達関数T(s)、Q(s)の定量的な仕
様を周波数表現のゲインによって表すと次のようにな
る。
The quantitative specifications of the transfer functions T (s) and Q (s) are expressed by the gain of the frequency expression as follows.

【0037】[0037]

【数3】 |T(jω)|<1/|WT (jω)|,∀ω |Q(jω)|<1/|WQ (jω)|,∀ω[Equation 3] | T (jω) | <1 / | W T (jω) |, ∀ω | Q (jω) | <1 / | W Q (jω) |, ∀ω

【0038】ここでωは周波数、jは虚数単位である。Where ω is the frequency and j is the imaginary unit.

【0039】斯かる仕様を満たし且つオートパイロット
12の安定性を保証する自動操舵系は所謂H∞制御問題
に帰着させることができる。尚、H∞制御問題の詳細
は、例えば、「SIC夏期セミナー’92 −新しい制
御理論に基づく自動操舵系設計法−」テキスト、(社)
計測自動制御学会、1992年、を参照されたい。
An automatic steering system which satisfies the specifications and guarantees the stability of the autopilot 12 can be reduced to a so-called H∞ control problem. For details of the H ∞ control problem, see, for example, “SIC Summer Seminar '92 -Automatic Steering System Design Method Based on New Control Theory”,
See The Society of Instrument and Control Engineers, 1992.

【0040】図2を参照して本発明の例を詳細に説明す
る。図1に示した自動操舵系をH∞制御問題に帰着させ
るために、これを一般化制御対象100とオートパイロ
ット12からなる自動操舵系に置き換える。ここに一般
化制御対象100は、図示のように、第1及び第2の重
み関数17、18と制御対象14を一体化したものであ
る。尚、簡単化のため設定針路θIN=0とする。
An example of the present invention will be described in detail with reference to FIG. In order to reduce the automatic steering system shown in FIG. 1 to the H ∞ control problem, it is replaced with an automatic steering system including the generalized controlled object 100 and the autopilot 12. Here, the generalized controlled object 100 is one in which the first and second weighting functions 17 and 18 and the controlled object 14 are integrated, as shown in the figure. Note that the set course θ IN = 0 is set for simplification.

【0041】第1の重み関数17は命令舵角δC を入力
して信号ZT を出力し、第2の重み関数18は制御対象
14の出力信号φを入力して信号ZQ を出力する。第1
の重み関数17の出力信号ZT は外乱dに対する命令舵
角δC の要求される仕様(数3の第1式)の評価量を表
し、第2の重み関数18の出力信号ZQ は外乱dV に対
する偏差ERRの要求される仕様(数3の第2式)の評
価量を表す。
The first weighting function 17 inputs the command steering angle δ C and outputs the signal Z T , and the second weighting function 18 inputs the output signal φ of the controlled object 14 and outputs the signal Z Q. . First
The output signal Z T of the weighting function 17 represents the evaluation value of the Specification (first type number 3) required for the instruction steering angle [delta] C to the disturbance d, the output signal Z Q of the second weighting function 18 is the disturbance It represents the evaluation amount of the required specification (the second expression of the equation 3) of the deviation ERR with respect to d V.

【0042】一般化制御対象100は外乱d、dV 及び
命令舵角δC を入力し、評価量ZT、ZQ 及び偏差ER
Rを出力する。制御対象100の伝達関数をG(s)と
すると、次のような関係が成立する。
The generalized controlled object 100 inputs the disturbances d, d V and the command steering angle δ C , and evaluates Z T , Z Q and the deviation ER.
Output R. When the transfer function of the controlled object 100 is G (s), the following relationship is established.

【0043】[0043]

【数4】 [Equation 4]

【0044】但し、ラプラス演算子sは特記しない限り
省略する。この式にオートパイロット12の関係式、即
ち、数1及び数2の式を代入すると次の式が得られる。
However, the Laplace operator s is omitted unless otherwise specified. Substituting the relational expression of the autopilot 12, that is, the expressions of the equations 1 and 2 into this equation, the following equation is obtained.

【0045】[0045]

【数5】 ZT =WT ・〔PK/(1+PK)〕・d=WT Td ZQ =WQ ・〔P/(1+PK)〕・d=WQ Qd[Formula 5] Z T = W T · [PK / (1 + PK)] · d = W T Td Z Q = W Q · [P / (1 + PK)] · d = W Q Qd

【0046】こうして、数3の式の仕様が定式化され
た。これによって自動操舵系の安定性を保証することが
可能なオートパイロット12が得られる。
In this way, the specifications of the equation (3) are formulated. As a result, the autopilot 12 capable of guaranteeing the stability of the automatic steering system is obtained.

【0047】次に本例の自動操舵系の動作を説明する。
先ず第2の伝達関数Q(s)と第2の重み関数W
Q (s)の関係について考える。第2の伝達関数Q
(s)は、直流成分を含む外乱dが作用しても偏差ER
Rに定常的な誤差が生じないような周波数特性を有する
ことが必要である。制御対象14の伝達関数P(s)を
次のように表す。
Next, the operation of the automatic steering system of this example will be described.
First, the second transfer function Q (s) and the second weighting function W
Consider the relationship of Q (s). Second transfer function Q
(S) is the deviation ER even when the disturbance d including the DC component acts.
It is necessary for R to have a frequency characteristic such that a steady error does not occur. The transfer function P (s) of the controlled object 14 is expressed as follows.

【0048】[0048]

【数6】P(s)=KS /s(sTS +1)## EQU6 ## P (s) = K S / s (sT S +1)

【0049】KS は旋回ゲイン、TS は時定数であり、
両者は船体14−1の操縦性指数である。sはラプラス
演算子である。分母の因数にsが含まれるのは、船首方
位検出器14−2の積分特性による。この数6の式を数
2の式に代入すると次の式を得る。
K S is a turning gain, T S is a time constant,
Both are maneuverability indexes of the hull 14-1. s is a Laplace operator. The fact that s is included in the denominator factor depends on the integral characteristic of the bow direction detector 14-2. By substituting the equation (6) into the equation (2), the following equation is obtained.

【0050】[0050]

【数7】 Q(s)=KS /〔s(sTS +1)+KS K(s)〕## EQU00007 ## Q (s) = K S / [s (sT S +1) + K S K (s)]

【0051】外乱dに起因した偏差ERRの定常的な誤
差をゼロにするためには、オートパイロット12の伝達
関数K(s)は積分要素を含むものでなければならな
い。従って、第2の重み関数WQ (s)を、例えば、次
のように選択すればよい。
The transfer function K (s) of the autopilot 12 must include an integral element in order to reduce the steady-state error of the deviation ERR due to the disturbance d to zero. Therefore, the second weighting function W Q (s) may be selected as follows, for example.

【0052】[0052]

【数8】 WQ (s)=(s+1/TQ )aQ /(s+ε)## EQU8 ## W Q (s) = (s + 1 / T Q ) a Q / (s + ε)

【0053】ここにTQ は時定数、aQ は定数、εは十
分小さい定数、sはラプラス演算子である。
Here, T Q is a time constant, a Q is a constant, ε is a sufficiently small constant, and s is a Laplace operator.

【0054】図3に第2の伝達関数Q(s)のボード線
図を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数ω(rad/
s)である。第2の伝達関数Q(s)は第2の重み関数
Q (s)によって周波数整形され、数3の式に示す仕
様に適合していることがわかる。尚、図示のように、第
2の伝達関数Q(s)は低周波数域(ω<1/TQ )に
て微分特性を有する。従って、数7の式よりオートパイ
ロット12は積分要素を有することとなる。
FIG. 3 shows a Bode diagram of the second transfer function Q (s). The vertical axis represents the gain, and the horizontal axis represents the frequency ω (rad /
s). It can be seen that the second transfer function Q (s) is frequency-shaped by the second weighting function WQ (s) and conforms to the specifications shown in the equation (3). As shown, the second transfer function Q (s) has a differential characteristic in the low frequency range (ω <1 / T Q ). Therefore, according to the equation (7), the autopilot 12 has an integral element.

【0055】次に第1の伝達関数T(s)と第1の重み
関数WT (s)の関係について考える。第2の伝達関数
Q(s)は、外乱dから命令舵角δC までの伝達関数で
あるが、設定針路θINから船首方位θOUT までの伝達関
数である。
Next, consider the relationship between the first transfer function T (s) and the first weighting function W T (s). The second transfer function Q (s) is a transfer function from the disturbance d to the command steering angle δ C , but from the set course θ IN to the heading θ OUT .

【0056】従って、第1の重み関数WT (s)は、自
動操舵系に必要な周波数域の確保と操舵機16に外乱d
に起因した不要な操作を与えないような周波数特性を有
するものでなければならない。第1の重み関数W
T (s)は、例えば、次のように選択される。
Therefore, the first weighting function W T (s) is used to secure the frequency range necessary for the automatic steering system and to cause the disturbance d in the steering machine 16.
It must have a frequency characteristic that does not give unnecessary operation due to. First weighting function W
T (s) is selected as follows, for example.

【0057】[0057]

【数9】 WT (s)=(s+1/T1 )aT /(s+1/T2 ## EQU00009 ## W T (s) = (s + 1 / T 1 ) a T / (s + 1 / T 2 )

【0058】ここにT1 、T2 は時定数(T1
2 )、aT は定数、sはラプラス演算子である。
Here, T 1 and T 2 are time constants (T 1 >
T 2 ), a T is a constant, and s is a Laplace operator.

【0059】図4に第1の伝達関数T(s)のボード線
図を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数ω(rad/
s)である。図示のように、第1の伝達関数T(s)は
第1の重み関数WT (s)によって周波数整形され、数
3の式に示す仕様に適合していることがわかる。尚、図
4において、TR は操舵機16の等価1次遅れ要素の時
定数である。第1の伝達関数T(s)は操舵機16の応
答周波数より低い周波数領域において、第1の重み関数
T (s)によって制限されていることがわかる。
FIG. 4 shows a Bode diagram of the first transfer function T (s). The vertical axis represents the gain, and the horizontal axis represents the frequency ω (rad /
s). As shown in the figure, it can be seen that the first transfer function T (s) is frequency-shaped by the first weighting function W T (s) and conforms to the specifications shown in the equation (3). In FIG. 4, T R is the time constant of the equivalent first-order lag element of the steering gear 16. It can be seen that the first transfer function T (s) is limited by the first weighting function W T (s) in the frequency region lower than the response frequency of the steering device 16.

【0060】尚、図3及び図4において、時定数は次の
ような関係にある。
The time constants in FIGS. 3 and 4 have the following relationship.

【0061】[0061]

【数10】TQ >T1 >TR >T2 [Equation 10] T Q > T 1 > T R > T 2

【0062】次に、第1及び第2の伝達関数T(s)、
Q(s)を満たすオートパイロット12の伝達関数K
(s)を導出する。制御対象14の伝達関数P(s)、
第1及び第2の重み関数WT (s)、WQ (s)をそれ
ぞれ状態空間表現すると次のようになる。
Next, the first and second transfer functions T (s),
Transfer function K of the autopilot 12 that satisfies Q (s)
Derive (s). The transfer function P (s) of the controlled object 14,
The first and second weighting functions W T (s) and W Q (s) are expressed in the state space as follows.

【0063】[0063]

【数11】xQ ' =AQ Q +BQ QQ =CQ Q +DQ QT ' =AT T +BT TT =CT T +DT TP ' =AP P +BP PP =CP P +DP P X Q '= A Q x Q + B Q u Q y Q = C Q x Q + D Q u Q x T ' = A T x T + B T u T y T = C T x T + D T u T x P '= A P x P + B P u P y P = C P x P + D P u P

【0064】ここで、x、u、yは時間関数であり、そ
れぞれ、状態ベクトル、入力ベクトル、出力ベクトルを
表す。符号’は微分記号である。A、B、C、Dは、そ
れぞれ、状態の行列、入力の行列、出力の行列及び入力
から出力への直達項の行列を表す。添字T、Q、Pは、
それぞれ、重み関数WT (s)、WQ (s)、制御対象
14の伝達関数P(s)に属することを意味する。各行
列の要素は次のように表される。
Here, x, u, and y are time functions and represent a state vector, an input vector, and an output vector, respectively. The sign 'is a differential symbol. A, B, C, and D respectively represent a matrix of states, a matrix of inputs, a matrix of outputs, and a matrix of direct terms from inputs to outputs. The subscripts T, Q, P are
It means that they belong to the weighting functions W T (s), W Q (s) and the transfer function P (s) of the controlled object 14, respectively. The elements of each matrix are represented as follows.

【0065】[0065]

【数12】 (Equation 12)

【0066】数11の式及び数12の式を用いて、数4
の式に示した制御対象100の伝達関数G(s)を状態
空間表現すると次のようになる。
[Mathematical formula-see original document] Using the equations of equation 11 and equation 12,
The transfer function G (s) of the controlled object 100 shown in the equation is expressed in the state space as follows.

【0067】[0067]

【数13】x '=Ax+B1 w+B2 u z=C1 x+D11w+D12u y=C2 x+D21w+D22X '= Ax + B 1 w + B 2 u z = C 1 x + D 11 w + D 12 u y = C 2 x + D 21 w + D 22 u

【0068】ここで、x、w、u、z及びyは時間関数
であり、それぞれ、状態ベクトル、外乱入力ベクトル、
制御入力ベクトル、評価出力ベクトル及び観測出力ベク
トルである。これらのベクトルは次のように表される。
Here, x, w, u, z, and y are time functions, and the state vector, the disturbance input vector, and
It is a control input vector, an evaluation output vector, and an observation output vector. These vectors are represented as:

【0069】[0069]

【数14】x≡〔xT ,xQ ,xP T w≡〔d,dV T u≡δC z≡〔zT ,zQ T y≡ERRX 14 [x T , x Q , x P ] T w ≡ [d, d V ] T u ≡ δ C z ≡ [z T , z Q ] T y ≡ ERR

【0070】また行列A、B1 、B2 、C1 、C2 、D
11、D12、D21、D22は次のように表される。
Further, the matrices A, B 1 , B 2 , C 1 , C 2 , D
11 , D 12 , D 21 , and D 22 are expressed as follows.

【0071】[0071]

【数15】 (Equation 15)

【0072】右肩の添字Tは転置行列を示す。このと
き、上述の仕様を満たすオートパイロット12の伝達関
数K(s)は、例えば次にように表される。
The subscript T on the right shoulder indicates a transposed matrix. At this time, the transfer function K (s) of the autopilot 12 that satisfies the above-mentioned specifications is expressed as follows, for example.

【0073】[0073]

【数16】K(s)=CK (sI−AK -1K ## EQU16 ## K (s) = C K (sI−A K ) −1 B K

【0074】この式で右肩の添字(−1)は逆行列を示
し、AK 、BK 、CK は次のように表される。
In this equation, the subscript (-1) on the right shoulder indicates an inverse matrix, and A K , B K and C K are expressed as follows.

【0075】[0075]

【数17】AK =(A−B1 21 T 2 )+Y(C1 T
1/γ2 −C2 T 2 )+(B2 +YC1 T 12/γ
2 )CKK =B1 21 T +YC2 TK =−(D12 T 1 +B2 T X)(I−YX/γ2
-1
[Expression 17] A K = (A−B 1 D 21 T C 2 ) + Y (C 1 T
C 1 / γ 2 -C 2 T C 2) + (B 2 + YC 1 T D 12 / γ
2) C K B K = B 1 D 21 T + YC 2 T C K = - (D 12 T C 1 + B 2 T X) (I-YX / γ 2)
-1

【0076】ここでX、Yは次のリカッチ式の準正定解
である。
Here, X and Y are quasi-positive solutions of the following Riccati equation.

【0077】[0077]

【数18】(A−B2 12 T 1 T X+X(A−B2
12 T 1 )+X(B1 1 T /γ2 −B2 2 T )X
+C1 T (I−D1212 T )CK =0 (A−B1 21 T 2 )Y+Y(A−B1 21 T 2
T+Y(C1 T 1 /γ2 −C2 T 2 )Y+B1 (I
−D21 T 21)B1 T =0
(A-B 2 D 12 T C 1 ) T X + X (A-B 2
D 12 T C 1) + X (B 1 B 1 T / γ 2 -B 2 B 2 T) X
+ C 1 T (I-D 12 D 12 T ) C K = 0 (A-B 1 D 21 T C 2 ) Y + Y (A-B 1 D 21 T C 2 )
T + Y (C 1 T C 1 / γ 2 -C 2 T C 2) Y + B 1 (I
-D 21 T D 21 ) B 1 T = 0

【0078】Iは適当な単位行列、γは次の固有値条件
を満たす正の定数である。
I is an appropriate unit matrix, and γ is a positive constant satisfying the following eigenvalue condition.

【0079】[0079]

【数19】λMAX (XY)<γ2 [Formula 19] λ MAX (XY) <γ 2

【0080】以上より、本発明によると、オートパイロ
ット12は従来の自動操舵装置の問題点を定量化した仕
様に変換され、その仕様と制御対象14を含む一般化制
御対象100にH∞制御を適用する。それによって、外
乱dに対する自動操舵系の安定性が保証され、且つ外乱
dの周波数特性に起因して操舵機16に不要な操作が生
ずることを除去することができる。
As described above, according to the present invention, the autopilot 12 is converted into the specification that quantifies the problems of the conventional automatic steering device, and the H∞ control is applied to the generalized control object 100 including the specification and the control object 14. Apply. As a result, the stability of the automatic steering system with respect to the disturbance d is guaranteed, and it is possible to eliminate the occurrence of unnecessary operation of the steering device 16 due to the frequency characteristic of the disturbance d.

【0081】[0081]

【発明の効果】本発明によると、オートパイロット12
において、従来例の如き非線形要素12−2、即ち、天
候調整機構が不要となるため、それに伴う調整作業をす
る必要ない利点がある。
According to the present invention, the auto pilot 12
In the above, since the non-linear element 12-2 as in the conventional example, that is, the weather adjusting mechanism is unnecessary, there is an advantage that it is not necessary to perform the adjusting work accompanying it.

【0082】本発明によると、オートパイロット12は
H∞制御に適用して設定されるから、自動操舵系の閉ル
ープ系の安定性を「陽」に意識することなく、所与の又
は所望の仕様を重み関数として取り込み、それによって
周波数整形することができる利点がある。
According to the present invention, since the autopilot 12 is set by applying it to the H∞ control, the stability of the closed loop system of the automatic steering system is not positively taken into consideration and the given or desired specifications are obtained. Is taken in as a weighting function, and there is an advantage that frequency shaping can be performed.

【0083】本発明によると、オートパイロット12は
非線形要素12−2を含まないから、従来のオートパイ
ロット12に比べて実装費用及び調整費用が低減化され
る利点がある。
According to the present invention, since the autopilot 12 does not include the non-linear element 12-2, there is an advantage that the mounting cost and the adjustment cost are reduced as compared with the conventional autopilot 12.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による自動操舵系を示すブロック図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram showing an automatic steering system according to the present invention.

【図2】本発明による自動操舵系をH∞制御に適用した
場合のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram when an automatic steering system according to the present invention is applied to H∞ control.

【図3】本発明による第2の重み関数のボード線図であ
る。
FIG. 3 is a Bode plot of a second weighting function according to the present invention.

【図4】本発明による第1の重み関数のボード線図であ
る。
FIG. 4 is a Bode plot of a first weighting function according to the present invention.

【図5】従来の自動操舵系を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a conventional automatic steering system.

【図6】従来の自動操舵装置(オートパイロット)の構
成を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional automatic steering device (auto pilot).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 加算器 12 自動操舵装置(オートパイロット) 13 加算器 14 制御対象 14−1 船体 14−2 船首方位検出器 15 加算器 16 操舵機 17、18 重み関数 11 Adder 12 Automatic steering device (autopilot) 13 Adder 14 Control object 14-1 Hull 14-2 Heading direction detector 15 Adder 16 Steering machine 17, 18 Weighting function

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 設定針路に対する船首方位の偏差を指示
する信号を入力して命令舵角を出力する自動操舵装置を
閉ループによって制御するように構成された船舶用自動
操舵装置において、 制御すべき対象としての一般化制御対象と上記自動操舵
装置とを組み合わせてH∞制御問題に帰着させたことを
特徴とする船舶用自動操舵装置。
1. An automatic steering apparatus for a ship, which is configured to control a closed-loop automatic steering apparatus that inputs a signal indicating a deviation of a bow direction with respect to a set course and outputs a command steering angle, to be controlled. An automatic steering apparatus for a ship, characterized in that the generalized controlled object as above and the above automatic steering apparatus are combined to result in an H∞ control problem.
【請求項2】 請求項1記載の船舶用自動操舵装置にお
いて、 上記一般化制御対象は、上記自動操舵装置に対して外乱
に起因する不必要な操作を与えないような周波数特性を
有する第1の重み関数と、低周波数域の外乱に起因する
定常誤差を上記偏差に残留させないような周波数特性を
有する第2の重み関数と、制御対象と、を一体化させて
構成したものであることを特徴とする船舶用自動操舵装
置。
2. The automatic steering system for a ship according to claim 1, wherein the generalized control target has a frequency characteristic such that an unnecessary operation due to a disturbance is not applied to the automatic steering system. And the second weighting function having a frequency characteristic such that a stationary error caused by a disturbance in the low frequency range does not remain in the deviation, and the control target are integrated. Characteristic automatic steering device for ships.
【請求項3】 請求項2記載の船舶用自動操舵装置にお
いて、 上記一般化制御対象は更に、上記自動操舵装置の出力信
号である命令舵角より上記外乱の角度換算値を減算して
舵角を求める加算器を有することを特徴とする船舶用自
動操舵装置。
3. The marine automatic steering apparatus according to claim 2, wherein the generalized control target is further provided with a steering angle obtained by subtracting an angle conversion value of the disturbance from a command steering angle which is an output signal of the automatic steering apparatus. An automatic steering device for a ship, comprising an adder for determining
【請求項4】 請求項2又は3記載の船舶用自動操舵装
置において、上記外乱から上記自動操舵装置の出力信号
までの伝達関数が上記第1の重み関数の逆数以下である
ことを特徴とする船舶用自動操舵装置。
4. The marine automatic steering apparatus according to claim 2 or 3, wherein the transfer function from the disturbance to the output signal of the automatic steering apparatus is less than or equal to the reciprocal of the first weighting function. Automatic steering device for ships.
【請求項5】 請求項2、3又は4記載の船舶用自動操
舵装置において、上記外乱から上記自動操舵装置の入力
信号までの伝達関数が上記第2の重み関数の逆数以下で
あることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
5. The automatic marine vessel steering system according to claim 2, 3 or 4, wherein the transfer function from the disturbance to the input signal of the automatic steering system is less than or equal to the reciprocal of the second weighting function. An automatic steering device for ships.
【請求項6】 請求項2、3、4又は5記載の船舶用自
動操舵装置において、 上記制御対象は船体及び船首方位検出器を一体化して構
成したものであることを特徴とする船舶用自動操舵装
置。
6. The automatic marine vessel steering system according to claim 2, 3, 4 or 5, wherein the control target is a vessel body and a heading detector which are integrally formed. Steering device.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313162B1 (en) * 2011-10-28 2013-09-30 삼성중공업 주식회사 Electromagnetic steering gear
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