平成 19 年度電気関係学会北陸支部連合大会船舶の動特性推定と制御に関する研究 H-19 中谷俊彦・遠藤真(富山商船)・中島悠樹・神田大志(富山商船専攻科) 1. はじめに自動操舵装置 (Autopilot)は、小型舟艇を含む多くの船舶に装備されている。しかし、喫水や速力の変化による姿勢変化によって船舶の操縦性能が変化する場合は、それらを補償する機能を持つ自動操舵装置が必要である。そこで、本研究では富山商船高専が保有する小型舟艇｢さざなみ｣における速力毎の操縦性能を定量的に把握し、速力変化に対応した自動操舵装置の開発を行う。した PIDコントローラ (Gain Map PID Controller) を導入することとした 1 ) 。通常の PIDコントローラでは船体の動特性は変化しないものとし、 PIDパラメータは固定値である。それに対して今回のゲインマップ PIDコントローラでは、主機関回転数信号を参照することで、速力に対応した PIDパラメータを自動調整するものである。 Fig.2 にゲインマップ PID コントローラ、操舵機、船体で構成した保針制御系のブロック図を示す。 N(Ｒ .Ｐ .Ｍ ) 2. 小型船舶「さざなみ」の動特性推定本研究では、船舶の操縦モデルとして、野本モデル 1) と呼ばれる 1 階の微分方程式表現の運動方程式でモデル化する。モデル化した式から追従性指数、旋回性指数と呼ばれる指数を求め、操縦性の把握を行う。これらの指数を求めるため Z試験を実施した。実験では、種々の速力において 0.2 秒毎に実舵角や船首方位等のデータを取得した。速力変化に対応した操縦性指数の解析結果を Fig.1 に示す。この図より、速度増に伴い旋回性指数が大きくなり、追従性指数が小さくなることがわかる。この結果、速力変化により、操縦性能が大きく変化することが定量的に明らかになった。 0.9 :K Steering Gear Helm Set + Course Gain map PID controller 1 TrS +1 Ship Dynamics Actual Yaw Rudde r Rate K TS + 1 1 S Heading Fig.2 Course Keeping System 4. ゲインマップ PID コントローラの評価設計したゲインマップ PID コントローラの制御性能を調査するため、通常の固定ゲイン PID コントローラとの比較検討を行う。ここでは実際の運用を考慮し、航海中に船速を連続的に変化させた場合を想定したシミュレーションを実施した。その結果を Fig.3 に示す。 18knots 1 0.6 Heading angle(deg) 50 T(sec) K(1/sec) :T PID Controller Fixed Gain PID controller Gain map PID controller 16knot s 12knot s 25 9knot s 0.5 0.3 1000 1500 M/E Revolution(R.P.M) 9 12 16 2000 18 speed(knots) Fig.１ Nomoto simplified analysis of T and K at each speed 3. 自動操舵制御系の設計小型舟艇「さざなみ」では、速力の変化に伴って操縦性指数が大きく変化することが明らかとなった。したがって、この船舶の方位を自動制御する場合、速力の変化に適切に対応して良好な保針・変針性能を確保するような自動操舵制御系が必要となる。この問題を解決するため、ゲインマップを適用 0 0 50 Time(sec) 100 150 Fig.3 Results of simulation through Fixed Gain PID controller and Gain Map PID controller at each speed. 5. 結論本研究では、小型船舶の操縦性能が速力によって変動することを明らかにし、速力に対応したゲインマップ PID コントローラを開発した。また、このコントローラが、速力変化による操縦性の変動に対しても良好な保針・変針性能を確保することを定量的に明らかにした。参考文献 1) 神田大志 :小型舟艇の操縦性推定と制御に関する研究 ,pp11-12,学位授与機構学士論文 ,2007