JPS60277B2 - 舶用自動操舵装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、舶用自動操舵装置に関し、特に船舶の異常現
象による針路不安定を回避し得る舶用自動操舵装置に関
するものである。

近年建造される船舶は、大型船、小型船を問わずその船
型が肥大化し、その針路安定性は劣化する傾向をもって
いる。

船の針路の不安定度は、船を通常逆スパイラル（又はス
パイラル）試験等により操舵して、舵角と船の旋回速度
との関係から得られるデータをもとに、判定されるのが
普通である。

ある程度以上に肥大化した船の中には、操舵によって誘
起される運動が一意的に定まらないと云った場合が経験
され、これらは学界等に於て「異常現象」と呼ばれてい
る。

斯る異常不安定船（上述の異常現象が生ずる船）は、二
つ以上の安定した定常旋回状態をもち、操舵によって誘
起される船の運動が一つに定まらず、針路がふらつく現
象を示す。このことは、最近の学界等の発表では、船体
が同一の旋回状態に対して、二つ以上の安定した旋回抵
抗をもつことが原因とされており、船尾付近に生ずる特
異な流体力の影響であると云われている。異常現象は、
船体の運動とその外囲水流との間の関係が、ある条件と
なると、いずれかの安定点に移行することによって生じ
、従って、随意の時に間歌的に発生するもので、通常の
針路不安定とは、その現象を異にする。船の針路制御と
云う立場から、これら針路不安定度の大きい船舶の制御
を考えるとき、通常の針路不安定の場合は、その操舵特
性にヒステリシス中等を生じている場合でも、自動操舵
系の制御ループ内に充分な位相補償要素を挿入すること
によって、針路を安定に制御することが可能であること
は、衆目の一致するところである。

しかるに、異常現象を要因とする針路不安定を示す船舶
においては、このような線形の補償要素による対策では
、針路を安定に制御することは、不可能である。異常現
魚による針路不安定は、特に肥大船の船尾付近に流入す
るプロペラで加速された水流の船腹面からの剥離や、ま
わり込み現象に起因していると発表されている。

特に、針路制御に関係のある船体の横方向に発生する力
のメカニズムについては、かなりの研究が発表されてい
る。これらに共通して云えることは、船が比較的４・舵
角で、従って、その旋回運動が４・さし、領域に於ては
、船尾の水流の定常的パターンを２個所有する場合があ
る。

これは、一つの舵角に対して二つの安定した定常旋回状
態があるわけで、通常の自動操舵（手動操舵でも同じ）
では、直進中の所謂小舵角で旋回運動のほとんどない状
態では、運動が一つに定まらず、ひんぱんなふらつき現
象となって表われる。従って、本発明の主目的は、この
ような異常現象に起因する針路不安定船に装備し、その
船の針路を精度よく制御し得る舟白用操舵装置を提供せ
んとするものである。

本発明の特徴とするところは、設定針路と船首方位との
偏差信号より演算回路及び舵角サーボ機構を用いて命令
舵角信号を得る二つ以上の安定した旋回状態をもち針路
がふらつく異常不安定船に使用する舶用自動操舵装置に
於て、上記偏差信号の微小部分に於て傾斜が大なる特性
の補償回路を上記演算回路の前段に設け、該演算回路の
比例或いは比例及び微分による出力を上記偏差信号の微
小な範囲に於て大きくするようになした舶用自動操舵装
置にある。以下、本発明の舶用自動操舵装置の一例を第
１図を参照して説明する。

第１図に於て、１は加算機構で、これは船首方位信号心
と、設定針路信号しｉとを比較し、その差を電気信号に
変換し、針路偏差信号心ｅを出力する。２は補償回路で
、これは、針路偏差信号心ｅを入力とし、第２図に例示
する如き、入出力特性を有するものである。３は演算回
路で、これは補償回路２の出力信号心ｏを入力とし、〔
比例＋微分〕（ＰＤ）或いは〔比例十積分十微分〕（Ｐ
ＩＤ）動作の演算を行うものである。

演算回路３は舵機や制御対象である船を含めた自動操舵
系の応答を良好ならしむるために、これを線形的に補償
するものである。４は舵角サーボ機構で、これは、演算
回路３の演算結果である出力信号６ｏを入力とし、機械
的位置又は角度信号として命令舵角６＊を出力する。

尚、舵角サーボ機構４の出力である命令６＊は、第１図
には示していないが、船の舵機に伝えられ、実際の舵角
がとられる。その舵角によって船体には旋回運動が生じ
、その結果発生した船首方位の変化は、ジャィロコンパ
ス或いはマグネットコンパスで検出され、船首方位信号
心として加算機構１にフィードバックされる。こうして
、自動操舵の開ループが形成され、船首方位は設定針路
に保持される。さて、本発明の特徴たる補償回路２につ
いて詳細に説明する。

第３図に補償回路２の一具体例を示す。この例に於ては
、演算増幅器Ａの入力端子（一）に入力信号Ｊｅが、入
力抵抗器Ｒｉを介して加えられ、その出力端子と入力端
子（一）との間に、非線形素子Ｄと抵抗器Ｒｉとを並列
に接続した回路（以後非線形回路と称す）と、抵抗器Ｒ
ｆとを直列接続した回路を挿入する。この例では、非線
形素子Ｄは、ダイオード２個を逆方向並列接続したもの
であるが、第４図Ａに示す如く、複数個のダイオードを
逆並列接続したもの、或いは第４図Ｂに示す如く、ッェ
ナーダィオード２個を逆方向直列接続したものでも、同
じ目的を達することができる。一般に、これらの非線形
素子Ｄに、ある程度以上の電流ｌｏが流れると、その両
端電圧ＶＤは飽和するという特性を有する。その飽和電
圧を心Ｄとすると、これらの非線形素子Ｄの特性は、第
５図の曲線ａの如く表わされる。この非線形素子Ｄに並
列に接続した抵抗器Ｒｏを含めた非線形回路の特性は、
第５図の曲線ｂ，ｃの如くなる。この特性曲線ｃは、特
性曲線ｂの場合よりも抵抗器ＲＩＩの抵抗値を小さくし
た場合の特性に相当する。さて、上述の如き特性を有す
る非線形回路を、演算増幅器Ａのフィードバック回路中
に含む第３図に示す補償回路２の入出力特性は、第２図
の曲線ａに示す如くである。

同図のｂは上述の非線形回路の無い場合、即ちフィード
バック回路は抵抗器Ｒｆのみの場合の特性を示す直線で
ある。この補償回路２は、針路偏差信号心ｅの微少な部
分における傾斜が大きい、即ち入出力のゲインが微少針
路偏差領域で大きいという特性を有しており、この補償
回路２よりの出力信号心ｏを受ける演算回路３の出力信
号６。中、比例および微分による出力信号が大きくなり
、前述の目的を果すことができる。即ち、船の異常現象
による針路のふらつきが発生し始めると、直ちに補償回
路２が上述の大きなゲインによる出力信号心ｏを出力し
、演算回路３及び舵角サーボ機構４を介して、大きな〔
比例＋微分〕の信号を含む命令舵角６＊を発生せしめ、
船のふらつきを押えこむ。その結果、例え船に異常現象
が発生したとしても、その針路のふらつきは生じない。
本発明の特徴である補償回路２の他の具体例を第６図に
示す。

この例に於ては、第３図の例の抵抗器ＲＤの代りに、可
変抵抗器Ｒ′Ｄを用いたもので、他は第３図の例と同じ
である。簡単のため、この第６図の例の非線形回路の特
性を第７図に示す如く、直線で近似すると、第６図に示
す補償回路２の入出力特性は、次式で表わされる。ここ
で、Ｒｉ，Ｒｆは抵抗器Ｒｉおよび抵抗器Ｒｆの抵抗値
、Ｒｏは可変抵抗器Ｒ′Ｄの調整抵抗値である。この補
償回路２の入出力のゲインをＫとすると、これは次式で
表わされる。可変抵抗器Ｒ′Ｄの公称抵抗値をＲｏｏと
し、その調整値をＱＲＤｏとすると、非線形回路の直線
近似の特撰ま、第７図に示すように、調整量Ｑの値に従
って変化する。

同図で、Ｑ＝ｏは可変抵抗器ＲＤが短絡されたことに相
当し、非線形回路が無い場合と一致する。さて、抵抗器
Ｒｉ．Ｒｆの低抗値および可変抵抗器Ｒ′ｏの公称抵抗
値を適当に選んだ一例について、第６図の補償回路２の
‘１１式に示す入出力特性および■式に示す入出力ゲイ
ンを図示すると、それぞれ第８図および第９図の如くな
る。

第８図および第９図から明らかなように、第６図に示す
補償回路２は、針路偏差心ｅの小さい領域で、入出力の
勾配が大きく、入出力ゲインが大きいという特性を有し
、かつ、可変抵抗器ＲＤの調整量のこよって、その大き
さが変えられることが解かる。

従って、船の異常不安定度に対応して、適切な可変抵抗
器ＲＤの調整量Ｑを選択することにより、より良好な結
果を得ることができる。上述の第６図に示す本発明の例
では、異常現象による針路不安定を生じない船に対して
は、可変抵抗器ＲＤを短絡するように調整する（Ｑ＝ｏ
）だけでよいので、異常現象に起因する針路不安定船と
通常の針路不安定船或いは針路安定船に対して、別個の
自動操舵装置を用意する必要がないという効果が得られ
る。本発明の舶用自動操舵装置の他の実施例を第１０に
示す。

同図において、第１図と同一部分は同一符号で示す。こ
の第１０図の例では、演算回路３を積分動作１回路３，
と〔比例＋微分動作ＰＤ〕回路３２とに分け、積分動作
回路３，の入力を針路偏差信号心ｅとなし、〔比例十微
分動作〕回路３２ の入力を補償回路２の出力信号Ｊｏ
となした場合で、他は第１図の例と同じである。この第
１０図の実施例も、また同じ目的を果すことは明らかで
あろう。何故ならば、前述の如く、微小針路偏差領域で
大きな比例及び微分信号を得れば、随意の時に間歌的に
発生する異常現象による針路のふらつきが発生し始めた
ら、直ちに素早い操舵がなされるので、針路のふらつき
が押え込まれるからである。本発明の舶用自動操舵装置
の更に他の実施例を第１１図に示す。

同図に於て、第１０図と同一部分は同一符号で示す。こ
の第１１図の例では、第１０図の例の〔比例十微分動作
〕回路３２ を、更に微分及び比例動作回路３３及び３
４ に分け、積分動作回路３，及び微分動作回路３３へ
の入力を針路偏差信号しｅとなし、比例動作回路３４へ
の入力を補償回路２の出力信号Ｊｏとなした場合で、こ
れ以外は第１０図の例と同じである。この第１１図の実
施例に於いては、比例動作回路のみに補償回路の出力信
号を加えているが、微少偏差領域で大きな比例信号が得
られるので、第１０図と同様の目的を果し得るものであ
る。上述した本発明による船用自動操舵装置の作用効果
を第１２図Ａ及びＢを参照して説明する。

同図は実際の異常不安定船の船首方位（針路）を記録し
たものであり、同図Ａは本発明を適用する前、同図Ｂは
適用後のデータである。第１２図Ａの曲線Ｐより明らか
な如く、本発明の特徴である補償回路２の無い場合のデ
ー外こは、船尾の水流の剥離による異常不安定船に特有
の間鰍的に不規則に発生する剥離に対応した大きな針路
のふらつきが見られる。一方、第１２図Ｂの曲線１より
明らかな如く、同じ船に本発明による自動操舵装置を適
用した場合、即ち補償回路２を追加した場合は、本発明
の特徴である設定針路と船首方位との偏差信号の微少な
範囲において、ゲインを大きくなした制御方式により、
異常親象が発生し始めると直ちに針路のふれが検出され
、素速く舵がとられ、針路のふらつきが押え込まれるの
で、結果として異常不安定船でありながら、針路のふれ
が小さくなっている。異常現象を船体構造等の改良によ
って解決するには、莫大な費用がかかるが、本発明によ
れば、桁ちがし、に小額の補償回路の附加によって、異
常現象を解決し得て、その経済的メリットは非常に大き
い。

加うるに、異常現象は船型設計においては予測し得ず、
実船の航行試験結果によって始めて解かるものであり、
就航後に於ては異常現象と推定される挙動がみられても
、従来に於ては対策をとることはほとんど不可能であっ
た。

しかるに、本発明によれば、上述の如く船体そのものに
直接工事をほどこすことなく、異常現象を解決すること
が出来る。本発明は上述した如く対象船舶の大きさに関
係なく適用出来るので、近年の如く、小型漁船から超大
型タンカーに至るまで、船価の経済性のために船型は肥
大化し、異常現象も４・型船、大型船を問わず出現して
いるが、これ等の船舶の異常現象をも、容易に回避し得
る。

更に、本発明は船舶のスピード及びローディング（積荷
）等の変化によって異常現象の状態が変化しても、この
変化に関係なくその効果が発揮されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例を示すブロック図、第２図はその
補償回路の特性図、第３図は補償回路の一実施例を示す
回路図、第４図Ａ及びＢは夫々補償回路の一部の他の実
施例を示す結線図、第５図は補償回路の非線形回路の特
性図、第６図は補償回路の他の例の回路図、第７図は第
６図に示す補償回路の非線形回路の特性図、第８及び９
図は第６図に示す補償回路の特性図、第１０及び１１図
は夫々本発明の他の例のブロック図、第１２図Ａ及びＢ
は本発明の適用前及び適用後の実船の船首方位記録例を
示す図である。 図に於て、１は加算機構、２は補償回路、３は演算回路
、４は舵角サーボ機構、Ａは演算増中器、Ｒｉ，Ｒｏ及
びＲｆは抵抵器、Ｒ′Ｄは可変抵抗器、Ｄは非線形素子
を夫々示す。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第ｌｏ図 第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 設定針路と船首方位との偏差信号より演算回路及び
   舵角サーボ機構を用いて命令舵角信号を得る二つ以上の
   安定した旋回状態をもち針路がふらつく異常不安定船に
   使用する舶用自動操舵装置に於て、上記偏差信号が入力
   される演算増巾器と該演算増巾器の出力及び入力端子間
   に挿入した非線形回路とを有し、上記偏差信号の微小部
   分に於て傾斜が大なる特性を有する補償回路を上記演算
   回路の前段に設け、上記補償回路により上試演算回路の
   比例或いは比例及び微分による出力を上記偏差信号の微
   小な範囲に於て大きくするようになしたことを特徴とす
   る舶用自動操舵装置。