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特開2024-29967水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024029967
(43)【公開日】2024-03-07
(54)【発明の名称】水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラム
(51)【国際特許分類】
B63G 8/22 20060101AFI20240229BHJP
B63C 11/48 20060101ALI20240229BHJP
B63C 11/00 20060101ALI20240229BHJP
【ＦＩ】
B63G8/22
B63C11/48 D
B63C11/00 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022132468
(22)【出願日】2022-08-23
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100162868
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 英輔
(74)【代理人】
【識別番号】100161702
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(72)【発明者】
【氏名】安達 丈泰
(72)【発明者】
【氏名】小田 一道
(72)【発明者】
【氏名】栗田 章央
(72)【発明者】
【氏名】澤田 英樹
(72)【発明者】
【氏名】松岡 浩然
(57)【要約】
【課題】アクチュエータの能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にする。
【解決手段】水量制御系制御装置は、水量制御系目標値とフィードバック値とを入力とし、フィードバック制御方式による演算により水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体の状態変化に関する状態信号に基づき、状態変化が生じた場合の水中航走体の不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、指令値、及び予測値を入力とし、複数のタンクの水量に関する調整条件と、水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法によりタンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】水量制御系制御装置は、水量制御系目標値とフィードバック値とを入力とし、フィードバック制御方式による演算により水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体の状態変化に関する状態信号に基づき、状態変化が生じた場合の水中航走体の不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、指令値、及び予測値を入力とし、複数のタンクの水量に関する調整条件と、水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法によりタンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体の前記タンクの各々の水量を増減させる制御を行う水量制御系制御装置であって、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、
前記フィードバック制御部が算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部が取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、
を備える水量制御系制御装置。
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、
前記フィードバック制御部が算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部が取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、
を備える水量制御系制御装置。
【請求項2】
前記水中航走体の状態変化に関する前記状態信号は、
前記水中航走体の操縦系による状態変化指示入力に基づいて生成される
請求項１に記載の水量制御系制御装置。
前記水中航走体の操縦系による状態変化指示入力に基づいて生成される
請求項１に記載の水量制御系制御装置。
【請求項3】
前記水中航走体の状態変化は、
前記水中航走体の前進速力、及び前記水中航走体の姿勢角の少なくとも一方の変化量を含む、
請求項２に記載の水量制御系制御装置。
前記水中航走体の前進速力、及び前記水中航走体の姿勢角の少なくとも一方の変化量を含む、
請求項２に記載の水量制御系制御装置。
【請求項4】
前記水中航走体の状態変化は、
前記水中航走体の水中における深度の変化と、前記深度の変化に応じて水温の変化と、に基づいて取得される排水量の変化量を含む、
請求項２又は３に記載の水量制御系制御装置。
前記水中航走体の水中における深度の変化と、前記深度の変化に応じて水温の変化と、に基づいて取得される排水量の変化量を含む、
請求項２又は３に記載の水量制御系制御装置。
【請求項5】
前記水中航走体の状態変化は、
前記水中航走体に搭乗している乗員の前記水中航走体内における配置を含む、
請求項２又は３に記載の水量制御系制御装置。
前記水中航走体に搭乗している乗員の前記水中航走体内における配置を含む、
請求項２又は３に記載の水量制御系制御装置。
【請求項6】
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、
運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、
前記水中航走体に備えられる複数のタンクと、
前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータと、
水量制御系制御装置と、を備える制御システムであって、
前記水量制御系制御装置は、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、
前記フィードバック制御部が算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部が取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、
を備える制御システム。
運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、
前記水中航走体に備えられる複数のタンクと、
前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータと、
水量制御系制御装置と、を備える制御システムであって、
前記水量制御系制御装置は、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、
前記フィードバック制御部が算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部が取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、
を備える制御システム。
【請求項7】
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体における水量制御方法であって、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得し、
算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する、
水量制御方法。
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得し、
算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する、
水量制御方法。
【請求項8】
水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体が備えるコンピュータに、
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得する手順、
算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、
を実行させるためのプログラム。
水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、
前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得する手順、
算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、
を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献１には、複数の円筒形の耐圧容器にモジュール化された水中航走体が示されている。幾つかのモジュールには、耐圧容器内にバラストタンクと呼ばれる水を貯留するタンクが備えられている。例えば、複数のタンクの水量を移水や注排水によって調整することにより、水中航走体の上下方向の浮量を制御して水中航走体の深度を変えることができ、例えば、水中航走体の密度と水の密度とを等しくして、水中航走体が浮きも沈みもしない中性浮力状態にすることもできる。また、水中航走体の前方と後方のタンクの水量のバランスを変えることにより水中航走体のトリムを制御することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第５１６６８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１に記載の水中航走体では、浮量やトリムの制御を行うために複数のタンクに対する移水と注排水の調整をどのようにして行うのかについては具体的に開示されていない。また、有人の水中航走体では、人が水中航走体の深度や姿勢などの状態を踏まえて、複数のタンクに対する移水や注排水の操作を行っている。そのため、浮量やトリムの制御を行う際に、人による操作を介さずに、複数のタンクに対する移水や注排水を何らかの自動制御手段によって行うというコンセプトが今までに存在していない。
【0005】
水中航走体に備えられる複数のタンクへの移水や注排出の手順の組み合わせの数は、膨大な数になる。そのため、複数のタンクへの移水や注排出の制御は、冗長な多入力系の制御対象に対する制御とみなすことができる。人による操作の場合、例えば、複数のタンクの水量を最適な量にするための調整量の算定、舵やスラスタなどを制御する既存の制御系との協調、ポンプやバルブなどのアクチュエータにおける流量や応答時間の性能などに起因する能力制約によって生じる応答遅れを考慮した待機時間の設定、及びタンクの水量の調整に要する調整時間の最短化などを考慮して行うことから多くの入力操作が行われることになる。これらの多くの入力操作を自動制御手段によって実現するためには、人が多くの入力操作を行う際に考慮していることの各々を課題として設定し、設定した課題を解決する自動制御手段を設計するような設計指針が必要になるが、このような設計指針が確立していないという問題がある。
【0006】
本開示は、このような問題に鑑みてなされたものであって、アクチュエータの能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にする水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラムを提供することを目的とする。
【0007】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、アクチュエータの能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることができる水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラム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】
【0008】
上記課題を解決するために、本開示に係る水量制御系制御装置は、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体の前記タンクの各々の水量を増減させる制御を行う水量制御系制御装置であって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、前記フィードバック制御部が算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部が取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、を備える。
【0009】
本開示に係る制御システムは、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、前記水中航走体に備えられる複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータと、水量制御系制御装置と、を備える制御システムであって、前記水量制御系制御装置は、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部と、前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部と、前記フィードバック制御部が算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部が取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部と、を備える。
【0010】
本開示に係る水量制御方法は、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体における水量制御方法であって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得し、算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件と、を条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する。
【0011】
本開示に係るプログラムは、水中航走体の運動を制御する運動制御装置と、運動制御系目標値及び前記水中航走体から検出される制御量に基づいて前記運動制御装置に対する指令値を算出する運動制御系制御装置と、複数のタンクと、前記タンクの各々の水量を調整するアクチュエータとを有する前記水中航走体が備えるコンピュータに、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータの応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置の制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、前記水中航走体の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体の状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得する手順、算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンクの水量に関する調整条件と、前記水中航走体の状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンクの各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、を実行させる。
【発明の効果】
【0012】
本開示の水量制御系制御装置、制御システム、水量制御方法、及びプログラムによれば、アクチュエータの能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１の実施形態の制御システムの構成と水中航走体に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。
【図2】第１の実施形態のタンクシステムの構成を示すブロック図である。
【図3】第１の実施形態の制御システムの制御系を示すブロック線図である。
【図4】第１の実施形態の調整量算出部に適用する最適解を算出する演算式を求める手順を示す図である。
【図5】第２の実施形態の制御システムの構成と水中航走体に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。
【図6】第２の実施形態のフィードフォワード制御部の構成を示すブロック図である。
【図7】第２の実施形態の第一フィードフォワード制御部の構成を示すブロック図である。
【図8】第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部に記憶された前進速力と不平衡重量との相関データの一例を示す図である。
【図9】第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部に記憶された前進速力と不平衡モーメントとの相関データの一例を示す図である。
【図10】第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部に記憶されたプロペラ回転数と前進速力との相関データの一例を示す図である。
【図11】第２の実施形態の第二フィードフォワード制御部の構成を示すブロック図である。
【図12】第２の実施形態による第二フィードフォワード制御部に記憶された、水温と、深度と、排水量との相関を示すデータの一例を示す図である。
【図13】第２の実施形態の第三フィードフォワード制御部の構成を示すブロック図である。
【図14】第２の実施形態において用いられる数式に含まれる物理パラメータ及び単位を示す図である。
【図15】第２の実施形態の運動制御系制御装置と舵制御装置による処理の流れを示す図である。
【図16】第２の実施形態の水量制御系制御装置とタンクシステムによる処理の流れを示す図である。
【図17】第２の実施形態の制御システムを用いたシミュレーション結果のグラフを示す図（その１）である。
【図18】第２の実施形態の制御システムを用いたシミュレーション結果のグラフを示す図（その２）である。
【図19】第１及び第２の実施形態の制御システムのハードウェア構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
（第１の実施形態）
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。上記した多くの入力操作を行う際に人が考慮していることを自動制御手段として実現するための課題として改めて整理すると、（課題１）アクチュエータの能力制約によって生じる応答遅れを補償すること、（課題２）既存の制御系である運動制御系と協調するために、複数のタンクの水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるようにすること、（課題３）浮量やトリムの制御を行う際に指定される目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンクの各々に対する最適な水量の調整量を算定することの３つの課題を解決する必要がある。以下、第１の実施形態の制御システム１００を参照しつつ、３つの課題を解決するための自動制御のシステムの設計指針について説明する。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。上記した多くの入力操作を行う際に人が考慮していることを自動制御手段として実現するための課題として改めて整理すると、（課題１）アクチュエータの能力制約によって生じる応答遅れを補償すること、（課題２）既存の制御系である運動制御系と協調するために、複数のタンクの水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるようにすること、（課題３）浮量やトリムの制御を行う際に指定される目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンクの各々に対する最適な水量の調整量を算定することの３つの課題を解決する必要がある。以下、第１の実施形態の制御システム１００を参照しつつ、３つの課題を解決するための自動制御のシステムの設計指針について説明する。
【0015】
（第１の実施形態の制御システム）
図１は、第１の実施形態による制御システム１００の構成の一例と、制御システム１００による制御によって水中航走体６に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。ここで、水中航走体６とは、例えば、人が搭乗する有人の水中機である。制御システム１００は、水量制御系制御装置１、タンクシステム２、運動制御系制御装置３、運動制御装置４、及び検出部５を備える。なお、図１は、制御系全体の関係を示すために、構造物としての水中航走体６を含めたブロック図としているが、実際には、制御システム１００は、水中航走体６に備えられるシステムである。また、図１において実線は、電気的な接続を示し、破線は、水中航走体６に作用する力及びモーメントを示している。
図１は、第１の実施形態による制御システム１００の構成の一例と、制御システム１００による制御によって水中航走体６に作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。ここで、水中航走体６とは、例えば、人が搭乗する有人の水中機である。制御システム１００は、水量制御系制御装置１、タンクシステム２、運動制御系制御装置３、運動制御装置４、及び検出部５を備える。なお、図１は、制御系全体の関係を示すために、構造物としての水中航走体６を含めたブロック図としているが、実際には、制御システム１００は、水中航走体６に備えられるシステムである。また、図１において実線は、電気的な接続を示し、破線は、水中航走体６に作用する力及びモーメントを示している。
【0016】
タンクシステム２は、水量制御系制御装置１の制御対象であり、アクチュエータ２１と、タンク２２とを備える。図２は、タンクシステム２の詳細な構成を示すブロック図である。タンク２２は、いわゆるバラストタンクであり、図２に示すように、例えば、５個のタンク２２－１～２２－５を含んでいる。タンク２２－１は、例えば、水中航走体６の前方に配置されるタンクであり、タンク２２－５は、例えば、水中航走体６の後方に配置されるタンクである。タンク２２－２～２２－４は、タンク２２－１，２２－５の間の位置、例えば、水中航走体６の重心の周辺などに配置されるタンクである。
【0017】
例えば、タンク２２－１～２２－５の各々に水が注水されることで、水中航走体６の浮力が減少するため、水中航走体６は沈下し、また、タンク２２－１～２２－５の各々から水が排出されることにより、水中航走体６に浮力が生じて、水中航走体６が浮上することになる。また、タンク２２－１～２２－５の間で、いずれかのタンク２２－１～２２－５に貯留されている水を、他のタンク２２－１～２２－５に移動させる移水を行うことにより、タンク２２－１～２２－５の各々の水量を調整することもできる。
【0018】
このようにして、タンク２２－１～２２－５が貯留する水量を調節することにより、例えば、矢印５１に示すように水中における水中航走体６の上下の移動方向を調整して、水面からの距離である深度を任意に変えることができる。また、水中航走体６の密度と水の密度とを等しくして、水中航走体６が浮きも沈みもしない、すなわち深度が一定値になる中性浮力状態にすることが可能になる。また、タンク２２－１の水量を減らして、水中航走体６の前方の浮力を増加させることにより、水中航走体６の前方を上方に向けるトリム傾斜が生じることになる。これに対して、タンク２２－５の水量を減らして、水中航走体６の後方の浮力を増加させることにより、水中航走体６の前方を下方に向けるトリム傾斜が生じることになる。これにより、矢印５２に示すように水中における水中航走体６の姿勢角の１つであるピッチ角を任意の角度に調整することができることになる。また、例えば、タンク２２－２，２２－３を、水中航走体６の重心付近の位置であって、前方から後方にわたる中心軸であるロール軸の左右の対称な位置に配置し、タンク２２－２，２２－３の水量のバランスを変えることにより、水中航走体６の姿勢角の１つであるロール角を任意の角度に調整することができる。
【0019】
アクチュエータ２１は、図２に示すように、例えば、ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７と、バルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５とを備えている。ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、及びバルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５は、例えば、モータなどの駆動手段を内蔵している。ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７の各々は、ＯＮ状態にする制御信号を受けると駆動手段が動作して、各々に配管を通じて接続するタンク２２－１～２２－５に貯留されている水を取り込んで、他方の配管から排出し、ＯＦＦ状態にする制御信号を受けると駆動手段が停止して、水の取り込みを停止する。バルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５は、ＯＮ状態にする制御信号を受けると駆動手段が動作して弁を開き、ＯＦＦ状態にする制御信号を受けると駆動手段が動作して弁を閉じる。ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、及びバルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５を制御信号によってＯＮ／ＯＦＦすることにより、タンク２２－１～２２－５において注排水、及び移水が行われることになる。
【0020】
なお、図２では、一例として、タンク２２が、５個のタンク２２－１～２２－５を含む例を示しているが、タンク２２に含まれるタンクの個数は、５個に限られるものではなく、複数個であれば、どのような個数であってもよい。また、図２におけるポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、及びバルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５の個数や配置は、一例であり、タンク２２－１～２２－５の個数に応じて増減する。また、例えば、注排水がタンク２２－３のみで行われるという仕様の場合は、その仕様に応じて配置が異なることになり、タンク２２－３に対して注排水を行うポンプ２１Ｐ－３と、バルブ２１Ｖ－３，２１Ｖ－８と、移水用のポンプ２１Ｐ－６，２１Ｐ－７と、バルブ２１Ｖ－１１～２１Ｖ１５とが備えられることになる。
【0021】
水中航走体６には、図１の破線の矢印で示すようにタンク２２によって生じる浮力の力及びモーメント、運動制御装置４による力及びモーメント、及び水中航走体６が海中に位置している場合の海中密度の変化などの外乱による力及びモーメントが作用する。これらの力及びモーメントの作用により水中航走体６の深度、ピッチ角、ロール角などが変化することになる。検出部５は、例えば、ジャイロなどのセンサであり、ピッチ角、ロール角といった姿勢角や深度などの水中航走体６の状態に関する制御指標の各々に対応する制御量を検出する。検出部５は、検出した制御量をフィードバック値として運動制御系制御装置３と、水量制御系制御装置１とに出力する。
【0022】
運動制御系制御装置３は、予め定められる制御指標に対応する運動制御系目標値であって任意の値に指定される運動制御系目標値と、検出部５が検出した制御量であって予め定められる制御指標に対応する制御量とに基づいて、運動制御装置４に対する指令値を算出する。運動制御装置４は、例えば、舵やスラスタを含む制御装置であり、運動制御系制御装置３が算出する指令値に基づいて舵やスラスタを駆動し、水中航走体６の姿勢、移動方向、移動速度などを調整する。
【0023】
水量制御系制御装置１は、冗長な多入力系の制御対象であるタンクシステム２が備えるタンク２２の水量の調整を行う装置である。水量制御系制御装置１は、第一演算部１１、フィードバック制御部１２、フィードフォワード制御部１５、第二演算部１６、調整量算出部１３、及びアクチュエータ制御部１４を備える。フィードバック制御部１２は、上記した（課題１）、（課題２）を解決するために備える機能部である。フィードフォワード制御部１５は、上記した（課題１）を解決するために備える機能部である。調整量算出部１３は、上記した（課題３）を解決するために備える機能部である。以下、フィードバック制御部１２、フィードフォワード制御部１５、及び調整量算出部１３の設計指針について説明する。
【0024】
（フィードバック制御部の設計指針）
図１の制御システム１００を制御系のブロック線図によって示すと図３として表すことができる。図３において、水量制御系６１は、水量制御系制御装置１と、タンクシステム２とに対応する伝達要素である。運動制御系６７は、運動制御系制御装置３と、運動制御装置４とに対応する伝達要素である。制御対象６５は、力及びモーメントによる制御対象である構造物としての水中航走体６に対応する伝達要素である。加え合わせ点６０は、水量制御系目標値と、制御対象６５が出力する制御量とを取り込み、水量制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を水量制御系６１に出力する。加え合わせ点６４は、運動制御系６７が出力する力及びモーメントと、水量制御系６１が出力する力及びモーメントと、外乱による力及びモーメントを取り込んで力及びモーメントごとに加算し、力の加算値と、モーメントの加算値とを制御対象６５に出力する。加え合わせ点６６は、運動制御系目標値と、制御対象６５が出力する制御量とを取り込み、運動制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を運動制御系６７に出力する。
図１の制御システム１００を制御系のブロック線図によって示すと図３として表すことができる。図３において、水量制御系６１は、水量制御系制御装置１と、タンクシステム２とに対応する伝達要素である。運動制御系６７は、運動制御系制御装置３と、運動制御装置４とに対応する伝達要素である。制御対象６５は、力及びモーメントによる制御対象である構造物としての水中航走体６に対応する伝達要素である。加え合わせ点６０は、水量制御系目標値と、制御対象６５が出力する制御量とを取り込み、水量制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を水量制御系６１に出力する。加え合わせ点６４は、運動制御系６７が出力する力及びモーメントと、水量制御系６１が出力する力及びモーメントと、外乱による力及びモーメントを取り込んで力及びモーメントごとに加算し、力の加算値と、モーメントの加算値とを制御対象６５に出力する。加え合わせ点６６は、運動制御系目標値と、制御対象６５が出力する制御量とを取り込み、運動制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を運動制御系６７に出力する。
【0025】
水量制御系６１は、上記した（課題１）であるアクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れの補償を行うために、例えば、アクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れを模擬する伝達要素６３を備える。伝達要素６３は、次式（１）に示す１次遅れ系の伝達関数による演算を行う。式（１）のパラメータＴａをアクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れを模擬するように定める。
【0026】
【数1】
【0027】
また、水量制御系６１は、上記した（課題２）の複数のタンク２２－１～２２－５の水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるために、例えば、次式（２）に示すＰＩＤ制御方式の演算を行う伝達要素６２を備える。
【0028】
【数2】
【0029】
図３のブロック線図に基づいて制御系の設計を行って、制御系がフィードバック制御によって収束するようにＰＩＤ制御方式の制御ゲイン、すなわち、式（２）のパラメータＫｐｔ，Ｔｉｔ，Ｔｄｔを定める。当該設計において、運動制御系６７の制御帯域と、水量制御系６１の制御帯域とが完全に干渉しない非干渉の状態に設計することが最も理想的である。ただし、実際の設計としては制御対象６５において運動制御系６７の制御帯域と、水量制御系６１の制御帯域とが干渉してハンティングなどが生じないことを確認しつつ、運動制御系６７の制御帯域に対して、水量制御系６１の制御帯域を十分小さくするようなパラメータＫｐｔ，Ｔｉｔ，Ｔｄｔを定めることになる。水量制御系６１におけるタンク２２の制御によって得られる力やモーメントは、運動制御系６７における舵やスラスタなどの制御によって得られる力やモーメントより大きいが、力やモーメントによる効果が現れるまでの応答時間の観点では、運動制御系６７の応答時間の方が、水量制御系６１の応答時間よりも短くなる。そのため、水量制御系６１の制御帯域の周波数を低くしてもタンク２２の制御に与える影響は少なく、例えば、周波数領域において、水量制御系６１の制御帯域が、運動制御系６７の制御帯域に比べて十分小さくなるように設計を行う。
【0030】
上記した設計を行って適切なパラメータＫｐｔ，Ｔｉｔ，Ｔｄｔを求めることにより、アクチュエータ２１の能力制約による不安定化を阻止し、アクチュエータ２１の能力制約を超えない安定した制御系を実現することができる。また、運動制御系６７の制御帯域と、水量制御系６１の制御帯域との干渉を抑える制御系を実現することができる。これにより、運動制御系６７と、水量制御系６１とにおいて協調した制御を行うことが可能になる。したがって、制御対象６５が出力する制御量を、運動制御系目標値と、水量制御系目標値とに収束させるフィードバック制御を行うことにより、（課題１）と（課題２）とを解決することが可能になる。
【0031】
図１の水量制御系制御装置１の第一演算部１１は、加え合わせ点６０に対応する演算を行う機能部であり、予め定められる制御指標に対応する水量制御系目標値であって任意の値に指定される水量制御系目標値と、検出部５が検出した制御量であって予め定められる制御指標に対応する制御量とを取り込む。第一演算部１１は、水量制御系目標値から制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差をフィードバック制御部１２に出力する。フィードバック制御部１２は、上記した設計によりパラメータＫｐｔ，Ｔｉｔ，Ｔｄｔが定められた伝達要素６２に対応するＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤ制御器である。フィードバック制御部１２は、ＰＩＤ制御演算により、第一演算部１１が出力する誤差から指令値を算出する。フィードバック制御部１２は、算出した指令値を調整量算出部１３に出力する。
【0032】
なお、予め定められる制御指標は、少なくとも１つ定められ、複数の制御指標が定められる場合、第一演算部１１は、複数の制御指標の各々に対応する水量制御系目標値と制御量とを取り込むことになる。この場合、フィードバック制御部１２は、第一演算部１１が出力する複数の制御指標の各々に対応する複数の誤差の各々に基づいて、複数の制御指標の各々に対応する複数の指令値を算出することになる。
【0033】
（フィードフォワード制御部の設計指針）
また、水量制御系６１は、上記した（課題１）であるアクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れの補償を行うために、フィードフォワード制御器６８を備える。図１の水量制御系制御装置１のフィードフォワード制御部１５は、フィードフォワード制御器６８に対応する演算を行う機能部である。フィードフォワード制御部１５は、水中航走体６の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６の状態変化に関する状態信号が入力された場合、水中航走体６に生じる不平衡量を、フィードフォワード制御により予測する。水中航走体６の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６の状態変化としては、例えば、水中航走体６の前進速力の変化、ピッチ角、ロール角といった姿勢角の変化、深度の変化、水中航走体６の重量バランスの変化等がある。これらの状態変化に関する状態信号は、例えば、水中航走体６の舵やスラスタを操作するための操作系（図示無し）等から入力される。フィードフォワード制御部１５は、これらの状態変化に関する状態信号が入力された場合、その状態信号に基づき、状態変化が生じた場合に生じる不平衡量の予測値を取得する。水中航走体６に生じる不平衡量としては、水中航走体６の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む。
また、水量制御系６１は、上記した（課題１）であるアクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れの補償を行うために、フィードフォワード制御器６８を備える。図１の水量制御系制御装置１のフィードフォワード制御部１５は、フィードフォワード制御器６８に対応する演算を行う機能部である。フィードフォワード制御部１５は、水中航走体６の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６の状態変化に関する状態信号が入力された場合、水中航走体６に生じる不平衡量を、フィードフォワード制御により予測する。水中航走体６の位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６の状態変化としては、例えば、水中航走体６の前進速力の変化、ピッチ角、ロール角といった姿勢角の変化、深度の変化、水中航走体６の重量バランスの変化等がある。これらの状態変化に関する状態信号は、例えば、水中航走体６の舵やスラスタを操作するための操作系（図示無し）等から入力される。フィードフォワード制御部１５は、これらの状態変化に関する状態信号が入力された場合、その状態信号に基づき、状態変化が生じた場合に生じる不平衡量の予測値を取得する。水中航走体６に生じる不平衡量としては、水中航走体６の不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む。
【0034】
図３の加え合わせ点６９は、フィードバック制御部１２が算出した指令値と、フィードフォワード制御部１５が取得した予測値とを加算し、加え合わせ点６４に出力する。図１の第二演算部１６は、加え合わせ点６９に対応する演算を行う機能部である。
【0035】
（調整量算出部の設計指針）
調整量算出部１３は、上記したように（課題３）を解決するために備える機能部である。（課題３）を解決する技術として、組み込み型の装置への実装が容易であり、かつ現場でのパラメータ変更が容易になるように、解析的な最適解を求めることが可能なラグランジュの未定乗数法を採用する。以下、ラグランジュの未定乗数法を用いた解析により得られる最適解を算出する演算式を調整量算出部１３に適用する手順の一例について、図４を参照しつつ説明する。
調整量算出部１３は、上記したように（課題３）を解決するために備える機能部である。（課題３）を解決する技術として、組み込み型の装置への実装が容易であり、かつ現場でのパラメータ変更が容易になるように、解析的な最適解を求めることが可能なラグランジュの未定乗数法を採用する。以下、ラグランジュの未定乗数法を用いた解析により得られる最適解を算出する演算式を調整量算出部１３に適用する手順の一例について、図４を参照しつつ説明する。
【0036】
ラグランジュの未定乗数法を用いるために、ラグランジュの方程式における目的関数と、拘束条件とを予め設定する（ステップＳ１）。ここで、目的関数とは、タンク２２－１～２２－５の水量に関する調整条件を示す関数である。タンク２２－１～２２－５の水量に関する調整条件とは、例えば、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件、タンク２２－１～２２－５の各々に分配する水量を平準化するという条件、水量の調整に要する調整時間を最短にするという条件などである。ここでは、一例として、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件を目的関数ｆ１（ｘ１，ｘ２）として定め、タンク２２－１～２２－５の各々に分配する水量を平準化するという条件を目的関数ｆ２（ｘ１，ｘ２）として定める。
【0037】
拘束条件とは、水中航走体６の状態を示す状態条件を示す関数である。水中航走体６の状態を示す状態条件とは、例えば、水中航走体６の深度や姿勢角などの状態に関する不平衡量を目標値にするといった条件である。例えば、水中航走体６の深度や姿勢などの状態を平衡状態にすることを目的とする場合、目標値を「０」にすることになる。ここでは、一例として、状態条件として、水中航走体６の上下方向の不平衡量を目標値とする拘束条件ｇ１（ｘ１，ｘ２）と、水中航走体６のピッチ軸方向の不平衡量を目標値とする拘束条件ｇ２（ｘ１，ｘ２）とを定める。また、ここでは、一般的な例を示すために、目的関数と、拘束条件とにおいて２つの変数ｘ１，ｘ２を示しているが、図１の制御システム１００の場合、５個のタンク２２－１～２２－５の各々に対する水量の調整量が変数になるため、５個の変数が定められることになる。
【0038】
ステップＳ１において、設定した目的関数ｆ１（ｘ１，ｘ２），ｆ２（ｘ１，ｘ２）と、拘束条件ｇ１（ｘ１，ｘ２），ｇ２（ｘ１，ｘ２）とに、ラグランジュ乗数λ１，λ２を加えて、ラグランジュの方程式を立式する（ステップＳ２）。ラグランジュの未定乗数法による解析により、入力値ｕ１，ｕ２に対するｘ１，ｘ２の最適解を算出する関数であるｈ１（・，・），ｈ２（・，・）を求める（ステップＳ３）。ここで、入力値ｕ１，ｕ２は、図１の水量制御系制御装置１のフィードバック制御部１２が出力する指令値と、フィードフォワード制御部１５が取得した予測値との加算値に対応する。なお、図４では、一例として、ｕ１，ｕ２という２つの入力値と、ｘ１，ｘ２という２つの出力値を示しているが、入力値と出力値の個数は、一致していなくてもよい。
【0039】
ｈ１（・，・），ｈ２（・，・）というｘ１，ｘ２の最適解を算出する関数の演算式を実行する計算機を調整量算出部１３として実装する（ステップＳ４）。これにより、調整量算出部１３は、フィードバック制御部１２が算出した指令値、及びフィードフォワード制御部１５が取得した予測値と、上記の手順により求めた最適解を算出する演算式とに基づいて、タンク２２－１～２２－５の各々に対する水量の最適な調整量を算出することができる。そのため、調整量算出部１３によって（課題３）を解決することが可能になる。
【0040】
（課題３）を解決することにより、例えば、目的関数として、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件、タンク２２－１～２２－５の各々に分配する水量を平準化するという条件、及び水量の調整に要する調整時間を最短にするという条件の３つの条件を定めることにより、制御システム１００によって、以下のような３つの効果が得られることになる。すなわち、水量の調整に要するエネルギ消費を最小にするという条件を定めた場合、例えば、ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７の稼働率を小さくすることができ、それに伴い水中航走体６の使用頻度による寿命低減に寄与する。また、タンク２２－１～２２－５の各々に分配する水量を平準化するという条件を定めた場合、タンク２２－１～２２－５の各々が貯留する水量を平準化できることになる。タンク２２－１～２２－５のいずれかが満水になると、タンクシステム２の仕様によっては、タンク２２－１～２２－５の移水や注排水による応答時間が長くなる場合がある。そのような場合に、タンク２２－１～２２－５の各々が貯留する水量を平準化しておくことで、次にタンク２２－１～２２－５の水量を調整する際にタンクシステム２の応答時間を平準化することができる。また、水量の調整に要する調整時間を最短にするという条件を定めた場合、例えば、タンク２２－１～２２－５に対する移水や注排水の調整に要する時間を短くすることができ、短時間で水中航走体６の深度や姿勢などの状態を安定状態に収束させることが可能になる。
【0041】
図１に戻り、アクチュエータ制御部１４は、調整量算出部１３が算出するタンク２２－１～２２－５の各々に対する調整量と、内部の記憶領域に予め記憶させている変換ルールデータとに基づいて、アクチュエータ２１であるポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、バルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５の各々の駆動手段をＯＮ状態、または、ＯＦＦ状態にする制御信号の生成を行う。上記したように、タンクシステム２の移水や注排水の仕様は、採用する製品によって異なり、例えば、上記した注排水がタンク２２－３のみで行われるといった仕様の他、タンク２２－３において注排水を行っている場合、他のタンク２２－１，２２－２，２２－４，２２－５からタンク２２－３に対して移水をすることができないといった仕様なども存在する。また、ＯＮ状態、または、ＯＦＦ状態にする制御信号のフォーマットなども製品によって異なる。そのため、アクチュエータ制御部１４は、製品固有のルールや製品固有のロジックを反映した変換ルールデータを予め内部の記憶領域に記憶させておき、この変換ルールデータを用いて調整量算出部１３が算出する調整量からアクチュエータ２１に対するＯＮ／ＯＦＦの制御信号の生成を行う。アクチュエータ制御部１４としては、例えば、当該変換ルールデータを備えたルールベースの移水・注排水制御器などが適用される。
【0042】
上記の第１の実施形態において示したように、アクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れを補償するという（課題１）、及び既存の制御系である運動制御系と協調するために、複数のタンク２２－１～２２－５の水量を制御する水量制御系の制御帯域と、運動制御系の制御帯域との干渉を抑えるようにするという（課題２）を解決するフィードバック制御部１２の設計指針を示すことができた。また、アクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れを補償するという（課題１）を解決するフィードフォワード制御部１５の設計指針を示すことができた。また、浮量やトリムの制御を行う際に指定される目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンク２２－１～２２－５の各々に対する最適な水量の調整量を算定するという（課題３）を解決する調整量算出部１３の設計指針を示すことができた。このような設計指針に基づいて設計したフィードバック制御部１２と、調整量算出部１３とを備えることにより、今まで人が、タンクシステム２に対して行っていた多くの入力操作の負担を軽減することが可能になる。また、調整量算出部１３は、任意に定める調整条件及び状態条件によって特定されるタンク２２－１～２２－５に対する最適な水量の調整量を算出する演算式を実行する。そのため、水中航走体６に対する制御の目的や水中航走体６の深度や姿勢などの状態に応じた制御システム１００を構築することが可能になる。したがって、制御システム１００により、アクチュエータ２１の能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体６の制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることが可能になる。
【0043】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態において示したフィードバック制御部１２、フィードフォワード制御部１５、及び調整量算出部１３の設計指針にしたがって設計した、より具体的な構成について説明する。図５は、第２の実施形態による制御システム１００ａの構成の一例と、制御システム１００ａによる制御によって水中航走体６ａに作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。なお、制御システム１００ａにおいて、制御システム１００と同一の構成については、同一の符号を付し、以下、異なる構成について説明する。
第２の実施形態では、第１の実施形態において示したフィードバック制御部１２、フィードフォワード制御部１５、及び調整量算出部１３の設計指針にしたがって設計した、より具体的な構成について説明する。図５は、第２の実施形態による制御システム１００ａの構成の一例と、制御システム１００ａによる制御によって水中航走体６ａに作用する力及びモーメントの関係を示すブロック図である。なお、制御システム１００ａにおいて、制御システム１００と同一の構成については、同一の符号を付し、以下、異なる構成について説明する。
【0044】
制御システム１００ａは、水量制御系制御装置１ａ、タンクシステム２、運動制御系制御装置３ａ、舵制御装置（運動制御装置）４ａ、及び検出部５ａを備える。水中航走体６ａは、第１の実施形態の水中航走体６と同様に、例えば、人が搭乗する有人の水中機である。なお、図５は、図１と同様に、制御系全体の関係を示すために、構造物としての水中航走体６ａを含めたブロック図としているが、実際には、制御システム１００ａは、水中航走体６ａに備えられるシステムである。また、図５においても、図１と同様に、実線は、電気的な接続を示し、破線は、水中航走体６ａに作用する力及びモーメントを示している。
【0045】
加算器７，８は、現実に存在する機能部ではなく、水中航走体６ａに作用する力及びモーメントの関係を簡潔に示すための説明の便宜上の機能部である。加算器７は、タンク２２によって生じる浮力と、舵制御装置４ａに含まれる深度調整用の舵（以下、深度調整舵という）によって生じる力とを加算し、加算した力の加算値を出力する。また、加算器７は、タンク２２によって生じる浮力のモーメントと、舵制御装置４ａに含まれるピッチ角調整用の舵（以下、ピッチ調整舵という）によって生じるモーメントとを加算し、加算したモーメントの加算値を出力する。加算器８は、加算器７が出力する力の加算値と、外乱による力（Ｆｄ）とを加算する。加算器８が加算した力が水中航走体６ａに作用する。また、加算器８は、加算器７が出力するモーメントの加算値と、外乱によるモーメント（Ｍｄ）とを加算する。加算器８が加算したモーメントが水中航走体６ａに作用する。これにより、水中航走体６ａの上下方向に加算器７が出力する力が作用し、水中航走体６ａのピッチ軸方向に加算器７が出力するモーメントが作用することになる。
【0046】
検出部５ａは、水中航走体６ａにおける制御指標である深度と、ピッチ角という２つの制御量を検出する。深度の単位は、例えば、［ｍ］であり、ピッチ角の単位は、例えば、［ｒａｄ］である。検出部５ａは、検出した深度と、ピッチ角とを運動制御系制御装置３ａに出力する。
【0047】
運動制御系制御装置３ａは、演算部３１－１，３１－２、深度ＦＢ（Feed Back）制御部３２－１、及びピッチ角ＦＢ制御部３２－２を備える。演算部３１－１は、予め定められる深度の制御指標に対応する運動制御系目標値であって任意の値に指定される深度目標値と、検出部５ａが検出した深度の制御量とを取り込む。演算部３１－１は、深度目標値から深度の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を深度ＦＢ制御部３２－１に出力する。なお、深度目標値の単位は、検出部５ａが検出する深度の制御量と同じく［ｍ］である。深度ＦＢ制御部３２－１は、演算部３１－１が出力する誤差に基づいて、深度調整舵に対する舵角指令値（以下、深度調整舵角指令値という）を算出する。深度ＦＢ制御部３２－１は、算出した深度調整舵角指令値（δｂ）を舵制御装置４ａと、水量制御系制御装置１ａとに出力する。
【0048】
演算部３１－２は、予め定められるピッチ角の制御指標に対応する運動制御系目標値であって任意の値に指定されるピッチ角目標値と、検出部５ａが検出したピッチ角の制御量とを取り込む。演算部３１－２は、ピッチ角目標値からピッチ角の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差をピッチ角ＦＢ制御部３２－２に出力する。なお、ピッチ角目標値の単位は、検出部５ａが検出するピッチ角の制御量と同じく［ｒａｄ］である。ピッチ角ＦＢ制御部３２－２は、演算部３１－２が出力する誤差に基づいて、ピッチ角調整舵に対する舵角指令値（以下、ピッチ角調整舵角指令値という）を算出する。ピッチ角ＦＢ制御部３２－２は、算出したピッチ角調整舵角指令値（δｒ）を舵制御装置４ａと、水量制御系制御装置１ａとに出力する。
【0049】
舵制御装置４ａは、水中航走体６ａに備えられる深度調整舵及びピッチ角調整舵を含む舵の向きを制御する制御装置である。舵制御装置４ａは、深度ＦＢ制御部３２－１が出力する深度調整舵角指令値（δｂ）に基づいて、深度調整舵の向きを調整する。舵制御装置４ａは、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２が出力するピッチ角調整舵角指令値（δｒ）に基づいて、ピッチ角調整舵の向きを調整する。
【0050】
第１の実施形態の制御システム１００では、検出部５が検出する制御量をフィードバック値として、水量制御系制御装置１にフィードバックする構成を備えている。これに対して、第２の実施形態の制御システム１００ａでは、上記したように深度ＦＢ制御部３２－１が算出する深度調整舵角指令値（δｂ）と、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２が算出するピッチ角調整舵角指令値（δｒ）とをフィードバック値として、水量制御系制御装置１ａにフィードバックする構成としている。第１の実施形態のように、水量制御系制御装置１ａが、検出部５ａが検出する制御量をフィードバック値として参照する方が運動制御系制御装置３ａを経由しないことから応答時間は短くなるというメリットがある。これに対して、運動制御系制御装置３ａが算出する深度調整舵角指令値（δｂ）には、検出部５ａが検出する深度の制御量が反映されており、ピッチ角調整舵角指令値（δｒ）には、検出部５ａが検出するピッチ角の制御量が反映されている。言い換えると、深度調整舵角指令値（δｂ）とピッチ角調整舵角指令値（δｒ）という２つの舵角指令値には、検出部５ａが検出する制御量に加えて、舵制御装置４ａによる各々の舵に対する制御による情報が含まれていることになる。そのため、水量制御系制御装置１ａが、運動制御系制御装置３ａが算出する舵角指令値をフィードバック値として参照する場合、応答時間は長くなるものの、舵角指令値に舵の制御による情報が含まれていることから、水量制御系制御装置１ａと、運動制御系制御装置３ａとの協調を行いやすくするというメリットがある。
【0051】
水量制御系制御装置１ａは、第一演算部１１－１，１１－２、フィードバック制御部１２ａ、フィードフォワード制御部１５ａ、第二演算部１６ａ、調整量算出部１３ａ、及びアクチュエータ制御部１４を備える。第一演算部１１－１は、予め定められる深度の制御指標に対応する水量制御系目標値であって任意の値に指定される浮量目標値と、深度ＦＢ制御部３２－１が出力する深度調整舵角指令値（δｂ）とを取り込む。第一演算部１１－１は、浮量目標値から深度調整舵角指令値（δｂ）を減算して誤差を算出し、算出した誤差をフィードバック制御部１２ａの浮量ＦＢ制御部１２－１に出力する。第一演算部１１－２は、予め定められるピッチ角の制御指標に対応する水量制御系目標値であって任意の値に指定されるトリム目標値と、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２が出力するピッチ角調整舵角指令値（δｒ）とを取り込む。第一演算部１１－２は、トリム目標値からピッチ角調整舵角指令値（δｒ）を減算して誤差を算出し、算出した誤差をフィードバック制御部１２ａのトリムＦＢ制御部１２－２に出力する。
【0052】
ここで、浮量目標値として指定される値は、力を示す浮量であり、浮量目標値の単位は、例えば、［Ｎ］である。また、トリム目標値として指定される値は、モーメントを示すトリム制御モーメントであり、トリム目標値の単位は、例えば、［Ｎ・ｍ］である。これに対して、深度調整舵角指令値（δｂ）と、ピッチ角調整舵角指令値（δｒ）とは角度であり、単位は、例えば、［ｒａｄ］である。したがって、第一演算部１１－１，１１－２の各々に与えられる目標値と、フィードバック値とは単位が異なることになる。そのため、第一演算部１１－１は、フィードバック値である深度調整舵角指令値を「Ｎ」の単位に換算し、第一演算部１１－２は、フィードバック値であるピッチ角調整舵角指令値を「Ｎ・ｍ」の単位に換算した上で、各々に与えられる目標値からの減算の演算を行うことになる。
【0053】
例えば、深度調整舵角指令値（δｂ）の時系列の変化から深度調整舵により水中航走体６ａの上下方向に作用する力を推定することができる。また、ピッチ角調整舵角指令値（δｒ）の時系列の変化からピッチ角調整舵により水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用するモーメントを推定することができる。第一演算部１１－１は、時系列上において連続した複数の深度調整舵角指令値（δｂ）を取り込み、取り込んだ複数の深度調整舵角指令値（δｂ）から推定力を算出することにより力の単位への換算を行うことができる。また、第一演算部１１－２は、時系列上において連続した複数のピッチ角調整舵角指令値（δｒ）を取り込み、取り込んだ複数のピッチ角調整舵角指令値（δｒ）から推定モーメントを算出することによりモーメントの単位への換算を行うことができる。
【0054】
フィードバック制御部１２ａは、浮量ＦＢ制御部１２－１と、トリムＦＢ制御部１２－２とを備える。浮量ＦＢ制御部１２－１とトリムＦＢ制御部１２－２の各々は、それぞれ、上記した「フィードバック制御部の設計指針」にしたがって設計した伝達要素６２に対応する演算を行うＰＩＤ制御器である。ただし、制御システム１００ａは、制御システム１００とは異なり、運動制御系制御装置３ａが出力する２つの舵角指令値を水量制御系制御装置１ａにフィードバックする構成になっている。そのため、制御系の設計の際に、第１の実施形態の制御システム１００と、第２の実施形態の制御システム１００ａとの構成の違いを踏まえて設計を行い、浮量ＦＢ制御部１２－１とトリムＦＢ制御部１２－２の各々に適用するＰＩＤ制御器のＫｐｔ，Ｔｉｔ，Ｔｄｔのパラメータを定めることになる。なお、浮量ＦＢ制御部１２－１とトリムＦＢ制御部１２－２のＰＩＤ制御方式は、個別に設計されるため各々のパラメータＫｐｔ，Ｔｉｔ，Ｔｄｔは、異なることになるが、設計によっては、一致する場合もある。
【0055】
浮量ＦＢ制御部１２－１は、第一演算部１１－１が出力する誤差に対してＰＩＤ制御方式の演算を行い、浮量目標値に対する上下指令値（Ｆｃ）を算出する。浮量ＦＢ制御部１２－１は、算出した上下指令値（Ｆｃ）を第二演算部１６ａ－１に出力する。トリムＦＢ制御部１２－２は、第一演算部１１－２が出力する誤差に対してＰＩＤ制御方式の演算を行い、トリム目標値に対するトリム指令値（Ｍｃ）を算出する。トリムＦＢ制御部１２－２は、算出したトリム指令値（Ｍｃ）を第二演算部１６ａ－２に出力する。
【0056】
フィードフォワード制御部１５ａは、上記した「フィードフォワード制御部の設計指針」にしたがって設計したフィードフォワード制御器６８に対応する。図６は、第２の実施形態によるフィードフォワード制御部１５ａの構成を示すブロック図である。図６に示すように、フィードフォワード制御部１５ａは、第一フィードフォワード制御部１５－１と、第二フィードフォワード制御部１５－２と、第三フィードフォワード制御部１５－３と、を備える。フィードフォワード制御部１５ａは、水中航走体６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６ａの状態変化に関する状態信号が入力された場合、水中航走体６ａに生じる不平衡量の予測値を、フィードフォワード制御により取得する。
【0057】
図７は、第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部１５－１の構成を示すブロック図である。図７に示す第一フィードフォワード制御部１５－１では、水中航走体６ａの舵やスラスタを操作するための操作系（図示無し）等が操作され、水中航走体６ａの前進速力、及び姿勢角（ピッチ角）の少なくとも一方を変化させた場合に、水中航走体６ａの不平衡量の予測値を取得する。第一フィードフォワード制御部１５－１は、第一不平衡量取得部１５１ａと、第一データ記憶部１５２ａと、を備える。
第一不平衡量取得部１５１ａは、水中航走体６ａの前進速力、及び姿勢角（ピッチ角）の少なくとも一方を変化させるため、水中航走体６ａの舵やスラスタを操作するための操作系（図示無し）等が操作された場合に、操作系からの状態変化指示入力に基づいて、不平衡量を取得する。操作系からの状態変化指示入力としては、前進速力の指示値、及び姿勢角指示値が入力される。
図８は、第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部１５－１に記憶された前進速力と不平衡重量との相関データの一例を示す図である。図９は、第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部１５－１に記憶された前進速力と不平衡モーメントとの相関データの一例を示す図である。
第一データ記憶部１５２ａには、予め、図８に示す、ピッチ角の変化量毎の、前進速力と不平衡重量との相関を示すデータと、図９に示す、ピッチ角の変化量毎の、前進速力と不平衡モーメントとの相関を示すデータと、が記憶されている。
第一不平衡量取得部１５１ａは、水中航走体６ａの前進速力、及び姿勢角（ピッチ角）の少なくとも一方を変化させるため、水中航走体６ａの舵やスラスタを操作するための操作系（図示無し）等が操作された場合に、操作系からの状態変化指示入力に基づいて、不平衡量を取得する。操作系からの状態変化指示入力としては、前進速力の指示値、及び姿勢角指示値が入力される。
図８は、第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部１５－１に記憶された前進速力と不平衡重量との相関データの一例を示す図である。図９は、第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部１５－１に記憶された前進速力と不平衡モーメントとの相関データの一例を示す図である。
第一データ記憶部１５２ａには、予め、図８に示す、ピッチ角の変化量毎の、前進速力と不平衡重量との相関を示すデータと、図９に示す、ピッチ角の変化量毎の、前進速力と不平衡モーメントとの相関を示すデータと、が記憶されている。
【0058】
このような第一フィードフォワード制御部１５－１では、水中航走体６ａの前進速力を変化させるための前進速力指示値、及び姿勢角を変化させるための姿勢角指示値が入力された場合、第一不平衡量取得部１５１ａが、第一データ記憶部１５２ａに記憶されたデータに基づき、前進速力指示値、及び姿勢角指示値に応じた、不平衡重量と不平衡モーメントの値を、予測値として取得する。第一不平衡量取得部１５１ａは、取得した不平衡重量の予測値を、第二演算部１６ａ－１に出力する。第一不平衡量取得部１５１ａは、取得した不平衡モーメントの予測値を、第二演算部１６ａ－２に出力する。
【0059】
図１０は、第２の実施形態による第一フィードフォワード制御部１５－１に記憶されたプロペラ回転数と前進速力との相関データの一例を示す図である。
また、第一フィードフォワード制御部１５－１では、水中航走体６ａの前進速力を変化させるための前進速力指示値に代えて、水中航走体６ａの前進速力を変化させるためのプロペラ回転数指示値の入力を受けることも可能である。この場合、第一データ記憶部１５２ａには、図１０に示すような、プロペラ回転数と前進速力との相関を示すデータが予め記憶されている。第一不平衡量取得部１５１ａは、水中航走体６ａの状態変化指示入力として、プロペラ回転数指示値が入力された場合、第一データ記憶部１５２ａに記憶された、プロペラ回転数と前進速力との相関を示すデータに基づき、プロペラ回転数指示値に応じた前進速力を取得する。この後、上記と同様、第一データ記憶部１５２ａは、取得した前進速力と、姿勢角指示値に応じた、不平衡重量と不平衡モーメントの値を、予測値として取得する。
また、第一フィードフォワード制御部１５－１では、水中航走体６ａの前進速力を変化させるための前進速力指示値に代えて、水中航走体６ａの前進速力を変化させるためのプロペラ回転数指示値の入力を受けることも可能である。この場合、第一データ記憶部１５２ａには、図１０に示すような、プロペラ回転数と前進速力との相関を示すデータが予め記憶されている。第一不平衡量取得部１５１ａは、水中航走体６ａの状態変化指示入力として、プロペラ回転数指示値が入力された場合、第一データ記憶部１５２ａに記憶された、プロペラ回転数と前進速力との相関を示すデータに基づき、プロペラ回転数指示値に応じた前進速力を取得する。この後、上記と同様、第一データ記憶部１５２ａは、取得した前進速力と、姿勢角指示値に応じた、不平衡重量と不平衡モーメントの値を、予測値として取得する。
【0060】
図１１は、第２の実施形態による第二フィードフォワード制御部１５－２の構成を示すブロック図である。図１１に示す第二フィードフォワード制御部１５－２では、水中航走体６ａの舵やスラスタを操作するための操作系（図示無し）等が操作され、水中航走体６ａの深度を変化させた場合に、水中航走体６ａの不平衡量として、不平衡重量の予測値を取得する。第二フィードフォワード制御部１５－２は、第二不平衡量取得部１５１ｂと、第二データ記憶部１５２ｂと、を備える。
第二不平衡量取得部１５１ｂは、水中航走体６ａの深度を変化させるため、水中航走体６ａの操作系（図示無し）等が操作された場合に、操作系からの状態変化指示入力に基づいて、不平衡重量を取得する。操作系からの状態変化指示入力としては、現在深度と、深度指示値が入力される。
図１２は、第２の実施形態による第二フィードフォワード制御部１５－２に記憶された、水温と、深度と、排水量との相関を示すデータの一例を示す図である。
第二データ記憶部１５２ｂには、予め、図１２に示す、水温と、深度と、排水量との相関を示すデータと、が記憶されている。海水の密度は、水温と深度とに応じて異なる。水中航走体６ａの浮力に相関する水中航走体６ａにおける排水量は、海水の密度に応じて異なる。図１２における等排水量曲線は、海水の密度が等しい水温と深度とを示すものである。また、第二データ記憶部１５２ｂには、水中航走体６ａが航走する海域の深度と水温との相関を示すデータベースが、予め記憶されている。海域の深度と水温との相関を示すデータベースは、例えば、水中航走体６ａが予め、当該海域を航行した際に、検出部５で検出される深度と水温のデータを蓄積することによって構成されている。海域の深度と水温との相関を示すデータベースは、水中航走体６ａの航行中に深度と水温のデータを取得し、逐次更新するようにしてもよい。
第二不平衡量取得部１５１ｂは、水中航走体６ａの深度を変化させるため、水中航走体６ａの操作系（図示無し）等が操作された場合に、操作系からの状態変化指示入力に基づいて、不平衡重量を取得する。操作系からの状態変化指示入力としては、現在深度と、深度指示値が入力される。
図１２は、第２の実施形態による第二フィードフォワード制御部１５－２に記憶された、水温と、深度と、排水量との相関を示すデータの一例を示す図である。
第二データ記憶部１５２ｂには、予め、図１２に示す、水温と、深度と、排水量との相関を示すデータと、が記憶されている。海水の密度は、水温と深度とに応じて異なる。水中航走体６ａの浮力に相関する水中航走体６ａにおける排水量は、海水の密度に応じて異なる。図１２における等排水量曲線は、海水の密度が等しい水温と深度とを示すものである。また、第二データ記憶部１５２ｂには、水中航走体６ａが航走する海域の深度と水温との相関を示すデータベースが、予め記憶されている。海域の深度と水温との相関を示すデータベースは、例えば、水中航走体６ａが予め、当該海域を航行した際に、検出部５で検出される深度と水温のデータを蓄積することによって構成されている。海域の深度と水温との相関を示すデータベースは、水中航走体６ａの航行中に深度と水温のデータを取得し、逐次更新するようにしてもよい。
【0061】
このような第二フィードフォワード制御部１５－２では、水中航走体６ａの深度を変化させるための目標深度指示値が入力されると、第二不平衡量取得部１５１ｂが、その時点での現在深度を取得する。第二不平衡量取得部１５１ｂは、第二データ記憶部１５２ｂの海域の深度と水温との相関を示すデータベースを参照し、目標深度指示値と、現在深度とに対応した、目標深度における水温（目標水温）と、現在深度における水温（現在水温）と、を取得する。さらに、第二不平衡量取得部１５１ｂは、第二データ記憶部１５２ｂの、図１２に示す、水温と、深度と、排水量との相関を示すデータを参照し、現在深度、現在水温における現在排水量（例えば、図１２における点Ｄ１）と、目標深度指示値に応じた目標深度、及び目標水温における目標排水量（例えば、図１２における点Ｄ２）と、を取得する。第二不平衡量取得部１５１ｂは、取得した現在排水量と、目標排水量との差分を演算し、現在深度から目標深度まで深度を変化させた場合の、不平衡重量の値を、予測値として取得する。
【0062】
図１３は、第２の実施形態による第三フィードフォワード制御部１５－３の構成を示すブロック図である。図１３に示す第三フィードフォワード制御部１５－３では、水中航走体６ａ内における人員の配置（分布）を変化させる場合に、水中航走体６ａの不平衡量として、不平衡モーメントの予測値を取得する。第三フィードフォワード制御部１５－３は、第三不平衡量取得部１５１ｃと、第三データ記憶部１５２ｃと、を備える。
水中航走体６ａにおいては、水中航走体６ａ内における人員の配置（分布）が変化すると、水中航走体６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６ａの状態変化が生じる。
第三不平衡量取得部１５１ｃは、水中航走体６ａ内における人員の配置を変化させる場合、水中航走体６ａ内に予め設定された複数のエリア毎に配置される人員の数を示す人員配置情報が、状態変化信号として入力される。人員配置情報の入力は、制御システムに対して外部からの入力が可能な端末（図示無し）で行われる。人員配置情報の入力は、例えば、水中航走体６ａ内の各所に設置した人感センサ等によって、各エリアに存在する人員の数を検出するようにしてもよい。
第三データ記憶部１５２ｃには、予め、水中航走体６ａの重心位置から、各エリアまでの距離と、人員の重量データ（例えば、人員の平均体重）とが記憶されている。
水中航走体６ａにおいては、水中航走体６ａ内における人員の配置（分布）が変化すると、水中航走体６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える水中航走体６ａの状態変化が生じる。
第三不平衡量取得部１５１ｃは、水中航走体６ａ内における人員の配置を変化させる場合、水中航走体６ａ内に予め設定された複数のエリア毎に配置される人員の数を示す人員配置情報が、状態変化信号として入力される。人員配置情報の入力は、制御システムに対して外部からの入力が可能な端末（図示無し）で行われる。人員配置情報の入力は、例えば、水中航走体６ａ内の各所に設置した人感センサ等によって、各エリアに存在する人員の数を検出するようにしてもよい。
第三データ記憶部１５２ｃには、予め、水中航走体６ａの重心位置から、各エリアまでの距離と、人員の重量データ（例えば、人員の平均体重）とが記憶されている。
【0063】
このような第三フィードフォワード制御部１５－３では、水中航走体６ａ内における人員配置情報が、状態変化信号として入力された場合、第三不平衡量取得部１５１ｃは、次式（３）により、直前の人員配置状態を基準とした不平衡モーメントＭを算出する。ここで、Ｍは不平衡モーメント、Ｗｉは、各エリアの人員重量、ｌｉは、各エリアの水中航走体６ａの重心位置からの距離、である。
【数3】
【0064】
第三不平衡量取得部１５１ｃは、式（３）により算出された不平衡モーメントＭを、予測値として取得する。
【0065】
第二演算部１６ａは、フィードバック制御部１２が算出した指令値と、フィードフォワード制御部１５が取得した予測値とを加算し、調整量算出部１３ａに出力する。第二演算部１６ａ－１は、浮量ＦＢ制御部１２－１が算出した上下指令値（Ｆｃ）と、第一不平衡量取得部１５１ａが取得した不平衡重量の予測値とを加算し、調整量算出部１３ａに出力する。第二演算部１６ａ－２は、浮量ＦＢ制御部１２－１が算出したトリム指令値（Ｍｃ）と、第一不平衡量取得部１５１ａが取得した不平衡モーメントの予測値とを加算し、調整量算出部１３ａに出力する。
【0066】
調整量算出部１３ａは、上記した「調整量算出部の設計指針」にしたがって予めラグランジュの未定乗数法を用いた解析により求めた最適解を算出する演算式、すなわちタンク２２－１～２２－５の各々に対する最適な調整量Ｖ１～Ｖ５を算出する演算式を実行する。調整量算出部１３ａは、浮量ＦＢ制御部１２－１が出力する上下指令値（Ｆｃ）と、トリムＦＢ制御部１２－２が出力するトリム指令値（Ｍｃ）とに基づいて、タンク２２－１～２２－５の各々に対する水量の調整量（ΔＶ１～ΔＶ５）を算出する。調整量算出部１３ａは、算出したタンク２２－１～２２－５の各々に対する水量の調整量（ΔＶ１～ΔＶ５）をアクチュエータ制御部１４に出力する。
【0067】
（調整量算出部に適用される最適解を算出する演算式の一例）
ここで、一例として、水中航走体６ａの運動モデルとして、深度と、ピッチ角とに関する線形モデルに限定した運動モデルを定義した上で、調整量算出部１３ａに適用される最適解を算出する演算式をラグランジュの未定乗数法により求める手法について説明する。深度に関する線形モデルは、次式（４）の運動方程式として表すことができる。
ここで、一例として、水中航走体６ａの運動モデルとして、深度と、ピッチ角とに関する線形モデルに限定した運動モデルを定義した上で、調整量算出部１３ａに適用される最適解を算出する演算式をラグランジュの未定乗数法により求める手法について説明する。深度に関する線形モデルは、次式（４）の運動方程式として表すことができる。
【0068】
【数4】
【0069】
式（４）に示す物理パラメータの各々の名称と、各々の単位とは、図１４に示す表の通りである。式（４）の左辺の「・」付きの「ｗ」は、深度速度の微分、すなわち深度加速度であり、深度加速度に、深度軸質量「ｍｚ」を乗算することにより、水中航走体６ａの上下方向、すなわち水中航走体６ａのピッチ軸と、ロール軸が水平面上に存在する場合に、ロール軸をＸ軸、ピッチ軸をＹ軸とした場合のＺ軸方向に作用する力を示すことになる。式（４）の右辺の第１項の「－Ｄｚｗ」は、粘性抵抗係数に深度速度を乗算した速度の減衰項であり、水中航走体６ａが沈下する際に作用する粘性力を示している。式（４）の右辺の第２項の「Ｋδｂδｂ」は、深度調整舵によって水中航走体６ａの上下方向に作用する力を示している。式（４）の右辺の第３項の「Ｆｄ」は、外乱により水中航走体６ａの上下方向に作用する外乱力であり、水中航走体６ａの重量のバランスの崩れを示している。なお、定常時において深度調整舵に舵角が存在している場合、舵角による力を静的な外乱力とみなして、舵角による力を「Ｆｄ」に加えるものとする。式（４）の右辺の第４項の「Ｆｔ（ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３，ΔＶ４，ΔＶ５）」は、上下制御力であり、タンク２２－１～２２－５によって水中航走体６ａの上下方向に生じる浮力を示している。
【0070】
ピッチ角に関する線形モデルは、次式（５）の運動方程式として表すことができる。
【0071】
【数5】
【0072】
式（５）に示す物理パラメータの各々の名称と、各々の単位とは、図１４に示す表の通りである。式（５）の左辺の「・」付きの「ｑ」は、ピッチ角速度の微分、すなわちピッチ角加速度であり、ピッチ角加速度にピッチ軸慣性モーメントＪｐを乗算することにより、水中航走体６ａのピッチ軸を中心として水中航走体６ａに作用する回転力のモーメントを示すことになる。式（５）の右辺の第１項の「－Ｄｐｑ」は、粘性抵抗係数にピッチ角速度を乗算した速度の減衰項であり、水中航走体６ａがピッチ軸を中心に回転する際に、水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用する粘性力のモーメントを示している。式（５）の右辺の第２項の「－Ｋｐθ」において、「Ｋｐ」は、復原モーメント係数であり、「θ」はピッチ角である。水中航走体６ａは、ある状態から傾くと、傾いた角度に応じて元の状態に戻るモーメントが作用するように設計されている。したがって、「－Ｋｐθ」は、水中航走体６ａがピッチ軸方向に「θ」の角度で傾いた場合に、水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用する復原力のモーメントを示すことになる。
【0073】
式（５）の右辺の第３項の「Ｋδｒδｒ」は、ピッチ角調整舵によって水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用するモーメントを示すことになる。式（５）の右辺の第４項の「Ｍｄ」は、外乱により水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用する外乱力のモーメントを示している。なお、定常時においてピッチ角調整舵に舵角が存在している場合、舵角によるモーメントを静的な外乱モーメントとみなして、舵角によるモーメントを「Ｍｄ」に加えるものとする。式（５）の右辺の第５項の「Ｍｔ（ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３，ΔＶ４，ΔＶ５）」は、トリム制御モーメントであり、タンク２２－１～２２－５によって水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用する浮力のモーメントを示している。なお、式（４）及び式（５）におけるΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３，ΔＶ４，ΔＶ５は、上記したように、調整量算出部１３ａが算出するタンク２２－１，２２－２，２２－３，２２－４，２２－５の各々における水量の増減を示す調整量である。
【0074】
水中航走体６ａの状態を示す状態条件を、ラグランジュの未定乗数法における拘束条件とする。ここでは、水中航走体６ａの状態を示す状態条件として、水中航走体６ａの上下方向の不平衡量と、ピッチ軸方向の不平衡量とをそれぞれ「０」とする状態条件を採用する。上下方向の不平衡量が「０」の状態とは、水中航走体６ａの水中重量が「０［ｋｇ］」であり、中性浮力状態になることを意味する。また、ピッチ軸方向の不平衡量が「０」の状態とは、水中航走体６ａのピッチ角が「０［ｒａｄ］」であり、水中航走体６ａのロール軸が水平になることを意味する。水中航走体６ａの速度が一定である平衡状態であると仮定すると、拘束条件は、次式（６），（７）として示すことができる。
【0075】
【数6】
【0076】
【数7】
【0077】
式（６）の右辺の第１項から第３項は、浮量ＦＢ制御部１２－１が出力する上下指令値Ｆｃ［Ｎ］によって補償されると仮定する。また、式（７）の右辺の第１項から第４項は、トリムＦＢ制御部１２－２が出力するトリム指令値Ｍｃ［Ｎ・ｍ］によって補償されると仮定する。なお、上記したように定常時において、深度調整舵とピッチ角調整舵とに舵角が存在している場合、定常時に存在する舵角による力及びモーメントが、それぞれ「Ｆｄ」と「Ｍｄ」に加えられるが、定常時に存在する舵角による力及びモーメントも「Ｆｃ」と「Ｍｃ」によって相殺されると仮定する。この場合、式（６），（７）の拘束条件は、それぞれ次式（８），（９）として表されることになる。
【0078】
【数8】
【0079】
【数9】
【0080】
ここで、タンク２２－１～２２－５による浮力（Ｆｔ）、及び浮力のモーメント（Ｍｔ）は、それぞれ、次式（１０），（１１）により求めることができる。
【0081】
【数10】
【0082】
【数11】
【0083】
式（１０），（１１）において、ρは、海水密度［ｋｇ／ｍ３］であり、ｇは、重力加速度［ｍ／ｓ２］である。また、式（１１）において、ｌ１～ｌ５の各々は、水中航走体６ａの重心からタンク２２－１～２２－５の各々の重心までの距離である。
【0084】
式（８），（９）に対して式（１０），（１１）を適用することにより、式（８），（９）を次式（１２），（１３）に変形することができる。
【0085】
【数12】
【0086】
【数13】
【0087】
ここで、ラグランジュの未定乗数法の目的関数として、次式（１４）を定義する。
【0088】
【数14】
【0089】
式（１４）は、タンク２２－１～２２－５の間の水の移動量を評価する評価関数であり、タンク２２－１～２２－５の水量に関する調整条件を示すことになる。式（１４）の評価関数を最小にすることは、タンク２２－１～２２－５における水量の調整量を最小にすることを意味する。タンク２２－１～２２－５の水量の調整量を最小にするということは、ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７の稼働率を最小にし、また、エネルギ消費を最小にすることを意味する。
【0090】
式（１２），（１３）の拘束条件と、式（１４）の目的関数と、ラグランジュ乗数λ１，λ２とにより次式（１５）に示すラグランジュ方程式を立式する。
【0091】
【数15】
【0092】
式（１５）の最適解は、次式（１６）に示すように、式（１５）を変数であるΔＶ１～ΔＶ５、及びラグランジュ乗数λ１，λ２の各々で偏微分した式の各々が「０」になる条件により求めることができる。
【0093】
【数16】
【0094】
式（１６）より７つの式からなる連立方程式を導くことができる。７つの式からなる連立方程式からλ１，λ２を消去することで、浮量ＦＢ制御部１２－１が出力する上下指令値（Ｆｃ）と、トリムＦＢ制御部１２－２が出力するトリム指令値（Ｍｃ）とから最適解を算出する演算式、すなわちタンク２２－１～２２－５の各々に対する最適な調整量ΔＶ１～ΔＶ５を算出する演算式を求めることができる。上記のようにして求めた最適解を算出する演算式を実行する計算機を調整量算出部１３ａとする。
【0095】
（第２の実施形態の制御システムによる処理）
以下、第２の実施形態の制御システム１００ａによる処理について説明する。
以下、第２の実施形態の制御システム１００ａによる処理について説明する。
【0096】
（運動制御系による処理）
図１５は、運動制御系制御装置３ａと舵制御装置４ａによる処理の流れを示すフローチャートである。図１５の処理が開始される前に、運動制御系制御装置３ａに対して、深度目標値と、ピッチ角目標値とが指定される。また、検出部５ａは、一定の間隔で深度とピッチ角の制御量を繰り返し検出しているものとする。また、例えば、運動制御系制御装置３ａには、ＯＮ／ＯＦＦスイッチが備えられており、ＯＮ状態にされることで、図１５に示す処理が開始される。
図１５は、運動制御系制御装置３ａと舵制御装置４ａによる処理の流れを示すフローチャートである。図１５の処理が開始される前に、運動制御系制御装置３ａに対して、深度目標値と、ピッチ角目標値とが指定される。また、検出部５ａは、一定の間隔で深度とピッチ角の制御量を繰り返し検出しているものとする。また、例えば、運動制御系制御装置３ａには、ＯＮ／ＯＦＦスイッチが備えられており、ＯＮ状態にされることで、図１５に示す処理が開始される。
【0097】
演算部３１－１は、指定された深度目標値と、検出部５ａが検出した深度の制御量とを取り込む。演算部３１－２は、指定されたピッチ角目標値と、検出部５ａが検出したピッチ角の制御量とを取り込む（ステップＳａ１）。演算部３１－１は、深度目標値から深度の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差を深度ＦＢ制御部３２－１に出力する。深度ＦＢ制御部３２－１は、演算部３１－１が出力した誤差を取り込み、取り込んだ誤差に基づいて深度調整舵角指令値（δｂ）を算出する。深度ＦＢ制御部３２－１は、算出した深度調整舵角指令値（δｂ）を舵制御装置４ａに出力する（ステップＳａ２－１）。演算部３１－２は、ピッチ角目標値からピッチ角の制御量を減算して誤差を算出し、算出した誤差をピッチ角ＦＢ制御部３２－２に出力する。ピッチ角ＦＢ制御部３２－２は、演算部３１－２が出力した誤差を取り込み、取り込んだ誤差に基づいてピッチ角調整舵角指令値（δｒ）を算出する。ピッチ角ＦＢ制御部３２－２は、算出したピッチ角調整舵角指令値（δｒ）を舵制御装置４ａに出力する（ステップＳａ２－２）。
【0098】
舵制御装置４ａは、深度ＦＢ制御部３２－１が出力する深度調整舵角指令値（δｂ）に応じて深度調整舵の向きを変える。これにより、深度調整舵による力と、外乱力（Ｆｄ）とを合わせた力が水中航走体６ａに作用し、水中航走体６ａの深度が変わることになる（ステップＳａ３－１）。舵制御装置４ａは、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２が出力するピッチ角調整舵角指令値（δｒ）に応じてピッチ角調整舵の向きを変える。これにより、ピッチ角調整舵によるモーメントと、外乱モーメント（Ｍｄ）とを合わせたモーメントが水中航走体６ａに作用し、水中航走体６ａのピッチ角が変わることになる（ステップＳａ３－２）。
【0099】
運動制御系制御装置３ａのＯＮ／ＯＦＦスイッチの状態が、ＯＮ状態である場合、運動制御系による制御が継続しているものとして（ステップＳａ４、Ｙｅｓ）、ステップＳａ１以降の処理が行われる。一方、運動制御系制御装置３ａのＯＮ／ＯＦＦスイッチの状態が、ＯＦＦ状態である場合、演算部３１－１，３１－２、深度ＦＢ制御部３２－１、及びピッチ角ＦＢ制御部３２－２は動作を停止するため（ステップＳａ４、Ｎｏ）、処理が終了する。
【0100】
なお、図１５の処理において、ステップＳａ２－１，Ｓａ３－１の処理と、ステップＳａ２－２，Ｓａ３－２の処理とは、並列に行われる処理である。
【0101】
（水量制御系による処理）
図１６は、水量制御系制御装置１ａとタンクシステム２による処理の流れを示すフローチャートである。図１６の処理が開始される前に、水量制御系制御装置１ａに対して浮量目標値と、トリム目標値とが指定される。また、検出部５ａは、一定の間隔で深度とピッチ角の制御量を繰り返し検出しているものとする。運動制御系制御装置３ａ及び舵制御装置４ａは、運動制御系制御装置３ａがＯＮの状態で、図１５に示す処理を継続して行っているものとする。また、例えば、水量制御系制御装置１ａには、ＯＮ／ＯＦＦスイッチが備えられており、ＯＮ状態にされることで、図１６に示す処理が開始される。
図１６は、水量制御系制御装置１ａとタンクシステム２による処理の流れを示すフローチャートである。図１６の処理が開始される前に、水量制御系制御装置１ａに対して浮量目標値と、トリム目標値とが指定される。また、検出部５ａは、一定の間隔で深度とピッチ角の制御量を繰り返し検出しているものとする。運動制御系制御装置３ａ及び舵制御装置４ａは、運動制御系制御装置３ａがＯＮの状態で、図１５に示す処理を継続して行っているものとする。また、例えば、水量制御系制御装置１ａには、ＯＮ／ＯＦＦスイッチが備えられており、ＯＮ状態にされることで、図１６に示す処理が開始される。
【0102】
第一演算部１１－１は、指定された浮量目標値と、深度ＦＢ制御部３２－１が出力する深度調整舵角指令値（δｂ）とを取り込む。第一演算部１１－１は、深度調整舵角指令値（δｂ）を浮量目標値の単位に換算した上で、浮量目標値から換算後の深度調整舵角指令値（δｂ）を減算して誤差を算出し、算出した誤差を浮量ＦＢ制御部１２－１に出力する。第一演算部１１－２は、指定されたトリム目標値と、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２が出力するピッチ角調整舵角指令値（δｒ）とを取り込む。第一演算部１１－２は、ピッチ角調整舵角指令値（δｒ）をトリム目標値の単位に換算した上で、トリム目標値から換算後の深度調整舵角指令値（δｂ）を減算して誤差を算出し、算出した誤差をトリムＦＢ制御部１２－２に出力する（ステップＳｂ１）。
【0103】
浮量ＦＢ制御部１２－１は、ＰＩＤ制御演算により、第一演算部１１－１が出力する誤差から上下指令値（Ｆｃ）を算出する。浮量ＦＢ制御部１２－１は、算出した上下指令値（Ｆｃ）を第二演算部１６ａに出力する（ステップＳｂ２－１）。トリムＦＢ制御部１２－２は、ＰＩＤ制御演算により、第一演算部１１－２が出力する誤差からトリム指令値（Ｍｃ）を算出する。トリムＦＢ制御部１２－２は、算出したトリム指令値（Ｍｃ）を第二演算部１６ａに出力する（ステップＳｂ２－２）。
【0104】
フィードフォワード制御部１５ａは、操縦系による状態変化指示入力に基づいた、状態信号の入力の有無を確認する（ステップＳｂ３）。その結果、状態信号の入力が無い場合（ステップＳｂ３、Ｎｏ）、ステップＳｂ４をスキップしてステップＳｂ５に進む。また、状態信号の入力が有った場合（ステップＳｂ３、Ｙｅｓ）、フィードフォワード制御部１５ａは、入力された状態信号に基づき、状態変化が生じた場合の水中航走体の不平衡量の予測値を取得し、取得した予測値を第二演算部１６ａに出力する（ステップＳｂ４）。
【0105】
第二演算部１６ａは、フィードバック制御部１２ａが算出した指令値と、フィードフォワード制御部１５ａが取得した予測値とを加算し、上下指令値（Ｆｃ）と、トリム指令値（Ｍｃ）とを調整量算出部１３ａに出力する。調整量算出部１３ａは、出力された上下指令値（Ｆｃ）と、トリム指令値（Ｍｃ）とを取り込む。調整量算出部１３ａは、取り込んだ上下指令値（Ｆｃ）とトリム指令値（Ｍｃ）とを入力として、最適解を算出する演算式による演算を行って調整量ΔＶ１～ΔＶ５を算出する。調整量算出部１３ａは、算出した調整量ΔＶ１～ΔＶ５をアクチュエータ制御部１４に出力する（ステップＳｂ５）。
【0106】
アクチュエータ制御部１４は、調整量算出部１３ａが出力する調整量ΔＶ１～ΔＶ５と、内部の記憶領域に予め記憶させている変換ルールデータとに基づいて、アクチュエータ２１であるポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、バルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５の各々の駆動手段をＯＮ状態、または、ＯＦＦ状態する制御信号を生成する。アクチュエータ制御部１４は、生成した制御信号の各々を、各々に対応するポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、バルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５の駆動手段に出力する（ステップＳｂ６）。
【0107】
ポンプ２１Ｐ－１～２１Ｐ－７、バルブ２１Ｖ－１～２１Ｖ－１５の各々の駆動手段が、アクチュエータ制御部１４からＯＮ状態、または、ＯＦＦ状態する制御信号を受けると、制御信号に応じた動作を開始し、これにより、タンク２２－１～２２－５において、移水や注排水が行われることになる（ステップＳｂ７）。
【0108】
水量制御系制御装置１ａのＯＮ／ＯＦＦスイッチの状態が、ＯＮ状態である場合、水量制御系による制御が継続しているものとして（ステップＳｂ８、Ｙｅｓ）、ステップＳｂ１以降の処理が行われる。一方、水量制御系制御装置１ａのＯＮ／ＯＦＦスイッチの状態が、ＯＦＦ状態である場合、第一演算部１１－１，１１－２、浮量ＦＢ制御部１２－１、トリムＦＢ制御部１２－２、調整量算出部１３ａ、及びアクチュエータ制御部１４は、動作を停止するため（ステップＳｂ８、Ｎｏ）、処理が終了する。
【0109】
なお、図１６の処理において、ステップＳｂ２－１の処理と、ステップＳｂ２－２の処理とは、並列に行われる処理である。
【0110】
（シミュレーション結果）
図１７及び図１８は、制御システム１００ａを用いて行ったシミュレーション結果を示すグラフである。図１７、図１８のグラフにおいて横軸は、経過時間を示しており、単位は［秒］であり、横軸の左端の時刻は、「０秒」である。また、図１７、図１８において、縦方向の一点鎖線で示す時刻は、同一時刻であり、この時刻が、水量制御系制御装置１ａをＯＮ状態にした時刻、すなわち水量制御系制御装置１ａが図１６に示す処理を開始した時刻である。検出部５ａは、時刻「０秒」において深度とピッチ角の制御量を一定の間隔で検出する処理を開始している。運動制御系制御装置３ａは、時刻「０秒」においてＯＮ状態になっており図１５に示す処理を開始している。また、運動制御系制御装置３ａに対して、図１７（ｅ）の符号７１の破線で示す深度目標値が指定され、図１７（ｆ）の符号７２の破線で示すピッチ角目標値が指定されている。
図１７及び図１８は、制御システム１００ａを用いて行ったシミュレーション結果を示すグラフである。図１７、図１８のグラフにおいて横軸は、経過時間を示しており、単位は［秒］であり、横軸の左端の時刻は、「０秒」である。また、図１７、図１８において、縦方向の一点鎖線で示す時刻は、同一時刻であり、この時刻が、水量制御系制御装置１ａをＯＮ状態にした時刻、すなわち水量制御系制御装置１ａが図１６に示す処理を開始した時刻である。検出部５ａは、時刻「０秒」において深度とピッチ角の制御量を一定の間隔で検出する処理を開始している。運動制御系制御装置３ａは、時刻「０秒」においてＯＮ状態になっており図１５に示す処理を開始している。また、運動制御系制御装置３ａに対して、図１７（ｅ）の符号７１の破線で示す深度目標値が指定され、図１７（ｆ）の符号７２の破線で示すピッチ角目標値が指定されている。
【0111】
なお、図１７（ｃ），（ｄ）、（ｆ）では、［ｒａｄ］の単位で得られた値を［ｄｅｇ］の単位に換算して示している。また、図１７（ａ），（ｂ），（ｇ），（ｈ）のグラフにおいて［ｔｏｎｆ（トン重：ton-force）］及び「ｔｏｎｆ・ｍ」の単位は、［Ｎ］、［Ｎ・ｍ］の単位で得られた値を［ｔｏｎｆ］、［ｔｏｎｆ・ｍ］の単位に換算して示している。
【0112】
図１８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）のグラフは、それぞれタンク２２－１，２２－２，２２－３，２２－４，２２－５内の水量を百分率で示したグラフであり、時刻「０秒」においてタンク２２－１～２２－５の各々は、同一の比率で水を貯留しているものとする。
【0113】
図１７（ａ），（ｂ）のグラフに示すように水中航走体６ａに対して時刻０［秒］から少し経過した時刻において、一定の外乱力（Ｆｄ）と、一定の外乱モーメント（Ｍｄ）とが加えられ、これにより、水中航走体６ａの重量のバランスが崩れることになる。運動制御系制御装置３ａの深度ＦＢ制御部３２－１及びピッチ角ＦＢ制御部３２－２と、舵制御装置４ａとによる制御により、図１７（ｃ），（ｄ）のグラフに示すように深度調整舵角度と、ピッチ角調整舵の角度が変化する。図１７（ｅ），（ｆ）のグラフは、それぞれ検出部５ａが検出する水中航走体６ａの深度とピッチ角の変化を示すグラフである。図１７（ｅ）のグラフに示されるように、外乱力（Ｆｄ）が加わることにより、水中航走体６ａは沈むため深度が増加し、その後、深度ＦＢ制御部３２－１による制御によって一定の深度が維持される。ただし、深度ＦＢ制御部３２－１による制御では、図１７（ｅ）において符号７１の破線で示す深度目標値には収束しない。これに対して、図１７（ｆ）のグラフに示されるように、外乱モーメント（Ｍｄ）が加わることにより、水中航走体６ａはピッチ軸を中心に傾くためピッチ角が増加するが、その後、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２による制御によって、符号７２の破線で示すピッチ角目標値に収束している。
【0114】
縦方向の一点鎖線で示す時刻になり、水量制御系制御装置１ａが、図１６に示す処理を開始する。水量制御系制御装置１ａにおいて、図１７（ｇ）のグラフにおいて符号７３の破線で示す浮量目標値が指定され、図１７（ｈ）のグラフにおいて符号７４の破線で示すトリム目標値が指定される。水量制御系制御装置１ａによる制御が開始されることにより、調整量算出部１３ａが算出するタンク２２－１～２２－５の各々に対する調整量ΔＶ１～ΔＶ５にしたがって、図１８のグラフに示すようにタンク２２－１～２２－５の各々の水量が徐々に減少し、オーバーシュートすることなく、タンク２２－１～２２－５の各々が貯留する水量が一定量に収束する。検出部５ａが検出する水中航走体６ａの深度は、図１７（ｅ）のグラフに示すように、縦方向の一点鎖線で示す時刻以降、乱れが生じることなく、符号７１の破線で示す深度目標値に収束する。検出部５ａが検出する水中航走体６ａのピッチ角は、図１７（ｆ）のグラフに示すように、縦方向の一点鎖線で示す時刻以降、多少の乱れが生じるものの、最終的には、符号７２の破線で示すピッチ角目標値に収束する。また、図１７（ｃ），（ｄ）のグラフに示すように、縦方向の一点鎖線で示す時刻以降は、深度調整舵角及びピッチ角調整舵角は、舵の制御を行っていない中立の状態に収束する。また、図１７（ｇ），（ｈ）のグラフに示すように、水中航走体６ａの上下方向の浮量は、符号７３の破線で示す浮量目標値に収束し、水中航走体６ａのトリム制御モーメントも、符号７４の破線で示すトリム目標値に収束する。
【0115】
上記した第２の実施形態の構成により、制御システム１００ａによって安定した自動制御、すなわち、アクチュエータ２１の能力制約によって生じる応答遅れを補償し、水量制御系の制御帯域と、既存の制御系である運動制御系との制御帯域との干渉を抑え、浮量目標値及びトリム目標値に向かって運動制御系を含む制御系の全体を並列に収束させるように複数のタンク２２－１～２２－５の各々に対する最適な水量の調整量を算定してタンク２２－１～２２－５に対して移水や注排水を行うことが可能になる。言い換えると、アクチュエータ２１の能力制約を考慮し、かつ既存の制御系との協調を行いつつ、水中航走体６ａの制御系が目標値に収束するように複数のタンクの水量を最適な状態にすることが可能になる。
【0116】
なお、上記の第１の実施形態の制御システム１００における水量制御系目標値、及び運動制御系目標値、並びに第２の実施形態の制御システム１００ａにおける浮量目標値、トリム目標値、深度目標値、及びピッチ角目標値は、水量制御系制御装置１，１ａ及び運動制御系制御装置３，３ａの内部の記憶領域に予め書き込まれる値であってもよいし、陸上に設置した設定装置を利用者が操作して、音響通信や有線ケーブルを介した通信により制御システム１００，１００ａに対してこれらの目標値を伝達するようにしてもよい。また、制御システム１００ａにおける水量制御系制御装置１ａ、及び運動制御系制御装置３ａのＯＮ／ＯＦＦ状態についても、同様に、陸上に設置した設定装置を利用者が操作して、音響通信や有線ケーブルを介した通信によりＯＮ／ＯＦＦ状態を切り替えるようにしてもよい。
【0117】
上記の第１及び第２の実施形態において、水中航走体６，６ａは、例えば、人が搭乗する有人の水中機であるとしているが、無人で自律的に水中を航走する水中無人機であってもよい。
【0118】
また、上記の第２の実施形態において、水中航走体６ａの状態変化による姿勢の変化を示す変化量として、ピッチ角を例示したが、水中航走体６ａの状態変化による姿勢の変化を示す変化量は、ロール角であってもよいし、ピッチ角とロール角の双方であってもよい。
【0119】
また、上記の第２の実施形態において、フィードフォワード制御部１５ａは、第一フィードフォワード制御部１５－１、第二フィードフォワード制御部１５－２、及び第三フィードフォワード制御部１５－３を備える構成としたが、これに限られない。フィードフォワード制御部１５ａは、第一フィードフォワード制御部１５－１、第二フィードフォワード制御部１５－２、及び第三フィードフォワード制御部１５－３のうちの１つのみ、又は２つのみを備える構成としてもよい。
【0120】
第２の実施形態の制御システム１００ａでは、運動制御系制御装置３ａが算出する舵角指令値をフィードバック値として水量制御系制御装置１ａにフィードバックする構成となっている。これに対して、第１の実施形態の制御システム１００と同様に、制御システム１００ａにおいても、検出部５ａが検出した深度の制御量をフィードバック値として第一演算部１１－１にフィードバックし、検出部５ａが検出したピッチ角の制御量をフィードバック値として第一演算部１１－２にフィードバックするようにしてもよい。また、一般に、水中航走体６，６ａでは、ピッチ角調整舵を備えているが、深度調整舵を備えていない場合もある。このような場合には、検出部５ａが検出した深度の制御量をフィードバック値として第一演算部１１－１にフィードバックし、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２が算出するピッチ角調整舵角指令値（δｒ）をフィードバック値として第一演算部１１－２にフィードバックするという構成にしてもよい。
【0121】
この場合において、第一演算部１１－１は、与えられるフィードバック値の単位と、浮量目標値の単位とが一致していない場合、与えられるフィードバック値を浮量目標値の単位に換算した上で、浮量目標値から換算後のフィードバック値を減算することになる。同様に、第一演算部１１－２は、与えられるフィードバック値の単位と、トリム目標値の単位とが一致していない場合、与えられるフィードバック値をトリム目標値の単位に換算した上で、トリム目標値から換算後のフィードバック値を減算することになる。例えば、フィードバック値が深度の制御量である場合、深度の時系列の変化から水中航走体６ａの上下方向に作用する力を推定することができる。第一演算部１１－１は、検出部５ａが出力する時系列上において連続した複数の深度の制御量を取り込み、取り込んだ複数の深度の制御量から推定力を算出することにより力の単位への換算を行うことができる。また、フィードバック値がピッチ角の制御量である場合、ピッチ角の時系列の変化から水中航走体６ａのピッチ軸方向に作用するモーメントを推定することができる。第一演算部１１－２は、検出部５ａが出力する時系列上において連続した複数のピッチ角の制御料を取り込み、取り込んだ複数のピッチ角の制御量から推定モーメントを算出することによりモーメントの単位への換算を行うことができる。
【0122】
第２の実施形態の制御システム１００ａにおいて、フィードバック制御部１２ａは、浮量ＦＢ制御部１２－１と、トリムＦＢ制御部１２－２という２つの機能部を備えているが、いずれか一方を備えるようにしてもよい。
【0123】
第２の実施形態の制御システム１００ａにおいて、フィードバック制御部１２ａは、更に、ロール角の制御指標に対応する機能部を備えてもよい。この場合、運動制御系制御装置３ａも、ロール角の制御指標に対応する機能部を備え、当該機能部が出力する指令値をフィードバック値として、フィードバック制御部１２ａが備えるロール角の制御指標に対応する機能部にフィードバックするようにしてもよい。また、検出部５ａが検出するロール角の制御量をフィードバック値として、フィードバック制御部１２ａが備えるロール角の制御指標に対応する機能部にフィードバックするようにしてもよい。
【0124】
上記の第２の実施形態の制御システム１００ａにおいて、舵制御装置４ａに替えて、深度とピッチ角を調整するスラスタを制御する制御装置を備えるようにしてもよい。この場合、深度ＦＢ制御部３２－１は、深度を調整するスラスタに対する指令値を算出し、算出した指令値を、スラスタを制御する制御装置と、第一演算部１１－１とに出力することになる。また、ピッチ角ＦＢ制御部３２－２は、ピッチ角を調整するスラスタに対する指令値を算出し、算出した指令値を、スラスタを制御する制御装置と、第一演算部１１－２とに出力することになる。また、制御システム１００ａは、舵制御装置４ａを備えると共に、スラスタを制御する制御装置を備えるようにしてもよい。
【0125】
上記の第１の実施形態の図３において示した伝達要素６２として、ＰＩＤ制御方式に替えて、Ｉ－ＰＤ制御、ＰＩ－ＰＤ制御などのフィードバック制御方式や、非線形補償や非干渉制御による安定化技術を組み合わせたフィードバック制御方式を適用するようにしてもよい。この場合、第１の実施形態のフィードバック制御部１２、及び第２の実施形態の浮量ＦＢ制御部１２－１及びトリムＦＢ制御部１２－２は、ＰＩＤ制御方式から置き替えられるフィードバック制御方式によるに対応する演算を行うことになる。
【0126】
上記の第１及び第２の実施形態の調整量算出部１３，１３ａが実行する最適解を算出する演算式をラグランジュの未定乗数法により求めているが、ラグランジュの未定乗数法以外の最適化手法を適用して最適解を算出する演算式を求めるようにしてもよい。また、調整量算出部１３，１３ａに適用される計算機の処理能力が高い場合、調整条件と、状態条件とを条件とする逐次最適化計算をすることにより、最適解を算出する演算式を求めることなく、直接、複数のタンク２２－１～２２－５の各々に対する最適な水量の調整量を算出する最適化手法を用いるようにしてもよい。
【0127】
図１９は、一実施形態に係る水量制御系制御装置１，１ａ、及び運動制御系制御装置３，３ａのハードウェア構成の一例を示す図である。コンピュータ９０は、ＣＰＵ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インタフェース９４、通信インタフェース９５を備える。上述の水量制御系制御装置１，１ａ、及び運動制御系制御装置３，３ａは、コンピュータ９０に実装される。そして、上述した各機能は、プログラムの形式で補助記憶装置９３に記憶されている。ＣＰＵ９１は、プログラムを補助記憶装置９３から読み出して主記憶装置９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ９１は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置９２に確保する。また、ＣＰＵ９１は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置９３に確保する。
【0128】
なお、水量制御系制御装置１，１ａ、及び運動制御系制御装置３，３ａの全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各機能部による処理を行ってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９０に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９０が当該プログラムを主記憶装置９２に展開し、上記処理を実行しても良い。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
【0129】
以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0130】
＜付記＞
各実施形態に記載の水量制御系制御装置１、１ａ、制御システム１００、１００ａ、水量制御方法、プログラムは、例えば以下のように把握される。
各実施形態に記載の水量制御系制御装置１、１ａ、制御システム１００、１００ａ、水量制御方法、プログラムは、例えば以下のように把握される。
【0131】
（１）第１の態様に係る水量制御系制御装置１、１ａは、水中航走体６、６ａの運動を制御する運動制御装置４、４ａと、運動制御系目標値及び前記水中航走体６、６ａから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置４、４ａに対する指令値を算出する運動制御系制御装置３，３ａと、複数のタンク２２と、前記タンク２２の各々の水量を調整するアクチュエータ２１とを有する前記水中航走体６、６ａの前記タンク２２の各々の水量を増減させる制御を行う水量制御系制御装置１、１ａであって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ２１の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置３，３ａの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部１２、１２ａと、前記水中航走体６、６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体６、６ａの状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体６、６ａの不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部１５、１５ａと、前記フィードバック制御部１２、１２ａが算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部１５、１５ａが取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンク２２の水量に関する調整条件と、前記水中航走体６、６ａの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク２２の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部１３、１３ａと、を備える。
【0132】
（２）第２の態様に係る水量制御系制御装置１、１ａは、（１）の水量制御系制御装置１、１ａであって、前記水中航走体６、６ａの状態変化に関する前記状態信号は、前記水中航走体６、６ａの操縦系による状態変化指示入力に基づいて生成される。
【0133】
（３）第３の態様に係る水量制御系制御装置１、１ａは、（２）の水量制御系制御装置１、１ａであって、前記水中航走体６、６ａの状態変化は、前記水中航走体６、６ａの前進速力、及び前記水中航走体６、６ａの姿勢角の少なくとも一方の変化量を含む。
姿勢角としては、ピッチ角、ロール角が挙げられる。
姿勢角としては、ピッチ角、ロール角が挙げられる。
【0134】
（４）第４の態様に係る水量制御系制御装置１、１ａは、（２）又は（３）の水量制御系制御装置１、１ａであって、前記水中航走体６、６ａの状態変化は、前記水中航走体６、６ａの水中における深度の変化と、前記深度の変化に応じて水温の変化と、に基づいて取得される排水量の変化量を含む。
【0135】
（５）第５の態様に係る水量制御系制御装置１、１ａは、（２）から（４）の何れか一つの水量制御系制御装置１、１ａであって、前記水中航走体６、６ａの状態変化は、前記水中航走体６、６ａに搭乗している乗員の前記水中航走体６、６ａ内における配置を含む。
【0136】
（６）第６の態様に係る制御システム１００、１００ａは、水中航走体６、６ａの運動を制御する運動制御装置４、４ａと、運動制御系目標値及び前記水中航走体６、６ａから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置４、４ａに対する指令値を算出する運動制御系制御装置３，３ａと、前記水中航走体６、６ａに備えられる複数のタンク２２と、前記タンク２２の各々の水量を調整するアクチュエータ２１と、水量制御系制御装置１、１ａと、を備える制御システム１００、１００ａであって、前記水量制御系制御装置１、１ａは、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ２１の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置３，３ａの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出するフィードバック制御部１２、１２ａと、前記水中航走体６、６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体６、６ａの状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体６、６ａの不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得するフィードフォワード制御部１５、１５ａと、前記フィードバック制御部１２、１２ａが算出する前記指令値、及び前記フィードフォワード制御部１５、１５ａが取得する前記予測値を入力とし、複数の前記タンク２２の水量に関する調整条件と、前記水中航走体６、６ａの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク２２の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する調整量算出部１３、１３ａと、を備える。
【0137】
（７）第７の態様に係る水量制御方法は、水中航走体６、６ａの運動を制御する運動制御装置４、４ａと、運動制御系目標値及び前記水中航走体６、６ａから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置４、４ａに対する指令値を算出する運動制御系制御装置３，３ａと、複数のタンク２２と、前記タンク２２の各々の水量を調整するアクチュエータ２１とを有する前記水中航走体６、６ａにおける水量制御方法であって、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ２１の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置３，３ａの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出し、前記水中航走体６、６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体６、６ａの状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体６、６ａの不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得し、算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンク２２の水量に関する調整条件と、前記水中航走体６、６ａの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク２２の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する。
【0138】
（８）第８の態様に係るプログラムは、水中航走体６、６ａの運動を制御する運動制御装置４、４ａと、運動制御系目標値及び前記水中航走体６、６ａから検出される制御量に基づいて前記運動制御装置４、４ａに対する指令値を算出する運動制御系制御装置３，３ａと、複数のタンク２２と、前記タンク２２の各々の水量を調整するアクチュエータ２１とを有する前記水中航走体６、６ａが備えるコンピュータに、水量制御系目標値と、フィードバック値とを入力とし、前記アクチュエータ２１の応答遅れを補償し、かつ前記運動制御系制御装置３，３ａの制御帯域との干渉を抑えるフィードバック制御方式による演算により前記水量制御系目標値に対する指令値を算出する手順、前記水中航走体６、６ａの位置及び姿勢の少なくとも一方に影響を与える前記水中航走体６、６ａの状態変化に関する状態信号を入力とし、前記状態信号に基づき、前記状態変化が生じた場合の前記水中航走体６、６ａの不平衡重量、及び不平衡モーメントの少なくとも一方を含む不平衡量の予測値を取得する手順、算出した前記指令値、及び取得した前記予測値を入力とし、複数の前記タンク２２の水量に関する調整条件と、前記水中航走体６、６ａの状態を示す状態条件とを条件とする最適化手法により前記タンク２２の各々に対する水量の増減を示す調整量を算出する手順、を実行させる。
【符号の説明】
【0139】
１、１ａ…水量制御系制御装置
２…タンクシステム
３、３ａ…運動制御系制御装置
４…運動制御装置
４ａ…舵制御装置（運動制御装置）
５、５ａ…検出部
６、６ａ…水中航走体
７…加算器
８…加算器
１１、１１－１、１１－２…第一演算部
１２、１２ａ…フィードバック制御部
１２－１…浮量ＦＢ制御部
１２－２…トリムＦＢ制御部
１３、１３ａ…調整量算出部
１４…アクチュエータ制御部
１５、１５ａ…フィードフォワード制御部
１５－１…第一フィードフォワード制御部
１５－２…第二フィードフォワード制御部
１５－３…第三フィードフォワード制御部
１６、１６ａ、１６ａ－１、１６ａ－２…第二演算部
２１…アクチュエータ
２１Ｐ－１、２１Ｐ－３、２１Ｐ－６…ポンプ
２１Ｖ－１、２１Ｖ－３、２１Ｖ－１１…バルブ
２２、２２－１、２２－２、２２－３、２２－５…タンク
３１－１、３１－２…演算部
３２－１…深度ＦＢ制御部
３２－２…ピッチ角ＦＢ制御部
６０…加え合わせ点
６１…水量制御系
６２、６３…伝達要素
６４…加え合わせ点
６５…制御対象
６６…加え合わせ点
６７…運動制御系
６８…フィードフォワード制御器
６９…加え合わせ点
９０…コンピュータ
９１…ＣＰＵ
９２…主記憶装置
９３…補助記憶装置
９４…入出力インタフェース
９５…通信インタフェース
１００…制御システム
１００ａ…制御システム
１５１ａ…第一不平衡量取得部
１５１ｂ…第二不平衡量取得部
１５１ｃ…第三不平衡量取得部
１５２ａ…第一データ記憶部
１５２ｂ…第二データ記憶部
１５２ｃ…第三データ記憶部
２…タンクシステム
３、３ａ…運動制御系制御装置
４…運動制御装置
４ａ…舵制御装置（運動制御装置）
５、５ａ…検出部
６、６ａ…水中航走体
７…加算器
８…加算器
１１、１１－１、１１－２…第一演算部
１２、１２ａ…フィードバック制御部
１２－１…浮量ＦＢ制御部
１２－２…トリムＦＢ制御部
１３、１３ａ…調整量算出部
１４…アクチュエータ制御部
１５、１５ａ…フィードフォワード制御部
１５－１…第一フィードフォワード制御部
１５－２…第二フィードフォワード制御部
１５－３…第三フィードフォワード制御部
１６、１６ａ、１６ａ－１、１６ａ－２…第二演算部
２１…アクチュエータ
２１Ｐ－１、２１Ｐ－３、２１Ｐ－６…ポンプ
２１Ｖ－１、２１Ｖ－３、２１Ｖ－１１…バルブ
２２、２２－１、２２－２、２２－３、２２－５…タンク
３１－１、３１－２…演算部
３２－１…深度ＦＢ制御部
３２－２…ピッチ角ＦＢ制御部
６０…加え合わせ点
６１…水量制御系
６２、６３…伝達要素
６４…加え合わせ点
６５…制御対象
６６…加え合わせ点
６７…運動制御系
６８…フィードフォワード制御器
６９…加え合わせ点
９０…コンピュータ
９１…ＣＰＵ
９２…主記憶装置
９３…補助記憶装置
９４…入出力インタフェース
９５…通信インタフェース
１００…制御システム
１００ａ…制御システム
１５１ａ…第一不平衡量取得部
１５１ｂ…第二不平衡量取得部
１５１ｃ…第三不平衡量取得部
１５２ａ…第一データ記憶部
１５２ｂ…第二データ記憶部
１５２ｃ…第三データ記憶部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】