スラスタ駆動式水中回転弾性アームの位置決め制御

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DCモータなどにより回転軸にトルクをかけてアームを回転させる従来の水中アームでは、付加質量による慣性力や速度の2乗に比例する流体抗力などの大きな流体力によりアーム付け根に大きな曲げ応力が生じてしまう。そこで本研究では、アーム先端付近に取り付けられたスラスタにより最大曲げ応力を抑えてアームを回転させるスラスタ駆動式水中回転弾性アームを提案し、その位置決め制御システムの設計手法を最適制御理論をもとに確立した。さらに、水中回転弾性アーム模型を製作し、パソコンを中心に制御システムを構築、位置決め制御実験を行い、開発された制御システムの有効性を確認した。本研究により得られた主な成果を以下に示す。1.長さ0.8m、外径19mm、内径17mmのアルミ製アームを1秒以内に90度位置決めさせることを目標に最大推力が30Nのスラスタを製作した。スラスタの推力が大きくなり制御時間が短くなるにしたがい、スラスタの動特性が無視できなくなることが明らかになった。そこで、スラスタの動特性を表す式をスクリューに関する運動量理論、トルクと流体抵抗の関係などより導き、スラスタモデルを確立した。そしてモデルの妥当性をステップ応答実験により確認し、モデルの係数をステップ応答実験より決定する方法を開発した。2.計算機シミュレーションおよび制御実験より、スラスタモデルに最適制御理論を適用するための線形化は最大推力の1/2のところに注目して行えばよいことが明らかになり、スラスタモデルの線形化手法を確立した。そしてスラスタの動特性を考慮することにより水中アームを速やかに位置決めさせられることを確認した。3.スラスタ駆動式水中回転弾性アームの場合、収束時間がほぼ同じである回転軸駆動式に比べ、アームに生ずる最大曲げ応力を約1/4に抑えられることが明らかになった。