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Globally Optimal Control of Nonlinear Systems Based on Optimal Trajectory Database

Research Project

Project/Area Number 20H02170
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 21040:Control and system engineering-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Maruta Ichiro  京都大学, 工学研究科, 准教授 (20625511)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 藤本 健治  京都大学, 工学研究科, 教授 (10293903)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Keywords非線形最適制御 / 非線形システム同定 / 制御工学 / 最適制御 / システム同定
Outline of Research at the Start

車両の経路や人工衛星の軌道,ロボットの運動などのエネルギー効率が重視される非線形系の最適制御問題の多くは複数の局所最適解をもっており,局所最適解の唯一性を前提とした既存の方法では性能のみならず安定性が損なわれることも多い.したがって,複数の局所最適解の存在を前提とし,大域的な最適解を探索する方法の開発は最適制御の効率と安全性を改善する鍵となる.本研究では最適軌道データベースの導入によって,従来十分に検討されていなかった局所最適解の複数性に起因する問題を可視化し,近年著しく発達した計算機技術を活用する計算集約的なアプローチによる解決を試みる.

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed practical methods to obtain globally optimal solutions for nonlinear optimal control problems, assuming the existence of multiple locally optimal trajectories. We introduced novel approaches, such as the utilization of formation control and neural networks, for constructing optimal trajectory databases and modeling value functions, enabling optimal control for more complex nonlinear systems. Furthermore, we developed a modeling method that leverages machine learning knowledge to generate models suitable for model predictive control of nonlinear systems. The effectiveness of the developed methods was demonstrated by constructing highly maneuverable drones and miniature cars with one-dimensional camera image outputs.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

多くのシステムは性能限界付近で非線形性が無視できず、その性能を最大限に引き出すには非線形最適制御が必要となる。本研究では、非線形最適制御問題の多くが複数の局所最適解を持ち、従来法での取り扱いが困難であることに着目し、複数の局所解を陽に考慮した新たなアプローチを開発した。さらに、従来モデル化が困難だった非線形システムのモデル予測制御を可能にする、非線形システムのモデリング手法も開発した。本研究の成果により、強い非線形性を持つ安価または複雑なシステムを、より効率的かつ安全に制御できるようになり、幅広い分野でのコストや消費エネルギーの削減に貢献すると期待される。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Closed-Loop Subspace Identification for Stable/ Unstable Systems Using Data Compression and Nuclear Norm Minimization2022

    • Author(s)
      Maruta Ichiro、Sugie Toshiharu
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: 10 Pages: 21412-21423

    • DOI

      10.1109/access.2022.3154017

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Simple Framework for Identifying Dynamical Systems in Closed- Loop2021

    • Author(s)
      I. Maruta and T. Sugie
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: 10 Pages: 31441-31453

    • DOI

      10.1109/access.2021.3060153

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 極値保持機構を組み込んだニューラルネットワークモデルによるヒステリシスを含むアクチュエータの同定2024

    • Author(s)
      辻 康生
    • Organizer
      第11回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム(MSCS2024)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ニューラルネットワークによる HJB 方程式の複数解の表現と非線形大域的最適制御2024

    • Author(s)
      井池 隆太
    • Organizer
      第11回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム(MSCS2024)
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Aerospace industrial benchmarking and fault-tolerant control design using NARX model-based observer2023

    • Author(s)
      Kosei Tsuji
    • Organizer
      The 22nd IFAC World Congress
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nonlinear Optimal Control Using a Trajectory Database Dealing with Time Delays and Disturbances: Experimental Application to a Quadcopter2023

    • Author(s)
      Eiki Sato
    • Organizer
      The 2023 62nd Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Identification and Control Experiment of a Camera-Equipped Front-Wheel Steering Vehicle as a Nonlinear Massive Multiple Output System Using Deep Neural Networks2023

    • Author(s)
      Haruyuki Yamasaki
    • Organizer
      The 2023 62nd Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Neural Network-Based Nonlinear System Identification for Generating Stochastic Models with Distribution Estimation2023

    • Author(s)
      Keito Yamada
    • Organizer
      The 62nd IEEE Conference on Decision and Control (CDC)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 深層ニューラルネットを用いたカメラ付き前輪操舵車の非線形超多出力システムとしての同定と制御実験2023

    • Author(s)
      山﨑 陽之
    • Organizer
      第67回システム制御情報学会研究発表講演会研究発表講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] むだ時間を考慮した軌道データベースに基づく非線形最適制御法のドローンへの実装2023

    • Author(s)
      佐藤 瑛起
    • Organizer
      第67回システム制御情報学会研究発表講演会研究発表講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 深層ニューラルネットを用いたヒステリシスを含む非線形動的システムの同定2023

    • Author(s)
      辻 康生
    • Organizer
      第66回自動制御連合講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Subspace State-Space Identification of Nonlinear Dynamical System Using Deep Neural Network with a Bottleneck2023

    • Author(s)
      Keito Yamada
    • Organizer
      The 12th IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems (NOLCOS 2022)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] データ駆動型最適制御のためのニューラルネットワークによる並列軌道生成に基づく軌道データべース内の準最適解除法2023

    • Author(s)
      井池 隆太
    • Organizer
      2022年度計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 状態・出力の不確実性を考慮したニューラルネットワークによる 非線形システム同定2023

    • Author(s)
      山田 佳士
    • Organizer
      第10回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム(MSCS2023)
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 最適制御問題における安定多様体上の解の 被覆制御を用いた網羅的な探索2023

    • Author(s)
      和田 拓巳
    • Organizer
      第10回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム(MSCS2023)
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 非線形部分空間同定法で得られた状態推定器および出力予測器に基づくモデル予測制御2022

    • Author(s)
      服部 達哉
    • Organizer
      第66回システム制御情報学会研究発表講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 最適制御器を構築するニューラルネットワークの軌道データベースに基づく効率的な訓練法2022

    • Author(s)
      井池 隆太
    • Organizer
      第66回システム制御情報学会研究発表講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Uniformization of Data Points in Trajectory Database for Optimal Control Using Coverage Control2022

    • Author(s)
      Takumi Wada
    • Organizer
      SICE Annual Conference 2022
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An Efficient Training Method of Optimal Neural Network Controller Based on Trajectory Database2022

    • Author(s)
      Ryuta Iike
    • Organizer
      SICE Annual Conference 2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 被覆制御を用いた最適制御のための軌道データベースのデータ点の一様化2022

    • Author(s)
      和田拓巳
    • Organizer
      第65回自動制御連合講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 非線形システム同定のためのフィードフォワードニューラルネットに対する因果関係知識の注入2022

    • Author(s)
      山田佳士
    • Organizer
      第65回自動制御連合講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 最適制御のための等コスト面上でのデータ点分布の一様化に基づく軌道データベースの構築2021

    • Author(s)
      和田 拓巳, 丸田 一郎, 藤本 健治
    • Organizer
      第65回システム制御情報学会研究発表講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Globally Optimal Control of Nonlinear Input-Affine Systems Under Quadratic Objective Functions Based on Trajectory Database2021

    • Author(s)
      Tomohiro Otsu, Ichiro Maruta, Kenji Fujimoto
    • Organizer
      IFAC Conference on Modelling, Identification and Control of Nonlinear Systems
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 軌道データベースに基づく非線形最適制御器の効率的な表現と構築法2021

    • Author(s)
      西田 周平, 丸田 一郎, 藤本 健治
    • Organizer
      第8回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 逆時間積分を用いたフィードバック行動計画2020

    • Author(s)
      西田 周平, 丸田 一郎, 藤本 健治
    • Organizer
      第63回自動制御連合講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] EPNet (water float example)

    • URL

      https://github.com/maruta/epnet-water-float

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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