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機械学習による高精度故障検出システムを用いるアクティブ型耐故障制御に関する研究

Research Project

Project/Area Number 20K04537
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21040:Control and system engineering-related
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

國松 禎明  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (30379309)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 水本 郁朗  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (30239256)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords耐故障制御 / 故障検出 / 深層学習 / 機械学習
Outline of Research at the Start

近年の複雑化するシステムにおいて,故障検出,耐故障制御とも,その重要性は認識されており,多くの研究が行われている.そこで本研究では,故障の種類と制御対象の種類を分類して,その分類に適した機械学習による高速・高精度な故障および異常の検出手法を提案し,体系化することを試みる.加えて,故障検知につきまとう誤検出が起こったとしてもフィードバック補償器切り替え後の制御系が安定となるような仕組みを導出し,幅広い故障に対応した耐故障制御の実現を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

令和5年度における研究実績の概要は以下のとおりである.
1) これまでは耐故障制御のために開ループ系における制御対象のパラメータ推定手法による故障検出手法を提案してきた.しかし,操業時における故障検出を想定すると,閉ループ系における制御対象のパラメータ推定手法が必要である.そこで,制御器を実装した閉ループ系において,深層学習を用いる低次システムに対する制御対象のパラメータ推定手法を提案した.今回は制御対象への入力データを利用する方法も提案しており,ある程度ノイズに強い推定手法となった.
2) これまで消耗部品の故障なども想定し,深層学習による故障箇所推定を行ってきたが,開ループ系に対してのみ故障箇所推定を行っていた.令和5年度では閉ループ系に対しても深層学習を利用して瞬時に故障箇所推定を低次システムに対しては行えるようになった.これは上記1)の閉ループ系にに対するパラメータ推定手法を用いることによって,今までは難しかった物理的な異常に対するパラメータ変動もある程度推定することができるようになったためであり,実際の操業時における故障箇所推定の可能性が広がった.
3) 耐故障制御を実現するために,フィードフォワード制御器を切り替えることで性能劣化を防ぐ枠組みを構築してきた.非線形システムに対する制御器の設計にRBFニューラルネットワークによる手法を採用して,適応的にフィードフォワード入力を調整する手法の開発を行った.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

以下の進捗状況から,研究はやや遅れていると考えている.
これまでに研究予定であった故障の誤検出に対するロバスト性について,誤検出の枠組み設定が難航しているため,誤検出のロバスト性を検証するまでには至っていない.誤検出に対するロバスト性も重要な研究テーマであると考えており,研究を遂行する予定である.
上記以外に関しては以下の点から順調に進展していると考えている.
操業時は閉ループ系となっていることが多いため,閉ループ系に対するパラメータ推定手法ならびに故障箇所推定を行える可能性が示せたため,実用化に一歩前身したと考えられる.

Strategy for Future Research Activity

令和6年度では,以下の研究を中心に推進していく予定である.
1)現在までの進捗状況でも述べたように,ロバスト性を議論するための誤検出の枠組み設定が難航しており,適切に設定する.また,故障の誤検出があったとしても,制御系が不安定とならないような仕組みを検討する.
2) 閉ループ系に対する深層学習による故障箇所推定を行ってきたが,高次システムに対する検討が十分ではなかったため,高次システムに対して故障箇所推定が実現するように改良を進める.
3)保有する車両連結システムを活用して,故障検出と切り替え制御の実用化に向けた実験を行い,提案手法の実用面からみた改良を行う.

Report

(4 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results)

  • [Journal Article] Adaptive anti‐windup output feedback control for nonlinear systems and its stability analysis2024

    • Author(s)
      Yu Yongjie, Akaike Kota, Kunimatsu Sadaaki, Mizumoto Ikuro
    • Journal Title

      Asian Journal of Control

      Volume: - Issue: 4 Pages: 1663-1682

    • DOI

      10.1002/asjc.3311

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Trial on Detection of Failure Location Using Parameter Estimation via Deep Learning2023

    • Author(s)
      Hayata Saito, Minato Watanabe, Sadaaki Kunimatsu
    • Journal Title

      Proceedings of the SICE Annual Conference 2023

      Volume: - Pages: 970-972

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ASPR based Adaptive Anti-Windup Control for Adaptive Output Feedback Control with PFC and Adaptive Feedforward Input2022

    • Author(s)
      Yongjie Yu, Sadaaki Kunimatsu, Ikuro Mizumoto
    • Journal Title

      Proceedings of the 13th Asian Control Conference

      Volume: - Pages: 1276-1281

    • DOI

      10.23919/ascc56756.2022.9828118

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Adaptive output feedback control with cerebellar model articulation controller-based adaptive PFC and feedforward input2022

    • Author(s)
      Nozomu Otakara, Kota Akaike, Sadaaki Kunimatsu, Ikuro Mizumoto
    • Journal Title

      SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration

      Volume: Vol. 15, No. 1 Issue: 1 Pages: 48-61

    • DOI

      10.1080/18824889.2022.2035925

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Design Method of 2DOF Fault Tolerant Servo Controller against Simultaneous Sensor and Actuator Failure2020

    • Author(s)
      Makiyama Kosuke, Kunimatsu Sadaaki, Motoyama Kazuki
    • Journal Title

      Proceedings of the SICE Annual Conference 2020

      Volume: - Pages: 1916-1920

    • DOI

      10.23919/sice48898.2020.9240242

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 機械学習を用いた低次元制御対象に対する異常箇所推定に関する試み2023

    • Author(s)
      渡辺港,國松禎明,水本郁朗
    • Organizer
      第42回計測自動制御学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 機械学習によるパラメータ推定と故障箇所推定への 応用に関する試み2022

    • Author(s)
      齋藤 華弥汰,國松 禎明
    • Organizer
      第41回計測自動制御学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 受動定理に基づく耐故障制御系のロバスト性について2021

    • Author(s)
      齋藤 華弥汰,國松 禎明
    • Organizer
      第40回計測自動制御学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] センサ・アクチュエータの同時故障に対する故障検出と耐故障サーボに関する研究2020

    • Author(s)
      牧山幸右,國松禎明
    • Organizer
      第39回計測自動制御学会九州支部学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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