Vibration minimized trajectory design for data driven control in nanoscale servo

Research Project

Project/Area Number	22K04149
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21040:Control and system engineering-related
Research Institution	Utsunomiya University
Principal Investigator	平田光男宇都宮大学, 工学部, 教授 (50282447)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	鈴木雅康宇都宮大学, 工学部, 准教授 (10456692)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 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 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords	ナノスケールサーボ / 終端状態制御 / 制振軌道設計 / データ駆動型制御 / データ駆動予測 / インパルス応答表現
Outline of Research at the Start	ナノスメートルの領域において高速な位置決めを行う制御をナノスケールサーボと呼び，その実現には，機械振動を励起しない制振軌道設計が極めて重要となる。通常，制振軌道設計では，制御対象の数式モデルを必要とするが，入出力データから直接設計できれば，モデリングのプロセスを省くことができ，実用上有用となる。そこで，本研究では，入出力データから直接制振軌道が設計できる方法を開発し，実システムを用いてその有効性を検証することを目的とする。
Outline of Annual Research Achievements	ナノスメートルの領域において高速かつ高精度な位置決めを行う制御をナノスケールサーボと呼び，その実現には，機械振動を励起しない制振軌道設計が極めて重要となる。通常，制振軌道設計では，制御対象の数学モデルを必要とするが，入出力データから制振軌道を直接設計できれば，モデリングのプロセスを省くことができ，実用上有用となる。そこで，本研究では，入出力データから直接制振軌道が設計できる方法を開発し，実システムを用いてその有効性を検証することを目的とする。昨年度は，データ駆動型制御における制振軌道設計を，データ駆動型終端状態制御として定式化した。そして，制振軌道を求める方法を明らかにし，2慣性系の位置決め制御問題に適用する事で，その有効性をシミュレーションで示した。今年度は，その方法を「データ駆動予測」という考え方に基づいて再定式化を行い，理論面の整備を進めた。これにより，理論展開がシンプルになった。さらに，DCモータを有する位置決め装置に適用し，シミュレーションだけでなく実機実験により有効性を示した。また，近年，制御対象の入出力データからインパルス応答を正確に推定する方法が精力的に研究されていることから，制御対象のインパルス応答が与えられている時のデータ駆動型終端状態制御問題を定式化した。初期実験データから，インパルス応答が推定できることから，この方法もデータ駆動型制御と言える。そして，終端状態制御入力が存在するための必要十分条件を明らかにした。さらに，終端状態制御入力の計算方法を示し，2質点振動系の位置決め制御問題に適用することで，シミュレーションによりその有効性を示した。その際，初期実験データに含まれるノイズの大きさと制御性能の関係についても考察した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 実施計画で挙げた「(1) 周波数整形型終端状態制御の再定式化」については，予定に従って実施し，終端状態制御において，初期状態を終端状態に遷移させる問題を，制御対象の出力を初期値から目標値へ遷移させる問題へ再定式化した。「(2) 入出力データによる拡大可制御性行列の構成」については，文献調査において，この方法を経由することなく，実施計画で挙げた「(3) 直接法の検討」が可能であることが判明したため，(2)をスキップし，(3)の検討を行った。そして，(3)はインパルス応答表現を用いたデータ駆動予測のアプローチを，終端状態制御の観点から再定式化することで実現した。ここで構築した方法は，本研究課題を実現するための基礎理論となる。そして「(4) シミュレーション及び実験による有効性検証」については，昨年度のシミュレーションによる検討に加え，今年度は実機実験による検討も実施した。また，２件の学会発表も行うことができた。以上から「おおむね順調に進展している」とした。
Strategy for Future Research Activity	データ駆動予測にもとづく終端状態制御では，初期実験データとして十分長い時系列データが得られたとしても，理論的な問題からその一部しか利用することができない。今年度はこの問題を解決することで，データに含まれるノイズの影響や制御対象の不確かさに対して，よりロバストとなる方法を検討する。また，シミュレーションや実機実験では， DCモータや2慣性系など，比較的簡単なシステムに対する有効性検証にとどまっていることから，今後はハードディスク装置のヘッド位置決め制御やガルバノスキャナの角度制御問題など，より高い性能の求められる制御対象に提案法を適用する。