2016 Fiscal Year Research-status Report
慣性ロータ型倒立振子を用いた制御教育・出前授業支援システム
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15K00938
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| Research Institution | Sendai National College of Technology |
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Principal Investigator |
菅谷 純一 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (30154454)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上町 俊幸 石川工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (50280334)
大場 譲 仙台高等専門学校, 知能エレクトロニクス工学科, 准教授 (80455104)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 振り上げ制御 / 立位制御 / 可変構造型制御 / 区分的線形制御 / PID制御 / PICマイコン制御 / フライホイール型 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
慣性ロータ型倒立振子の制御は振子の振り上げ制御と慣性ロータによる立位制御の２重構造を持つ可変構造型制御である。まずロータ型の事前として振子の振り上げ制御と立位制御による可変構造型制御の実現性に関して、シーケンス制御による疑似的なPID制御を作成し振り上げから立位制御への切り替えが可能になったものを国際学会ICBIR2016において、さらにその研究を進めて立位制御までが実現できるようになったものを国際学会ICICT2016において発表した。同様の実験をPLCコントローラの区分的線形制御を用いて適当な立位角度範囲内で切り換えて実現したものを平成28年度の高専フォーラムや高専シンポジウムin Mieで振り上げ制御に関しては平成28年度電気関係学会北陸支部連合大会で発表した。これら一連の振り上げ制御と立位制御の可変構造制御則に関する知見はPID制御を区分的に扱うことである程度実現の見通しがたってはいるが、ロータをつけて制御する場合は振り子自体のトルクが問題となるため、高トルク回転を得るための工夫が必要となった。そこで、学外共同研究者である上町の提案によりスリップリングを用いて円盤をフライホイール型としてチップマイコン制御によって回転トルクを得るということになりその実機モデルまでは完成を見た。一方で本校卒業研究において「慣性ロータを用いた倒立振子の振り上げ制御および立位制御」と題して振り上げ制御についての理論面で検討をシミュレーションと実機製作に関して行った。実機製作に至っては高トルクを発生させるためのモータ選定を学内共同研究者である大場に検討してもらった。これらに先般の区分的線形制御によるPID制御を掛ければ振り上げから立位まで持っていけると考えられるところまで進捗した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
慣性ロータ型倒立振子のモデルに対する振り上げ制御を考慮した制御則まではMATLABシミュレーションでその実現性のチェックは卒業研究を通して行った。振り上げ制御に関してはエネルギー最小化法とスライディングモード法及びオープンループ制御法について検討した。その結果オープンループ制御法で徐々に振子の周期を共振周波数に合わせる方法がこの慣性ロータ型には適していると思われる。また、このことを慣性ロータを接続しない段階での倒立振子のシーケンス制御による振り上げ制御および立位制御に関しては実効性があることが実験等で実証した。しかし、まだ慣性ロータを取り付けての倒立振子の振上げ制御の実現には至っていない。まずこの点をクリアーして、すでに完成している慣性ロータの代わりにフライホールを装着したブランコ型倒立振子をコントールするためのPICマイコンに振り上げ制御プログラムと立位制御プログラムをインストールして下垂状態にある振子の振り上げと立位の実現を達成する予定となっている。慣性ロータ型ブランコ制御に関して、ブランコの振り上げから大車輪のような立位状態をまだ作成するに至っていない。これは振子の小さい角度範囲内では立位制御は比較的簡単に実現できるものの、振り上げてからとなるとまずどのタイミングで振り上げから立位に切り替えるかという問題が現段階では試行錯誤的に行っているためである。エンコーダによる速度検出およびポテンショメータによる回転角度検出によるフィードバックもまだ不十分な点もある。以上、センサに関する２点を早急に解決する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
具体的にはまだ慣性ロータを取り付けての倒立振子の振上げ制御の実現には至っていない。まずこの点をクリアーして、すでに完成している慣性ロータの代わりにフライホールを装着したブランコ型倒立振子をコントールするためのPICマイコンに振り上げ制御プログラムと立位制御プログラムをインストールして下垂状態にある振子の振り上げと立位の実現を達成する予定となっている。卒業研究においては、このフライホール・ブランコ型の振り上げ制御実現のために、現在PICマイコンによるAD/DA変換プログラム作成および振り上げ制御オープンループ制御法のプログラム化を進めている。と同時にすでに出来上がっている立位制御・区分的線形PID制御方式を組み合わせて、振り上げ制御との切り替え時間の調整を行っていく。また、ディジタル信号処理システムiBISを用いたラージシステムとしてのフライホール型ブランコ制御について総合的な制御方式を検討していく予定である。必ずしも振り上げ制御のオープンループ制御方式のみでなく、スライディングモード制御方式などについても試す必要がある。そのうえで、もし、これが実現すれば次の段階である慣性ロータを用いた１輪車制御に取り組みたい。
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| Causes of Carryover |
まだ、慣性ロータ型によるブランコ倒立振子の一部が未完成であるために一部製作の購入部品が未使用となっているて他機関の共同研究者からの一部次年度への繰越金としているため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上記、昨年度未完成となっているブランコ倒立振子の製作部品購入に充てると同時に、本年度において慣性ロータ型センサを用いた一輪車製作に一部を使用する予定となっている。
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