2019 Fiscal Year Research-status Report
Development for experimental support systems of 3-axis stage/2DOF liquid level dynamical control system
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18K02925
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| Research Institution | Hachinohe National College of Technology |
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Principal Investigator |
菅谷 純一 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 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, 電気工学科, 教授 (50280334)
大場 譲 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (80455104)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | X-Z型倒立振子 / 振り上げ制御 / エネルギー制御 / 立位制御 / スライディングモード制御 / 非線形制御 / PID制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
PID制御とX-Z型振り子制御システムを連結・一体化した「２自由度振り子制御体系的制御実験支援システムの開発」のおける実機を「制御工学の教材としての垂直軸を含む2軸倒立振子」として設計・製作し、その基本実験を通して立位制御や振り上げ制御への可能性を確認した。この基本実験に当たっては分担研究ある上町研究室の卒業研究として、正弦波入力信号に対する振り子の振動状態と垂直軸(Z軸)方向への移動があったときの振り子の振る舞いについても振り子の立位状態に近づく有益な情報を得た。X-Z型振り子制御システムのハード面においては、２つのサーボアンプに指令を送るためのX軸とZ軸のFPGAを用いた位置検出回路と振り子の傾き角を検出するエンコーダインターフェース回路を周辺回路として駆動回路を構成した。
X-Z型振り子制御システムの制御方式については振子の挙動が非線形であることから非線形制御方式を採用することにした。また、RISCマイコン制御に適するように簡易化してスライでイングモード方式を提案し国内学会で発表した。この発表では、Z軸の鉛直方向の移動を考慮した2軸ボールねじ盤を利用した台車型倒立振子の数式モデル化とその制御について検討した。鉛直方向移動2軸台車型倒立振子システムモデルを構築し、非線形制御としてのエネルギー制御とスライディングモード制御について提案した。振子の運動方程式が非線形であることから、制御則も非線形になるが、線形化によって状態方程式としての制御則を構成した。
また、実機への組み込みを意識した制御則の簡単化を行い当研究室の卒業研究で慣性ロータ型振子システム実機ではあるが、振上げ制御の実現への道筋をつけた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
X-Z型振り子制御システムの箱型のX-Y-Z型枠にモータや制御回路、FPGAをまとめて製作設計についての段取りどおり実現に至った。しかし、提案した非線形制御のスライディング制御方式をマイコンに組み込むところで少々手間取っている。また、一部の数式変更が伴っていて、提案した制御方式の慎重な再検討も含まれているためでもある。新型コロナウイルス感染防止のため打合せ事体を控えたこともあって1月下旬から新学期前までの貴重な空き時間を有効活用できない面も遅れを助長している。
また、液面制御への拡張を見て移動距離1m40cm程度の大型のX-Z型2軸倒立振子の制御についても並行して進めているが、周辺装置は購入してそろったところでX-Z2軸ボールねじ装置へ全体の装着・構成がようやく終了したばかりである。したがってPID制御などの基本制御実験が不十分で提案の非線形制御への拡充および展開がこれからになっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、X-Z軸PID２自由度振子制御則の検討とエネルーギ法およびスライでイングモード制御方式による振り子制御を2軸倒立振子の実機に早急に搭載し、ハード面・ソフト面での全体システムを構築する。その全体システムにおいてフィードフォワードPID制御およびX-Z軸協調動作制御の検討を分担研究者とともに行う必要がある。一方で、大型X-Z軸制御実機にいて液面制御も並行して検討して「２自由度振子動的制御実験支援システムの開発」全般の統括を図りたい。さらに３軸２自由度液面制御の実機設計と製作へ発展させる予定である。
具体的には2軸倒立振子の実機にまずPID制御プログラムの簡単な場合を組み込んで振り上がりと立位制御動作をチェックする。次に上記の振り上げのエネルギー法プログラムの適用と立位の簡易スライディングモード制御プログラムを実行させて制御性能と効果を確認する。その後大型X-Z軸制御実機に振子に代わりに液面システムを搭載し、振子で用いたプログラムを液面制御用に修正し実行させて、制御性能効果をチェックする。さらに2自由度PID制御も試す。これらをまとめて、論文化することを考えている。
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| Causes of Carryover |
分担研究者において大型X-Z型2次元振り子システム製作用の制御則構築においてモータ選定およびその購入はしたもののそれを駆動するサーボ系の選定と購入が予想外に遅れたことと購入予算がまだ不十分でその移管手続きに時間がかかってペンディング状態にあり、再検討して次年度へ残予算を繰り越してまとまった金額で購入したほうがベターとの判断で次年度へ一部科研費の繰越となった。また、新型コロナウイルス感染防止のため学会出張や打合せ等の旅費経費が残金となったことも次年度使用が発生した一因である。具体的には早急にサーボ系等を購入し、場合によっては制御系用の専用PCの購入等も視野に入れている。
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