2020 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, 客員研究員 (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 – 2022-03-31
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| Keywords | X-Z型倒立振子 / 立位制御 / スライディングモード制御 / 非線形制御 / 振り上げ制御 / エネルギー制御 / 切換超平面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「２自由度振子制御体系的制御実験支援システムの開発」のおける実機として製作したACサーボ型速度制御方式のX-Z型振子制御システムを用いて立位制御や振り上げ制御実験を行った。振子角が数度範囲内での立位制御は実現できることがわかった。しかし、このACサーボモータによる振上げ制御実験では動かす部分の振り子治具が意外に重く、振子を立たせるにはトルクが足りないことが判明した。検討の結果、電流制御はそのままで駆動方式をDCモータによるトルク制御に変更することにした。そこで、実機の駆動部をDCモータによるプロブラム制御ができるように製作し直した。振子を適当な位置に静止させてた基本実験は無事成功した。自由振動の場合と下垂位置への制御を比較した結果と変更されたDCモータによる電流制御方式としてのスライディングモード制御について電気学会で発表した。ただし、このスライディングモード制御は水平方向のみでの適用できるものである。この制御の特徴は振り上げ制御から立位制御までを一連の制御で実施できることにある。なお、スライディングモード制御の制御入力を拘束する超平面は振子のエネルギー保存則によって設定した。
また、この超平面を1次元から2次元に拡張した理論については高専シンポジウムで発表した。この2次元の超平面はX-Z型振子制御システムに対応したものである。さらに現在X-Y-Z型振子制御システムへ拡張した超平面の理論について考察中である。また、2次元超平面のX-Z型振子制御システムに対するプログラム化は分担研究者において進行中である。
一方の分担研究者においては、大型X-Z型2次元振子システム製作用の制御則構築を行っていたが、モータ選択が不適合なためこのシステムでの振子制御は断念し、バイラテラルトルク型制御システムを利用した振子システムへ変更した。変更の検討が遅れたため実機システムを製作するのが遅れているのが現状である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
スライディングモード制御を決める超平面の拡張や検討については進んではいるものの、１．X-Z型振子制御システムの駆動方式のACサーボからDCモータによるトルク制御への変更、２．それに伴う変更されたスライディングモード制御の変更とそのプログラム化、３．他方の大型X-Z型2次元振子システムから振子用へのバイラテラルトルク型制御システムの実機変更、などの理由によって当初計画の実施時期がずれ込み、さまざまな考察等が遅れれる事態となった。
１．につてはACサーボモータであると振り上げ制御時のトルクが不十分であるために立位に切り替わるまで振子が振りあがらないことによる変更である。３．については大型X-Z型2次元振子システム製作用の制御則構築のための選定モータを購入する予定だったが、このシステムに適合するモータがすでに廃盤で代用に適するモータが選定できないことがわかり、X-Z型2次元振子システムの実験機材として分担研究者が回転力を握る力に変えて伝えるバイラテラルシステムで使用しているトルク制御型システムの握る力を振子の振動力に変更したものである。
また、新型コロナウイルス感染防止のため打合せ事体の時期が定めにくく、さらには海外出張が全くできなくなった。また、液面制御への拡張を見てボールねじ装置へ全体の装着はしたが、システムの変更のため改めて基本制御実験を実施する必要がでてきて内容が不十分で、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、変更したDCモータによるトルク制御に関してエネルギー保存則から導き出された超平面に拘束されたスライディングモード制御を用いて振上げ制御・立位制御を同時に適用させる。おそらく振上げにはかなりの試行回数を経ないと簡単には立位まで至らないと思われる。分担研究者とともに早急に出向いて試したい。と同時にX-Z軸PID２自由度振子制御則の検討も進める。また、別の分担研究者とともに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行う必要がある。
一方で、バイラテラルトルク型制御システムを利用した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と応用および発展させる予定である。
具体的にはDCモータによるトルク制御型の実機にまずPID制御プログラムの簡単な場合を組み込んで振り上げ動作をチェックする。その上で立位制御動作のみのチェックを行い。次にエネルギー保存則に基づいて導入された切換・一次元超平面スライディングモード制御を適用してその動作を逐一記録し、制御性能とその効果を確認する。できれば、バイラテラルトルク型制御システムに振子の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 |
全体の振子システム自体の駆動部の変更や制御則を構成する方式をACサーボアンプの速度制御型電流制御からDCモータによる電流制御（トルク制御）に変更したため、あるいはそれに伴う制御方式そのものの変更を余儀なくされ著しく研究進捗が遅れたため研究事業の延長を願い出た。また、新型コロナウイルス感染防止のため海外の学会出張は断念しX-Z型2次元振子システムの駆動部の制御方式のさらなる考察を図るべく研究の延長が現段階では最善と判断した。
その意味で研究分担者においてはバイラテラルのトルク制御型システムの振子・装着部の製作部品等に使用してもらい、主研究者においては仙台と金沢への打合せのための出張旅費とする予定である。
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Research Products
(2 results)
