2019 Fiscal Year Research-status Report
Iterative regulatory controller tuning using gradient estimate and measurable disturbances
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19K04456
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
増田 士朗 首都大学東京, システムデザイン研究科, 教授 (60219334)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | データ駆動制御 / 定値制御 / 勾配推定 / 計測可能外乱 / 繰り返し調整 / フィードフォワード制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
化学プロセスや電力・水処理などのインフラシステムでは，動作条件や外部環境の変化などを原因とするプロセス変数の変動，すなわち外乱による変動を抑制する外乱抑制性能の改善が重要となる．申請研究では，このような定値制御系に対する外乱抑制性能の改善を1) 定値制御データによる推定勾配を用いた制御器パラメータの繰り返し調整 2) 計測可能な環境情報データからのフィードフォワード補償器のデータ駆動調整，によって行う方法について研究を進めるものである．令和元年度では，1) について主に研究を進め，国際会議で2件，国内会議で3件研究発表を行った．具体的には，定値制御系から得られるデータがCARIMAモデルで記述されると想定される場合について，データから閉ループ系の感度関数と相補関数を推定する方法を与え，それにより制御量分散を評価関数とする場合の勾配ベクトルの推定方法を与えた内容を12th ASCC に発表した．また，この手法を入力分散も含んだ場合に拡張した結果を16th ECTI-CONにて発表した．さらにデータがBox-Jenkinsモデルと呼ばれるCARIMAモデルより外乱モデルが拡張した場合についても同様の手法が適用できることを示した結果をICAMEchS 2019 にて発表した．さらに，定値制御系から得られたデータを用いて，ヘッセ行列を推定する方法を与え，制御器パラメータのデータ駆動繰り返し調整をニュー トン法によって実現する方法を与え，収束特性が大幅に改善する手法を与え，第7回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウムで発表した．また，勾配推定を行う手法を繰り返し調整を行わないデータ駆動制御のプレフィルタの設計に適用した結果を58th IEEE CDCに発表した．このように令和元年度では，繰り返し調整に関し，提案手法を拡張し，設計の自由度の拡大と収束性を改善する手法について成果が得られたと言える．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和元年度は，1) 定値制御データによる推定勾配を用いた制御器パラメータの繰り返し調整に対して，基本アルゴリズムからの拡張および提案法の特徴と問題点の解明を行った．基本アルゴリズムの拡張では，制御量分散だけでなく，操作量分散の評価を加えた評価関数の勾配ベクトルの推定を行い，また，データがBox-Jenkinsモデルと呼ばれるCARIMAモデルより外乱モデルを拡張した場合についても同様の手法が適用できることを示した．さらに，基本アルゴリズムの勾配ベクトルの推定法をヘッセ行列の推定する場合に拡張し，ニュートン法が適用できるようにした．これにより，1)については，アルゴリズムの拡張と収束性の改善という点で確実に進展したといえる．一方，数値実験を繰り返すことで，a) 相補感度関数の推定の精度が例題によりばらつきがあり，初期パラメータの選び方によっては不安定化する場合があった．b) Box-Jenkinsモデルに積分器を含めた場合，感度関数の低周波領域の減衰特性が推定できていない．c) 不安定系・最小位相系への適用法についても十分な検討が行われていない．e) 推定されたヘッセ行列の正定値性が保証される条件が明らかになっていない．などの次年度に向けて，課題が明確化できた．つぎに，2) 計測可能な環境情報データからのフィードフォワード補償器のデータ駆動調整，については，Van den Hof教授により同定問題を検討するために考案された複数のローカルシステムがネットワーク結合されたシステムについて検討を進めた．そのネットワークシステムでは，未知外乱，計測可能な励起信号が混在しており，複数のプロセスが相互に影響を与えながら動作する産業プロセスをうまくモデル化できている．これにより2)に関する研究の適用対象のモデルが明確にできたと言える．以上のことから課題1)，2)ともに概ね順調に進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は，令和元年度の研究成果をもとに1) 定値制御データによる推定勾配を用いた制御器パラメータの繰り返し調整に対して，明らかになった問題について検討を加える．具体的には，a) 相補感度関数の推定の精度および安定性の検討．b) Box-Jenkinsモデルに対して積分器を含んだ制御器を扱う場合への拡張．c) 不安定系に対する拡張．d) 非最小位相系への拡張．e) 推定されたヘッセ行列の正定値性の保証．が課題となる．a) については，
制御器パラメータの更新を制御系の安定性が保証される範囲で更新する方法を検討する．b) については，感度関数を推定するときに導入する時系列解析の計算アルゴリズムの修正とその手法による理論解析について検討する．c), d) については，ベースになるデータ駆動制御で用いる最小分散制御について検討を加える．e) については，ヘッセ行列を周波数領域で表現し，解析を進める．このように1) の課題については，理論解析を深めると同時に，計算アルゴリズムの改良を行うことを検討する．つぎに，2) 計測可能な環境情報データからのフィードフォワード補償器のデータ駆動調整，については，令和元年度に調査を行った検討用のシステムについて研究を進める．具体的には，Van den Hof教授により同定問題を検討するために考案された複数のローカルシステムがネットワーク結合されたシステムについて検討を進める．そのネットワークシステムでは，未知外乱，計測可能な励起信号が混在しており，複数のプロセスが相互に影響を与えながら動作する産業プロセスの特性をうまくモデル化できている．令和2年度は，このネットワークシステム内のローカルなシステムに対してフィードバック制御器を設けた場合について，定値制御系に対するデータ駆動制御器調整法を与える．このとき，フィードフォワード補償器による制御性能の改善法についても検討を進める．
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Research Products
(7 results)
