2020 Fiscal Year Research-status Report
Adaptive allocator design for the high-efficiency control in input redundant systems
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19K15015
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
川口 夏樹 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (90824392)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 入力冗長系 / 適応制御 / 零空間補償制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究「入力冗長系の高効率制御を実現する入力分配器の適応構成法」では，冗長な入力系統を有する動的システムを対象とし，その冗長性を活かした高性能かつ高効率な制御系設計法の確立を目指している．
冗長系では複数の異なる特性を有する駆動源を適切に組み合わせることにより，システムの運動性能を高めたり，付加価値を与えることが可能である．その反面，複数の駆動源が発揮する力が互いに打ち消しあい，結果として余分なエネルギー消費や機器の摩耗を引き起こすことが課題である．力の相殺が生じないように制御器を設計すれば極めて高効率な冗長制御系を構成できるが，そのためには，従来，制御対象の詳細な数理モデルが必要であった．そこで制御対象の数理モデルが不明瞭な場合においても，余分な制御力の相殺が生じないよう自動的に調整する機構を持った制御系を設計することが望まれる．適応分配器の設計法を確立することで，対象の特性が不明瞭であったとしても，余分なエネルギー消費や機器の摩耗の極めて少ない高効率・高性能な冗長制御系が実現できる．
本研究では複数の駆動源に与える制御入力の配分を適応的に調整することが可能な「適応分配器」を提案している．2020年度は，その成果をまとめた論文を発表した．さらに提案理論をより広範な対象に適用することを目的にその一般化に取り組んだ．拡張理論の検証を数学的に行うとともに，数理シミュレーションによりその有効性を検証した．拡張理論では多変数多入力系を対象とできるため，冗長系制御理論の一般化に貢献できたと考える．現在この拡張理論の成果をまとめた論文を投稿中である．
さらに，冗長系の具体的な機械系として空気圧アクチュエータにより駆動されるアクティブ除振台に注目してその冗長性を積極的に活かしたアクティブ診断システムを設計し，その成果を学術雑誌上で発表した．
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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
初年度の2019年度は，適応分配器を用いて制御入力を補正し，冗長系の内部で相殺される入力成分を補償するために冗長系の「零空間」に着目した．零空間は入力冗長系のパラメータ行列の持つ部分空間であり，冗長系に固有の特性である．冗長系に対して印加する制御入力のうち，この零空間に含まれる成分は冗長系内部で相殺され，状態の駆動に寄与しない．そこで，モデル追従制御を行いながら対象に固有の零空間を間接的に推定し，その成分を補償する制御手法として「零空間補償制御」を提唱した．提案法では，零空間補償を達成しながら，設計者の与える規範モデルの出力へ冗長系の出力が追従することがLyapunov関数を用いた議論により保証される．この成果をまとめた論文が2020年度に学術雑誌へ掲載された．
また2020年度は提案理論をより広範な対象に適用することを目的にその一般化に取り組んだ．拡張理論では2入力系に対する従来の設計法の考え方を拡大し，m入力系(mは2以上の自然数)に対してm-1次元となる零空間を特定可能な適応制御則を提案した．Lyapunov関数を用いて提案する制御系の安定性解析を行うとともに，数理シミュレーションを用いてその有効性を検証した．拡張理論ではn変数m入力系(nは自然数)を対象として扱うことができるため，冗長系制御理論の一般化に貢献できたと考える．現在この拡張理論の成果をまとめた論文を投稿中である．また関連する成果を2020年度3月の国内の学術会議にて発表した．
さらに，冗長入力を持つ機械系として複数の空気圧アクチュエータに支持されるアクティブ除振装置に着目し，その冗長性を積極的に活かしたアクティブ故障診断システムを提案した．この成果は2020年度3月に学術雑誌上で発表した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は，初年度に提唱した課題解決のための基礎的な概念である「零空間補償制御」を学術雑誌上で論文として発表することができ，さらにその一般化に取り組んだ．今後の研究の推進方策として，（1）理論の一般化（入力アファインな非線形など，より広範なクラスの対象への一般化）（2）実験機を用いた理論の実証，の2点を考えている．以下にそれぞれ詳しく述べる．
（1）理論の一般化について
初年度で検討した零空間補償制御の対象は2入力1出力の1次系という非常に限られたクラスであった．2020年度にはm入力n変数系（m,nはそれぞれ2,1以上の自然数）までその対象を拡張することができた．ただし，いずれも対象の線形時不変性を前提としているため，今後はさらにその範囲を拡張する必要があると感じている．提案する零空間補償制御は，線形代数の考え方である零空間に基づいているが，これは制御力が入力に対して線形に生成されている限り有効である．したがって，対象の動特性が非線形であっても入力アファインな系であれば適用できる可能性がある．こうした根拠に基づいて，非線形な対象に対する適用可能性を模索していく．
（2）実験機を用いた理論の実証
初年度および2020年度は零空間補償制御の基礎的な理論構築およびその拡張という面でおおむね順調に進展した．しかし理論を実際の対象に適用して検討するといった点で不十分であると認識している．実機として冗長ドローンの設計製作を進めており，これを用いた実機検証を検討しているが，2020年度はコロナ感染症の影響もあり実験活動を精力的に実施することができなかった．したがって，今後は実機での理論検証も実施すべく研究を進展させる．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により学会・研究会の現地開催が中止され，当初予定されていた旅費の支出がなくなったため．
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Research Products
(3 results)
