2018 Fiscal Year Annual Research Report
次世代精密位置決め装置のための複数入出力を用いたデータ駆動形制御器自動設計法
| Project/Area Number |
18H05902
|
|---|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
大西 亘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60823888)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-08-24 – 2020-03-31
|
| Keywords | 制御器自動設計 / データ駆動型制御 / 自己共振相殺制御 / 最適化 / 複数入出力系 / ノンコロケート系 / 非最小位相系 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，周波数応答データを用いたロボットや位置決めステージの制御器の自動設計を目標とする。近年，高分解能エンコーダの低下価格化に伴い，駆動側だけでなく負荷側にもセンサがつけられるフルクローズド制御が普及しつつある。ところが，１入力１出力系から多入力多出力系になると制御器が複雑になりチューニングパラメタが増えるため，組み合わせ爆発を起こす。そのため，単純な制御器を用いるか，熟練の作業員が経験的にチューニングすることが一般的である。そこで本研究では，1) パラメトリックモデルを用いない，周波数応答データを用いた制御器自動設計法の提案，2) 周波数応答データを用いた高性能なフィードフォワード制御器の提案，を目標とする。
2018年度は，1) １入力２出力系に対する制御器の制御器の自動設計法を提案した。コロケート側（モータ側）エンコーダと，ノンコロケート側（ステージ側）エンコーダの双方を使う「自己共振相殺制御」をインナーの速度制御ループに持ち，アウターループに位置制御ループを持つ構成である。この構成はチューニングパラメタに対して非凸であるが，逐次線形化法と非線形最適化法を使用することにより，外乱抑圧性能が優れる制御器を自動設計することに成功した。提案手法の有効性は実機を用いた実験により示された。2) フィードフォワード制御器設計について，不安定零点がある系に対するフィードフォワード制御法の提案・実験検証を行った。センサとアクチュエータが離れているようなノンコロケート系では，系が不安定零点を持つことがある。理想的なフィードフォワード制御器は逆系であるが，不安定零点の逆系は不安定極となり，実装することができない。これに対し，PreactuationとMultirate feedforwardを用いた安定逆系を構成する手法を提案し，追従誤差が劇的に減少することを実験により示した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
1) については，理論の提案，解析，実機実装，実験を行い，有用性を示し，成果を国内会議において発表した。この成果により，工作機械などの位置決め装置でますます一般的になっている，IoTによる多センサ化の流れにおいて，複数センサを有効に活用する制御則の実現が近づいたといえる。本制御法は，従来の$H_\infty$制御の枠組みと異なり，制御器の構造を指定できるという利点がある。つまり，PID制御やP-PI制御といった，産業界において一般的なサーボドライバの制御アルゴリズムにおいて，ソフトウェア構造の変更なしに実装可能である利点がある。対外発表をした際には，産業界から有用であるとの反響を多数いただいた。
2) については，実験検証を行った成果が論文誌掲載に至った。この成果は，Frequency Domain System Identificationの技術を用いて得た高品質の周波数応答データを用い，ノイズの分散を考慮したアルゴリズムにより得られた，精密な１入力２出力モデルを用いたものである。対となる Time Domain Identification で用いられることが多いランダムノイズやChirp sineの入力信号でなく，Multi sineを用いて同定を行うことが特色である。離散的な周波数スペクトルを細かく調整できるこの手法により，高品質な周波数応答データを得ることができる。得られたモデルを元に，提案したPreactuation Perfect Tracking Controlを，連続時間不安定零点を持つシステムに適用した。本手法は，非最小位相系である，HDD，精密位置決めステージ，自動車，航空機などに有効な手法である。
以上より，研究は当初の計画以上に進展していると結論づけた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
1) 周波数応答データを用いたフィードバック制御器自動設計法については，更に複雑な制御器構造の最適化設計を今後取り組む。例えば，外乱オブザーバやノッチフィルタ，位相進み遅れフィルタを含んだより高次の制御器の周波数応答データを用いた自動設計法を検討していく。さらに，複数入出力を持つような位置決め装置の設計製作を計画している。実際の産業機械に対しても，産学連携を通して実装していく計画である。
2) 周波数応答データを用いた高性能なフィードフォワード制御器の提案については，有限時間・最短時間 Preactuation 法の提案と実験検証を計画している。アクチュエータの入力制約や，プラントの出力制約を考慮したアルゴリズムを提案する。また，提案手法は Multirate 制御で，制御入力の滑らかさなど多くの点で Singlerate 制御に対して優位性があるが，この「間」となる制御法を提案したいと考えている。具体的には，制御対象が高次であっても，逆系演算の条件数を改善する手法を提案・実験検証をすることを計画している。また，モーションコントロールのみでなく，Preactuationを用いる制御法を，パワーエレクトロニクスの一つである，昇圧コンバータにも拡張・適用しようと考えている。昇圧コンバータは非最小位相系であるが，非線形・時変のシステムであり，そのような系への拡張は挑戦的な課題である。
|
Research Products
(11 results)
-
-
-
-
-
[Presentation] Evaluation of Disturbance Caused by Cable Tension in Multi-axis High-Precision Stage using Wireless Power Transfer2019
Author(s)
Yuma Yazaki, Wataru Ohnishi, Takehiro Imura, Hiroshi Fujimoto, Koichi Sakata, Atsushi Hara, Zhaoxiang Chen, Kazuhiro Yokoyama, Kazuhiro Suzuki
Organizer
5th IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization
Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
