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多入力多出力の精密位置決め装置に対するモデルとデータを融合した制御器自動設計

研究課題

研究課題/領域番号 21J13196
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分21040:制御およびシステム工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

前 匡鴻 (2021)  東京大学, 大学院工学系研究科, 特別研究員(DC2)

特別研究員 前 匡鴻 (2022)  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード多変数系 / 精密位置決め制御 / 軌道追従制御 / 外乱抑圧制御 / 反復学習制御 / マルチレート制御 / ロバスト制御器自動設計 / 構造的データ駆動凸最適化 / 制御工学 / モーションコントロール / 多入力多出力系 / 外乱抑圧 / ロバスト制御器設計 / データ駆動型自動設計 / 凸最適化
研究開始時の研究の概要

日本における労働人口の減少と工業製品の高性能化の需要に伴い,汎用的な多入力多出力の制御器自動設計手法が求められている。幅広い制御対象に産業応用が可能な多入力多出力の精密位置決め制御器を実現するため,多入力多出力系の制御対象のモデルと,実験によって得られたデータを組み合わせた,性能と調整の容易さを両立する制御器自動設計手法を確立する。
フィードフォワード制御器について,制御対象の持つ自由度を考慮した離散時間制御器の自動設計を実現する。フィードバック制御器について,モデルとデータを組み合わせて設計し,モデル化の困難さとパラメータ調整の複雑さという2つの問題を同時に克服する。

研究実績の概要

精密位置決め制御は、半導体や液晶パネルを製造する露光装置、工作機械、産業用ロボット、ハードディスクドライブなど多くの産業装置に欠かせない技術であり、社会を支えるそれらの産業装置の高性能化が、我々の豊かな生活に直結している。高性能化の要求に伴い、多くの産業装置が複数の入出力や共振モードを持つような多変数系の制御対象となっている。多変数系の制御器は多数の調整パラメータを持つことから、実際の産業応用の観点では、最適化を用いた自動設計と最適化されたパラメータの解釈可能性の両立が必要となる。本研究では、構造化による制御器の解釈可能性の実現とデータ駆動凸最適化を用いた制御器自動設計を組み合わせた制御器設計手法を提案した。2022年度は、軌道追従のためのフィードフォワード制御器の自動設計として、制御器のモデルを実験データから直接更新する基底関数型反復学習制御の研究に取り組んだ。基底関数の設計にマルチレート制御の枠組みを取り入れることで、従来は無視されていた離散化の影響を考慮する事が可能となり、さらなる高性能化を実現した。多入力多出力系の制御対象にも適用可能な一般的な枠組みに拡張し、実験により軌道追従性能の向上を確認した。また、2021年度に取り組んだ外乱抑圧のためのフィードバック制御器の自動設計に関して、露光装置の超精密位置決めステージだけでなく、ハードディスクドライブの磁気ヘッドなどに応用先を拡大し、制御対象に合わせた目的関数や制約条件による制御器の凸最適化手法を提案した。以上より、「物理的解釈の可能な従来のモデルベースの制御器設計」と「制御性能のさらなる向上とモデリングコストの低減を目的としたデータ駆動制御器設計」の両面を組み合わせた、多変数の精密位置決め制御系のための制御器設計法の提案と、実際の実験装置による有効性の検証を達成できたと結論づけ、博士論文として成果をまとめた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 9件)

  • [国際共同研究] Eindhoven University of Technology(オランダ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Eindhoven University of Technology(オランダ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Effect of Harmonic Current Suppression on Iron Loss of IPMSM Using Repetitive Perfect Tracking Control2022

    • 著者名/発表者名
      Inagaki Yuhiro、Mae Masahiro、Shimizu Osamu、Nagai Sakahisa、Fujimoto Hiroshi、Miyajima Takayuki、Yasuda Yoshiki、Yamagiwa Akio
    • 雑誌名

      IEEJ Journal of Industry Applications

      巻: 11 号: 2 ページ: 317-326

    • DOI

      10.1541/ieejjia.21005712

    • NAID

      130008166418

    • ISSN
      2187-1094, 2187-1108
    • 年月日
      2022-03-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Frequency response data-based peak filter design applied to MIMO large-scale high-precision scan stage2022

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Wataru Ohnishi, Hiroshi Fujimoto, Koichi Sakata, Atsushi Hara
    • 雑誌名

      Mechatronics

      巻: 83 ページ: 102733-102733

    • DOI

      10.1016/j.mechatronics.2021.102733

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quasi Multirate Feedforward Current Control toward Nyquist Frequency of PWM for SPMSM2021

    • 著者名/発表者名
      Noguchi Shona、Mae Masahiro、Fujimoto Hiroshi
    • 雑誌名

      IEEJ Journal of Industry Applications

      巻: 10 号: 4 ページ: 428-435

    • DOI

      10.1541/ieejjia.20004635

    • NAID

      130008060755

    • ISSN
      2187-1094, 2187-1108
    • 年月日
      2021-07-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Review on Multirate Feedforward Control with Mode Decomposition for Intersample Performance in Multi-Modal Motion Systems2023

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Wataru Ohnishi, Hiroshi Fujimoto
    • 学会等名
      The 9th IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Feedforward with Acceleration and Snap using Sampled-Data Differentiator for a Multi-Modal Motion System2022

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Max van Haren, Wataru Ohnishi, Tom Oomen, Hiroshi Fujimoto
    • 学会等名
      The 2nd Modeling, Estimation and Control Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 2段アクチュエータHDDベンチマーク問題における外乱抑圧のための周波数応答データ駆動型共振フィルタ設計2022

    • 著者名/発表者名
      前 匡鴻, 大西 亘, 藤本 博志
    • 学会等名
      2022年メカトロニクス制御研究会「精密サーボシステムと制御技術」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Frequency Response Data-based Peak Filter Design Applied to MIMO Large-Scale High-Precision Scan Stage2022

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Wataru Ohnishi, Hiroshi Fujimoto, Koichi Sakata, Atsushi Hara
    • 学会等名
      The 9th IFAC Symposium on Mechatronic Systems
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improving Intersample Performance with Linearly Parameterized Feedforward using Sampled-Data Differentiator2022

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Max van Haren, Wataru Ohnishi, Tom Oomen, Hiroshi Fujimoto
    • 学会等名
      The 9th IFAC Symposium on Mechatronic Systems
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flexible learning with prior knowledge: iterative learning control with sampled-data characterized basis functions2022

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Max van Haren, Wataru Ohnishi, Tom Oomen, Hiroshi Fujimoto
    • 学会等名
      Benelux Meeting on Systems and Control 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Feedforward of Sampled-Data System for High-Precision Motion Control using Basis Functions with ZOH Differentiator2022

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Mae, Max van Haren, Wataru Ohnishi, Tom Oomen, Hiroshi Fujimoto
    • 学会等名
      2022 American Control Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Harmonic Current Suppression on Iron Loss of IPMSM Using Repetitive Perfect Tracking Control2022

    • 著者名/発表者名
      Yuhiro Inagaki, Masahiro Mae, Osamu Shimizu, Sakahisa Nagai, Hiroshi Fujimoto, Takayuki Miyajima, Yoshiki Yasuda, Akio Yamagiwa
    • 学会等名
      2022 International Power Electronics Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Frequency Response Data-based Multiple Peak Filter Design Applied to High-Precision Stage in Translation and Pitching2022

    • 著者名/発表者名
      Mae Masahiro、Ohnishi Wataru、Fujimoto Hiroshi、Sakata Koichi
    • 学会等名
      IEEE 17th International Conference on Advanced Motion Control
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Basic Study on Effect of Repetitive Perfect Tracking Control on Iron Loss of IPMSM2021

    • 著者名/発表者名
      Inagaki Yuhiro、Mae Masahiro、Shimizu Osamu、Nagai Sakahisa、Fujimoto Hiroshi、Miyajima Takayuki、Yasuda Yoshiki、Yamagiwa Akio
    • 学会等名
      The 7th IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高次共振系に対する積と和の分解を用いたマルチレートフィードフォワード制御の比較検討2021

    • 著者名/発表者名
      前 匡鴻、大西 亘、藤本 博志
    • 学会等名
      2021年メカトロニクス制御研究会「精密サーボシステムと制御技術」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-12-25  

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