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2020 年度 実績報告書

制御・データ・仕様の三項関係に基づくデータ駆動制御理論―創成・体系化・新展開

研究課題

研究課題/領域番号 20H02169
研究機関電気通信大学

研究代表者

金子 修  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (00314394)

研究分担者 定本 知徳  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (40839966)
増田 士朗  東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (60219334)
山本 豪志朗  京都大学, 医学研究科, 准教授 (70571446)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードデータ駆動制御 / データ駆動予測 / データ駆動参照値整形 / 制御仕様 / 大規模システム
研究実績の概要

(令和2年度分の一部を令和3年に繰越したためその分の実績も含む)
データ駆動予測を用いることで制御仕様の更新も可能にするデータ駆動制御法を与えた.安定性保証に関して,Kharitonov定理を援用したデータ駆動制御,1回の実験データで制御器調整を行う手法として閉ループ更新則に基づく手法DD-CLUTを提案し,安定性制約条件や安定余裕の考慮を可能にした.これらは仕様の制約と性能限界をデータ駆動制御に組み込んだ点で意義がある.
現実の特性を反映して,非最小位相系に対するERIT, VIMTの性能向上, テーブル型制御器のFRIT, 拘束条件つきのデータ駆動型制御器設計法等を提案した.リアルタイム最適化を伴うI-PD制御に対するVIMTを構築した.カスケード制御系に対するIFTに対する実験回数低減法を提案しドローン飛行高度制御において有効性を確認した.これらはクラスや問題を拡張することでより実用化に近づけている点で意義がある.
一部のみ観測可能な大規模系の制御器の高速設計法を提案し,電力系モデルを使った数値シミュレーションも行った.大規模未知ネットワーク系に対する分散制御器の効率よい学習手法も提案した.これにより,データから構成される凸最適化問題を解くことでスパース制御器が得ることを可能にした.一部の入出力情報のみを用いた方策勾配法の収束性能解析を与えた.現実には状態が全て計測できるとは限らないため本成果は実応用化に向けて有用である.
応用では,発電電力の指令値をデータから設計する方法を提案した.人間の運動系に対する応用では,的確な動作を主体性を失うことなく人が実行できる仕組みについて検討し,棒を落下させて掴むという反射に絞り込み,落下させる際の提示刺激の時間を変更する実験システムを構築しはじめた.これらはデータ駆動制御の実応用を開拓する意味で意義がある.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

データから制御仕様の実現可能性を決める方法を,データ駆動予測という道具を用いて提案できたことは大きな成果である.各種の現実問題に即した形で,データ駆動制御のクラスを拡張できたことも大きな前進である.喫緊の問題であった安定性を保証したデータ駆動制御もいくつかの新しい成果を得ることができ前進したといえる.大規模系に関しても,すべての情報を計測することができない場合での制御法について新たな成果を得ることできている.応用研究においても,人間の反応系に関する実験装置の構築の検討を進め,実験装置の作成にとりかかることができ,見通しもできたことから順調であるといえる.
これらまとめて,成果としても査読あり学術雑誌,国際会議発表,国内学会発表を行い,十分な研究成果が得られたためと考えられるため「おおむね順調に進展している」とした.

今後の研究の推進方策

データ駆動予測により制御・データ・仕様を関連づける方法が得られたことの発展として,現在ではヒューリスティックな形での制御使用の更新法を,より合理的な形で設計アルゴリズムに組み込めるようにする.加えてデータ駆動予測の非線形系への拡張など,より広いクラスへの展開も検討する.
制御・データ・仕様の3項関係に基づくデータ駆動制御のためには,データの”質”と”量”に起因するシステムの情報量を定量化することが必要不可欠であることが明らかになった.データの質とは,対象に印加する学習用信号の性質に依存するものと対象それ自体が有する可制御性や可観測性などの特性に起因するものがある.そこで次年度では,データとシステムの情報量との関係を数学的に明らかにすることを目指す.
さらに,閉ループ更新則に基づく手法(DD-CLUT )における安定余裕を考慮する手法に対し,指定した安定余裕度に対し,保守性を低減した手法に拡張する.
人間の反応系の実験装置の作成では,その実験装置のおおよその完成と実験策定に向けて推進する.

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] 非最小位相系に対するERIT2021

    • 著者名/発表者名
      川口将貴,金子修
    • 雑誌名

      電気学会論文誌C(電子・情報・システム部門誌)

      巻: 141 ページ: 301-306

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.141.301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 精密加工用ならい制御装置における外乱除去を目的とした テーブル型ゲインのデータ駆動型更新2021

    • 著者名/発表者名
      井堀 礼晶, 金子 修, 宅島 勉
    • 雑誌名

      電気学会論文誌C(電子・情報・システム部門誌)

      巻: 141 ページ: 307-314

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.141.307

    • 査読あり
  • [雑誌論文] プレフィルタを用いたVirtual Internal Model Tuningによる制御性能の向上2021

    • 著者名/発表者名
      池崎太一,金子修
    • 雑誌名

      計測自動制御学会論文集

      巻: 57 ページ: 177-184

    • DOI

      10.9746/sicetr.57.177

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 拘束条件下でのデータ駆動制御2021

    • 著者名/発表者名
      定本知徳,金子修
    • 雑誌名

      計測自動制御学会論文集

      巻: 57 ページ: 219~226

    • DOI

      10.9746/sicetr.57.219

    • 査読あり
  • [雑誌論文] グレーボックスモデルを用いた参照信号整形による電力レジリエンス強化2021

    • 著者名/発表者名
      定本知徳,井上正樹,金子修
    • 雑誌名

      電気学会論文誌C(電子・情報・システム部門誌)

      巻: 141 ページ: 694~793

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.141.694

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fast Real-Time Reinforcement Learning for Partially-Observable Large-Scale Systems2020

    • 著者名/発表者名
      Tomonori Sadamoto and Aranya Chakrabortty
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Artificial Intelligence

      巻: 1 ページ: 206-218

    • DOI

      10.1109/TAI.2021.3058228

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Consideration on Approximation Methods of Model Matching Error for Data-Driven Controller Tuning2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiro Matsui, Hideki Ayano, Sshiro Masuda and Kazushi Nakano
    • 雑誌名

      SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration

      巻: 13 ページ: 291-298

    • DOI

      10.9746/jcmsi.13.291

    • 査読あり
  • [学会発表] I-PD制御器に対するVIMTに基づいたリアルタイム調整則の収束性について2021

    • 著者名/発表者名
      池崎太一,金子 修
    • 学会等名
      計測自動制御学会第8回制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] あるクラスの構造的不確かさをもつシステムに対するKharitonovの定理を用いたデータ駆動制御2021

    • 著者名/発表者名
      石津裕太郎,金子 修
    • 学会等名
      計測自動制御学会第8回制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] ERITによる入力予測を用いた非最小位相系への目標値応答の更新2021

    • 著者名/発表者名
      畝木 唯,金子 修
    • 学会等名
      計測自動制御学会第8回制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] 安定余裕を考慮した閉ループ更新式に基づくデータ駆動制御器調整法2021

    • 著者名/発表者名
      三上泰平,増田士朗,松井義弘
    • 学会等名
      計測自動制御学会第8回制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] スペクトル解析法を用いた計測可能外乱を含む定値制御系に対する2自由度Iterative Feedback Tuning2021

    • 著者名/発表者名
      高野結衣,増田士朗
    • 学会等名
      計測自動制御学会第8回制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] Fast Online Reinforcement Learning of Distributed Optimal Controller for Large-Scale Network Systems2021

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Hoshiya, Tomonori Sadamoto
    • 学会等名
      IEEE Conference on Control Technology and Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] On a Convergence Analysis of Policy Gradient Methods for Partially Observable System2021

    • 著者名/発表者名
      Takumi Hirai, Tomonori Sadamoto
    • 学会等名
      SICE Annual Conference 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] 入力制限を考慮したデータ駆動予測に基づく制御器と目標応答の同時更新2020

    • 著者名/発表者名
      廣岡優樹,金子修
    • 学会等名
      第64回システム制御情報学会研究発表講演会
  • [学会発表] 安定性を考慮した閉ループ更新式に基づくデータ駆動制御器調整法2020

    • 著者名/発表者名
      三上泰平,増田士朗,松井義弘
    • 学会等名
      電気学会制御研究会,CT-20-088
  • [学会発表] 勾配推定に基づくデータ駆動繰り返しPID ゲイン調整2020

    • 著者名/発表者名
      三井康平,増田士朗,豊田 充
    • 学会等名
      電気学会制御研究会,IIC-20-006
  • [学会発表] 閉ループ更新式に基づくデータ駆動制御器調整法(DD-CLUT)におけるプレフィルタの設計2020

    • 著者名/発表者名
      三上泰平,増田士朗,松井義弘
    • 学会等名
      第63回自動制御連合講演会
  • [学会発表] 閉ループ応答予測を用いたカスケードシステムに対するIterative Feedback Tuning2020

    • 著者名/発表者名
      小嶋陸也,豊田 充,増田 士朗
    • 学会等名
      第63回自動制御連合講演会
  • [学会発表] 参照信号整形による電力系統の強靭化2020

    • 著者名/発表者名
      定本知徳, 井上正樹, 金子修
    • 学会等名
      第63回自動制御連合講演会
  • [学会発表] 入力と出力にむだ時間をもつ多入出力系に対するスミス補償器の一構成法とFRIT2020

    • 著者名/発表者名
      樋口 奎,金子 修
    • 学会等名
      第63回自動制御連合講演会
  • [学会発表] VIMTを用いたI-PD制御系に対するリアルタイム制御器更新2020

    • 著者名/発表者名
      池崎太一,金子 修
    • 学会等名
      第63回自動制御連合講演会
  • [学会発表] 入力制限を考慮した目標値応答更新を伴うERIT2020

    • 著者名/発表者名
      畝木 唯,金子 修
    • 学会等名
      第63回自動制御連合講演会

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公開日: 2022-12-28  

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