【研究分野】建築環境・設備

【研究領域課題番号】13852012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

CFD / 室内温熱環境 / 最適設計システム / GA / ロバスト設計 / 室内空気環境 / 室内温熱・空気環境の最適設計 / 最適化手法 / GA(Genetic Algorithms) / 温熱快適性 / 空気質 / 省エネルギー / 自動化設計支援システム / GA (Genetic Algorithms) / 逆問題解析 / フィードバックシステム / 最適設計 / 遺伝的アルゴリズム / 温熱環境

【研究成果の概要】

本研究ではCFD(Computer Fluid Dynamics,数値流体力学)による室内(外)温熱・空気環境解析シミュレーションの逆変換法を用いる総合的な温熱・空気環境の設計システムの構築を目的とし、室内(外)の環境性状を設計目標値に最大限近似させるための物理的な境界条件を求める手法、すなわち逆問題解析による環境の自動最適化設計システムの開発を行った。
具体的には:
(1)設計行為のモデル化を行った:
環境設計における設計目標の階層構造の解明や設計プロセスの階層構造の解明、設計過程におけるフィードパックシステムの構築などにより設計者の設計行為のモデル化を行った。
(2)CFDによる室内温熱・空気環境総合解析システムの構築を行った:
室内における不均一な温度場、速度場、放射場、湿度場に対して、対流・放射・湿気輸送のCFD連成解析により各制御要素の室内環境への寄与などを定量的に評価する。
(3)最適化評価システムを開発した:
室内環境最適設計のための数量化評価手法を開発した。また、多目的最適化問題に対してパレート解集合から選好解を選択するための多目的意思決定論理を提示した。
(4)最適設計手法の開発を行った:
逆問題解析を効率的に行うため、遺伝的アルゴリズム(GA)を導入した。CFDの逆解析は、CFD結果を入力の変更にフィードパックさせて繰り返し計算により求めるが、この過程にGAを導入することにより逆解析を効率的に行う。このGAを用いた最適探査における計算負荷を低減するために、更に2段階型最適設計手法を開発した。また設計変数の確率変化を考慮した信頼性設計やロバスト設計手法を導入した。
(5)最適設計システムのプロトタイプを作成した。
上記(1)〜(4)で開発した最適設計システムのプロトタイプは室内・屋外温熱環境最適設計に適用し、その有効性を検討した。
(6)最適設計システムを一応完成させた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2001 - 2005

【配分額】117,390千円 (直接経費: 90,300千円、間接経費: 27,090千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】08650298 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

最適設計 / ファジィ推論 / ニューラルネットワーク / 遺伝的アルゴリズム / 設計の上流部 / 支援システム

【研究成果の概要】

経済状況の沈滞,人手不足,産業空洞化,アジア諸国の追い上げ,環境問題などをはじめとして,今日,機械・構造の設計を取り巻く環境は,極めて厳しいものがある.そこで設計に対しては,高機能,高付加価値のある,また創造的な設計が強く望まれている.これらの設計では,下流部で行われる従来の設計を基準とした変更を加えた設計段階よりも設計上流部,すなわち概念設計や基本設計の段階が極めて重要である.つまり,従来の設計の延長線上に無い,あるいは従来に設計では十分に対処できない種類の設計とも言えよう.これらの段階の設計では,設計条件のあいまいさ,多くの設計条件からの選択,下流の設計における変更への適応性などが問われ,従来の数理計画法を中心とした最適化手法などでは十分に対処できず,ファジィ推論,ニューラルネットワークや遺伝的アルゴリズムなどの活用が不可欠である.
筆者らは,従来の研究でファジィ推論,ニューラルネットワーク,遺伝的アルゴリズムなどを上流部の設計の最適化に用いた研究を継続的に進めてきており,その成果も着々と上がってきた.そこで,本研究ではそれらの研究を集大成し,上流部の設計において機械・構造の機能,強度,感性などを考慮して,しかも独創的な設計が生み出せるような最適設計支援システムの開発・研究を目的として,多くの処理が可能なコンピュータなどのシステムを構築した.そのうえでシステムを用いて種々の設計例を持って検討を行いシステムの有効性を確認した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1996

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】08455111 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

情報機器 / 制御 / 振動 / サーボ / 最適設計 / 逐次二次計画法 / 遺伝的アルゴリスム

【研究成果の概要】

本研究では,感度解析を用いることにより,サーボ系と構造系の設計変数を最適化する方法を提案した.本手法では,構造系のモデル化にはFEMを適用し,モード座標を用いてモデルの低次元化を行う.そして,着目する固有モードを採用し,それ以外の固有モードを全て省略することによって,システムを低次元化し制御系を形成する.ここでは、2種類のコントローラーを採用し制御系を構成する.すなわち、一つは動的補償器を用いた制御系、もう一つはLQI制御系である.他方,無視した固有モードを含むより高次までの固有モードを用いて,モード座標に変換したシステムを実システムとして採用する.そして,先に得られた制御則を実システムに適用し,サーボ性能および実システムの安定性が保障されるように,制御系及び構造系を同時に最適設計する.最適化を実行する際の設計変数としては,動的補償器を用いた制御系の場合、動的補償器のパラメータ,比例ゲイン,およびFEMモデルの板厚を採用し,LQI制御系の場合、二次形式評価関数の重み行列、およびFEMモデルの板厚を採用する.そして感度解析と非線形計画法によりそれぞれの設計変数の同時最適化を実行する.その最適化を実行する為に閉ループ系の極の感度解析理論を本研究で展開する.そして,簡易構造物の位置決め制御に本手法を適用し,制振特性をシミュレーションおよび実験により調べ,本手法の有効性を検証した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996

【配分額】5,100千円 (直接経費: 5,100千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】07455102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

振動 / 制御 / サーボ / 最適設計 / 遺伝的アルゴリズム

【研究成果の概要】

振動制御系と位置決め制御機構の高性能化を達成するために、構造系と制御系の統合設計法の提案および開発を行った。本方法は、遺伝的アルゴリズムと感度解析法を用いた非線形計画法に基づいており、制御性を考慮した構造最適化および構造系と制御系の統合最適化の両方を実行可能である。構造系と振動制御系の統合最適化では、制御系としてH^∞制御系を採用し、遺伝的アルゴリズムを用いて構造物形状と制御則、さらにセンサーおよびアクチュエーターの配置最適化を行うことにより、高性能な周波数整形を可能にした。構造系とサーボ系の統合最適化では、周波数領域と時間領域の性能に対応するために2種類のサーボ系を導入した。すなわち、1入出力系に対して用いられる動的補償器と、多入力系に対して設計されるLQI制御系である。サーボ性を考慮した構造最適化では、制御対象の固有振動数と固有モードをサーボに適した周波数応答が実現されるように最適化する方法を開発した。構造系と動的補償器の統合最適化では、着目する全てのモードの安定性を維持しながら、サーボ性能を左右する主要な極の配置を最適化し、閉ループ系に要求される周波数特性を達成することを可能にした。構造系とLQI制御系の統合最適化では、閉ループ系の安定性を維持しながら、目標入力に対する時間領域での高速追従性能を実現した。本研究で提案・開発した方法を簡易構造の位置決めデバイスの統合設計に適用し、その有効性と実用性を検証している。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1995

【配分額】5,100千円 (直接経費: 5,100千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】05650246 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ニューラルネットワーク / 遺伝的アルゴリズム / 構造同定 / 感度同定 / 最適設計

【研究成果の概要】

本研究における研究実績の概要を以下にまとめて記す.
(1)振動実験,荷重実験の実施
いくつかの既存の構造物に対してインパルスハンマーによる打撃実験や応答実験,荷重実験を行い,そのデータをいろいろ加工してコンピュータ上に保存した.
(2)機械構造の特性マトリクスの同定システムの開発
(1)で得られた実験データを基に機械構造の質量,減衰,剛性等を同定できるような階層型のニューラルネットワークを構築し,その精度を検討しながらシステムの向上をはかった.
(3)最適設計問題の設定
軽量化,静特性,動特性の向上などを目的としたパラメータの最適化問題としての最適設計問題を実用的な見地から設定した.
(4)最適設計システムの開発
上記の設定した最適設計問題を解くために同定システムと同じ形の階層型ニューラルネットワーク及びその一部に遺伝的アルゴリズムを導入したシステムの開発をはかり,その精度の向上をはかった.また,その有効性を数値計算及び実験で検討した.
(5)統合システムの整備
(2),(4)で開発したシステムの統合をはかり,一つのシステムとして入出力関係を整備し,実用に供せられるシステムを開発した.

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1993

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】05402034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

振動 / 制御 / 最適設計 / 遺伝的アルゴリズム / サーボ / モード解析 / ロバスト制御 / H^∞ノルム

【研究成果の概要】

本研究では、制御性を考慮した構造物の最適設計、および構造系と制御系の同時最適設計法を提案し、プログラム開発と応用を行った。一般に大域的な最適解探索能力に優れ創発的な解を生み出すことができるといわれる遺伝的アルゴリズムに改良を加えることにより、構造物の初期設計段階である位相形状を最適化するアルゴリズムを構築した。そして、制御性のよい固有特性を有する構造系を設計するために、感度解析および遺伝的アルゴリズムを用いた構造物の位相形状最適化の方法を提案、開発し、実機構造の位相形状最適化を実現した。さらに、感度解析を用いた構造系と制御系の同時最適化方法を開発した。提案方法では、FEMでモデル化された構造物をモード座標に変換して低次元モデルを作成し、ここで無視されたモードを考慮に入れた実システムを作成し、両システムの極配置を最適化することにより高次モードの安定性を満足しながら追従性能を向上させることを可能にしている。構造系と動的補償器の同時最適設計を行うことにより、より高性能な周波数応答の整形と安定性の実現が可能であることを明らかにした。この方法を用いて、基礎構造で構成される位置決め制御機構の同時最適化に適用した結果、良好なサーボ特性が実現され本手法の有効性を確認した。

【研究種目】一般研究(A)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】16,000千円 (直接経費: 16,000千円)