【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】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)

【研究分野】機械力学・制御工学

【研究領域課題番号】03452139 (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 / 光サーボ / モード解析 / 有限要素法 / 光サ-ボ / モ-ド解析

【研究成果の概要】

光サーボ系の高性能化を図るために、構造系と制御系の同時最適化方法の開発を目的として研究を行い、以下の成果を得た。
制御性の考慮した構造系の最適設計法を提案した。ここでは、振動の節により作り出される不可制御性、および不可観測性を積極的に利用することにより、制御性に優れた構造系を設計できることを示し、著者らが提案した共振点消去理論によりこの最適化を実現する方法を示した。そして、新しい一体整形型の光ピックアップを考案し、本手法を用いた構造最適化により、光サーボ系を設計した。すなわち、光サーボ系を構成する上で支障となる光ピックアップ構造の高次の共振現象を共振点消去理論により除去し、制御性に優れた構造系を実現した。そして、実際に光サーボ系を開発し、実験を行った結果、優れたサーボ特性が確認され本手法の有効性が検証された。
次に、制御性能のさらなる高性能化を目指して、構造系と制御系の同時最適設計法を提案した。ここでは、まず有限要素法およびモード解析を用いて、制御系と構造系を同一の形式にモデル化する方法を開発した。そして、感度解析法を用いることにより、時刻歴応答および周波数応答の両面から希望する制振性能を実現するような制御系と構造系の設計変数を同時に最適化する方法を開発した。本手法では、有限要素法およびモード解析法により、制御系設計のための低次元システムを作成し、この低次元化で無視した高次の固有モードの安定性を保障しながら、目的関数を最小にする最適化を行う。本手法の基礎的検討として、連続体である平板で構成される振動制御系の同時最適設計を行い、提案手法の有効性および実用性を明らかにしている。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】5,000千円 (直接経費: 5,000千円)