Data-driven prediction of time-response of control system with a certain controller using one-shot data

使用一次性数据对具有特定控制器的控制系统的时间响应进行数据驱动预测

• 批准号: 22K04174
• 负责人: 小坂 学
• 金额: $ 0.58万
• 依托单位: Kindai University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2027-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04174/
• 关键词: データ駆動制御; 閉ループ応答予測; データ駆動予測; 高次ARX同定; 信頼区間解析; V-Tiger; 制御系設計; モデリング; 予測

本研究は、2020年に提案されたV-Tiger（Virtual Time-response based Iterative Gain Evaluation and Redesign）という手法を、より実用的にするために改良することを目的とする。V-Tigerは、制御対象の数式モデルを必要とせず、実験データを直接利用して閉ループ系の時間応答を予測し、その応答から整定時間とオーバーシュートを計測し、それらと安定余裕を繰り返し評価することで、拘束条件付き非線形最適化問題を解いて線形な制御器を求める手法であり、PID制御器を1回の実験データで設計できるという利点がある。しかし、問題点として、①単一入出力系にしか対応しておらず、多入出力系には適用できないこと、②フィードバック系が不安定の場合には予測した応答と真の応答との誤差が発散すること、そして③ノイズが存在しないことを仮定していることが挙げらる。本研究では、まず問題点①を解決するために、V-Tigerを多入出力系に拡張する手法を提案し、多リンクロボットに適用して有用性を確認した。次に、問題点②を解決するために、1回の実験データのみで閉ループ系の安定余裕を計算する手法や、不安定な系の場合には予測した応答を解析して安定判別する手法を考案し、最適化の拘束条件に加えることで系が不安定になることを回避する手法を提案した。最後に、問題点③を解決するために、モデルの次数等の情報が不要なウィーナーフィルタや、FFTアナライザ・スペクトラムアナライザや、高次ARX同定を利用してノイズを除去する手法や、予測した応答の信頼区間を推定する手法を提案し、その有用性を確認した。これらの手法の適用により、V-Tigerの実用性が向上し、より広範な制御問題に対応できるようになった。

这项研究旨在改善2020年提出的V-Tiger（基于虚拟时间响应的迭代增益评估和重新设计）技术，以使其更加实用。 V-Tiger不需要控制数学模型，而是直接使用实验数据来预测闭环系统的时间响应，衡量响应的定位时间和过度响应，并反复评估稳定性余量，从而解决了具有约束条件的非线性优化问题，并获得了固定条件，并获得了具有piD Controller的优势，可以将其设计为一个实验数据。但是，问题是1）它仅与单个输入/输出系统兼容，并且不能应用于多个输入/输出系统，2）假定，如果反馈系统不稳定，则预测响应和真实响应之间的误差将会差异，并且3）假定不存在噪声。在这项研究中，我们首先提出了一种将V-Tiger扩展到多个输入/输出系统以解决问题1的方法，并将其应用于多个链接机器人以确认其有用性。接下来，为了解决问题2，我们提出了一种仅使用一个实验数据来计算封闭环系统的稳定性的方法，以及一种在不稳定系统的情况下分析预测响应的方法，以及一种通过将其添加到优化约束中来避免系统不稳定的方法。最后，为了解决问题3，我们提出了一个不需要信息，例如模型订单，FFT分析仪/频谱分析仪，一种使用高级ARX识别来消除噪声的方法，以及一种估计预测响应的置信区间的方法，并确认了其实用性。这些技术的应用改善了V-Tiger的实用性，现在能够解决更广泛的控制问题。

项目成果

Noise Reduction for Data-driven Control by Correlation Analysis and High-order ARX Identification

通过相关分析和高阶 ARX 识别来降低数据驱动控制的噪声

• DOI: 10.9746/sicetr.59.62
• 发表时间: 2023
• 期刊: Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers
• 作者: 吉岡 璃皇;浦川 禎之;Shigemasa Takai;高井重昌;M. Ishikawa;石川 昌明;M. Ishikawa;M. Ishikawa;小坂 学
• 通讯作者: 小坂 学

データ駆動予測の最近の展開ー周波数データに基づくV-Tigerを中心としてー

数据驱动预测的最新进展 - 聚焦基于频率数据的 V-Tiger -

• 发表时间: 2022
• 作者: Shogo Ichinomoto;Masaki Kuramoto*;and Manabu Kosaka;小坂 学
• 通讯作者: 小坂 学

Data-driven design of V-tiger utilizing Wiener filter

利用维纳滤波器的 V-tiger 数据驱动设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Nanami Shinozaki;Masahiro Horie;and Manabu Kosaka
• 通讯作者: and Manabu Kosaka

V-Tigerに基づく安定判別と周波数領域近似モデルマッチング

基于V-Tiger的稳定判别和频域近似模型匹配

• 发表时间: 2022
• 作者: Shogo Ichinomoto;Masaki Kuramoto*;and Manabu Kosaka;小坂 学;坂本 優樹，小坂 学;村田 拓真，小坂 学
• 通讯作者: 村田 拓真，小坂 学

V-tiger for 2DOF and MIMO system and its application to 2-link robot

用于2DOF和MIMO系统的V-tiger及其在二连杆机器人中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Shogo Ichinomoto;Masaki Kuramoto*;and Manabu Kosaka
• 通讯作者: and Manabu Kosaka