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ゲインスケジューリング 制御器の新しい設計法

A New Method of Gain-Scheduled Controller Design

大阪府立大学 大学院 工学研究科 航空宇宙工学分野

教授 下村 卓

Takashi Shimomura, Osaka Prefecture University

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新技術の概要

• 力学に基礎を置き、かつ航空・宇宙を強く意識した革新的技術創成を先導する基礎研究の成果として、ゲインスケジューリング制御器の新しい設計法を提示。設計変数の系統的分類により、簡便で効果的な制御系が構成可能。

• As a product of a basic research leading innovative technology development based on dynamics and kinematics and being highly conscious of aerospace engineering, a new method of gain-scheduled controller design is provided. Design procedure is very easy while control performance is highly effective.

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従来技術・競合技術との比較

• 制御対象の動特性変化にあわせて制御器が自動調整されるゲインスケジューリング制御器は、 –制御性能を著しく向上させるが、 –設計および実装が複雑で、十分に利用が 広がっていない。

• 本手法を用いれば、 –簡便で効果的な制御系が構成できる。

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新技術の特徴

• 非線形の制御対象をLPV（Linear Parameter-Varying）モデルで表現する。

• スケジューリング変数の一部をパラメータ依存基底変換により見かけ上なくす。

• LMI（Linear Matrix Inequality）非共通解により、保守性の低い制御系を設計する。

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What’s LPV or LMI?

Convex Hull

Controllers can be designed at each vertex. But, any must stabilize any .

LPV(Linear Parameter-Varying)System LPV System

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Dynamics Control Objectives

(Dynamics) (Kinematics)

Angular Momentum of the Satellite Angular Momentum of Reaction Wheels

Jacobian Linearization LPV plant for dynamics

Dynamics + Kinematics

,

,

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Control Objectives

(Dynamics) (Kinematics)

Kinematics

Principal rotation axis

Rotation angle

MRPs (Modified Rodrigues Parameter)

LPV plant for kinematics

Dynamics + Kinematics

,

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State-Space Representation

Original Plant

are scheduling parameters.

At least vertices ….. too many!

Dynamics Kinematics

LPV Modeling

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Key Idea of our Research

Virtual State Variable

LPV Modeling

Parameter-Dependent Coordinate Transformation Matrix

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Key Idea of our Research LPV Modeling

Virtual State Variable

Parameter-Dependent Coordinate Transformation Matrix

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Summary of Our Achievement

Both LPV systems are similar to each other.

Only is the scheduling parameter of the simple LPV model. vertices!

LPV Modeling

Original plant

Simple LPV model

,

,

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Relationship between Two Plants Original Plant

Simple LPV Model

Controller for the original plant

Controller Synthesis

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Controller Design for Simple LPV Model

Generalized LPV plant for the simple LPV model

: the performance output vector

: the disturbance input vector

The state-feedback controller

controller

Controller Synthesis

,

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Simulation Parameters Numerical Simulation

RW allocation Spacecraft Configuration

,

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Conventional Controller

Lyapunov Function

Control Law

Numerical Simulation

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Simulation (Proposed) Numerical Simulation

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Simulation (Conventional) Numerical Simulation

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Conclusion

• Realized attitude control with both overall stability and control performance.

• Solved attitude control problem with LPV control theory.

• Improved control performance considerably.

• Realize attitude control on orbit.

• Realize attitude control with other LMI constraints.

• Consider other types of actuators.

Main Results

Future Research

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Block Diagram

Dynamics Kinematics

Control Law Steering Law

Required Torque

Commanded Input

Proposed Method in this Paper

Conclusion

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想定される用途

• 宇宙機の姿勢制御・航空機の経路制御・宇宙往還機の誘導制御など

• 自動車の運動制御（操舵安定性・TCS・4WSなど）

• その他、一般機械システムの制御

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ： ゲインスケジューリング制御器の設計方法

• 出願番号 ：特願2013-023391

• 出願人 ：大阪府立大学

• 発明者 ：下村 卓

• 申請日 ：2013. 2. 8

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産学連携の経歴

1993年-2003年 松下電器産業㈱との共同研究

［特許］発明者：下村卓他、出願者：松下電器産業㈱

1. 「微分演算装置」（申請）1993.7.20（特願平05-

178989）（登録）2000.10.6（特許番号：3116669）

2. 「適応制御装置」（申請）1994.8.9（特願平06-

186208）

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産学連携の経歴

大阪大学TLOと共同出願

［特許］発明者：下村卓、出願者：大阪大学TLO

1. 「設計方法，設計装置，制御方法，制御装置，

制御システム，コンピュータプログラム，及び記録

媒体」

（申請）2002.5.28（特願2002-154704）

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お問い合わせ先

公立大学法人 大阪府立大学

地域連携研究機構

産学官研究連携推進センター

知的財産マネジメントオフィス

菅谷 正

ＴＥＬ：072-254-9317

ＦＡＸ：072-254-9849

e-mail：cts24606@osakafu-u.ac.jp