JP3872457B2 - Learning adaptive controller - Google Patents
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Description
この発明は非線形適応制御に関し、特に、系の力学的特性を記述する非線形関数又はパラメータが未知の場合、それらを学習により近似又は同定し、漸近安定な軌道追従を行なう制御装置に関するものである。 The present invention relates to nonlinear adaptive control, and more particularly to a control apparatus that performs asymptotically stable trajectory tracking by approximating or identifying a nonlinear function or parameter that describes a dynamic characteristic of a system by learning.
従来、ロボット等の非線形性を有するダイナミクスに未知パラメータを含む系又はその力学的特性が未知である系の軌道追従制御系の設計において、モデルベース適応制御系(後掲の非特許文献3、5)や非線形関数近似器を用いた学習適応制御系が提案されてきている(非特許文献1、2、4)。また、後掲の非特許文献6により、ヒトの小脳の内部モデルの学習モデルとしてのフィードバック誤差学習が提案されており、ロボットアームの制御に適用されている。
Conventionally, in the design of a trajectory tracking control system of a system including an unknown parameter in a dynamics having nonlinearity such as a robot or a system whose mechanical characteristics are unknown, a model-based adaptive control system (
これらの制御系は一般的には、系の非線形性を近似又は同定する要素と誤差フィードバック制御器とにより構成され、パラメータ更新則により、未知ダイナミクスの近似又は同定を行なう。この様な学習適応制御系において、安定な制御系を実現するにあたって、設計者はフィードバック制御器のゲインを選定する必要がある。 These control systems are generally composed of an element that approximates or identifies the nonlinearity of the system and an error feedback controller, and approximates or identifies unknown dynamics by a parameter update rule. In such a learning adaptive control system, in order to realize a stable control system, the designer needs to select the gain of the feedback controller.
しかし、従来は、リアプノフ安定理論による漸近安定性の解析において、誤差ダイナミクスの「強正実性」を満たす様に選べば制御系の漸近安定性が保証されるという数学的に抽象的な条件が示されるのみで、物理系の制御を考えたときの具体的なフィードバックゲインの選定手法は示されていない。従って、実際に物理系に対する学習適応制御系を設計するにあたって、漸近安定性を保証する具体的なフィードバックゲインの選定基準が不明確で、フィードバックゲインの選び方如何によっては学習が収束せず、漸近安定な軌道追従が実現できないという問題が発生しうる。 However, in the past, mathematically abstract conditions have been shown that asymptotic stability of the control system is guaranteed if selected so as to satisfy the “strong reality” of the error dynamics in the analysis of asymptotic stability by Lyapunov stability theory. However, there is no specific feedback gain selection method when considering physical system control. Therefore, when actually designing a learning adaptive control system for a physical system, the specific feedback gain selection criteria that guarantee asymptotic stability are unclear, and depending on how the feedback gain is selected, learning does not converge and asymptotic stability May cause a problem in that accurate trajectory tracking cannot be realized.
以上の様に、従来の学習適応制御手法においては未知な対象ダイナミクスを持った系に対し、漸近安定な軌道追従を実現するフィードバックゲインの選定基準が具体的でないという問題点が存在する。
そこで本発明では、
1.系の漸近安定性(軌道追従誤差の収束性)を保証するフィードバック制御器のゲインの具体的な条件の導出
2.特に、軌道誤差ベースによる学習適応制御手法及びフィードバック誤差学習における1入力1出力の非線形2次のダイナミクスについて漸近安定性を保証するためのフィードバックゲインの選定法
によってパラメータが設定される学習適応制御装置を提供する事を目的とする。
As described above, the conventional learning adaptive control method has a problem that the feedback gain selection criterion for realizing asymptotically stable trajectory tracking is not concrete for a system having an unknown target dynamics.
Therefore, in the present invention,
1. Derivation of specific conditions for gain of feedback controller that guarantees asymptotic stability of system (convergence of trajectory tracking error) In particular, a learning adaptive control apparatus in which parameters are set by a selection method of feedback gain for guaranteeing asymptotic stability with respect to an orbital error-based learning adaptive control method and nonlinear secondary dynamics of one input and one output in feedback error learning. The purpose is to provide.
この発明の第1の局面に係る学習適応制御装置は、状態フィードバックを用いた1入力1出力の非線形2次系の学習適応制御装置である。この非線形2次系は
Λ 1 −Λ 2 K D <0ただしΛ 2 >0、K P >0、K D >0
なる条件を充足する様に選択されている。
The learning adaptive control apparatus according to the first aspect of the invention, Ru der learning adaptive control system for the non-linear second-order system with one input and one output with state feedback. This nonlinear secondary system is
Λ 1 -Λ 2 K D <0 However Λ 2> 0, K P> 0, K D> 0
It is selected so as to satisfy the Do that condition.
この発明の第2の局面に係る学習適応制御装置は、状態フィードバックを用いた1入力1出力の非線形2次系の学習適応制御装置である。この非線形2次系は
上記の非線形系に関する学習適応制御手法において、本発明で提案する非常に簡便な基準によりフィードバックゲインを選定する事で、漸近安定性を保証する事が可能となる。以下、本発明の一実施の形態に係る学習適応制御装置について説明する。 In the learning adaptive control method related to the above nonlinear system, asymptotic stability can be guaranteed by selecting a feedback gain according to a very simple criterion proposed in the present invention. Hereinafter, a learning adaptive control apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
なお、以下の議論において使用される記号「^」「〜」は、本来その記号の直後の文字の直上に記載すべき記号でああり、式中にはその様に記載しているが、テキスト中では、記載の制限により文字の直前に記載する事にする。また、ベクトルについても、式中ではブロック体で記載しているが、テキスト中では通常の文字で記載してある。 In addition, the symbols “^” and “˜” used in the following discussion are symbols that should be described immediately above the character immediately after the symbol, and are described as such in the formula, but the text Inside, due to the limitation of the description, it will be described immediately before the character. In addition, vectors are also described in block form in the formula, but are described in ordinary characters in the text.
一般的に制御の対象となるシステムは Generally, the system to be controlled is
従来の学習適応制御系では、まず、これに対し、関数近似器を用いた入出力線形化適応フィードバック制御器を構成し、その誤差ダイナミクスを導出する。次にリアプノフ理論により漸近安定性を保証するための誤差ダイナミクスの満たすべき条件がその「強正実」性である事が知られている。しかし、一般的な高次のダイナミクスを持つ系に対し、強正実性を満たすフィードバック制御器のゲインの具体的な選定基準の導出は容易ではない。 In the conventional learning adaptive control system, first, an input / output linearization adaptive feedback controller using a function approximator is constructed, and its error dynamics is derived. Next, it is known from Lyapunov theory that the condition to be satisfied by the error dynamics to guarantee asymptotic stability is its “strong and true” property. However, it is not easy to derive a specific selection criterion for the gain of the feedback controller that satisfies the strong realism for a system having general higher-order dynamics.
そこで、本発明では、系のダイナミクスが2次系の場合、後掲の参考文献1に記載の定理3.2を適用する事により、漸近安定性を保証するフィードバック制御器のゲインをどの様に選べばよいかを具体的に導出する。
Therefore, in the present invention, when the dynamics of the system is a quadratic system, the gain of the feedback controller that guarantees asymptotic stability can be obtained by applying Theorem 3.2 described in
以下、本発明の一実施の形態について述べる。図1に示す様な非線形性が未知の系に関し、系のダイナミクスを学習し、目標軌道xdに対する漸近安定な追従を実現する学習制御系を考える。図1に示す学習適応制御系20は、制御の対象となる、非線形性が未知のプラントダイナミクス30と、このプラントダイナミクス30を制御するための、本実施の形態に係る適応コントローラ32とを含む。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. Consider a learning control system that learns the dynamics of the system and realizes asymptotically stable tracking with respect to the target trajectory xd with respect to a system with unknown nonlinearity as shown in FIG. The learning
適応コントローラ32は、プラントダイナミクス30の出力ベクトルxから所望の軌道を減算して誤差ベクトルeを出力するための減算器40と、減算器40の出力する誤差ベクトルeに対する、フィードバックゲインベクトルKのフィードバック制御器42と、所望のフィードフォワードコマンドxd (n)である値uffからフィードバック制御器42の出力ufbを減算するための減算器44と、プラントダイナミクス30の出力ベクトルxに対する非線形の関数近似を行ない出力uadを出力するための関数近似器46と、減算器44の出力と関数近似器46の出力とを加算しプラントダイナミクス30に与えるための加算器48とを含む。n=2の場合、フィードフォワードコマンドxd (n) はxd (2) となり、所望の軌道の加速度を表す。
本発明では議論を簡単にするため、g(x)=1が既知であり、かつ1入力1出力系の場合のシステムを考える。 In order to simplify the discussion in the present invention, a system in which g (x) = 1 is known and a 1-input 1-output system is considered.
f(x)が未知の場合、システムに対する制御則として以下の式で表されるものを用いる。 When f (x) is unknown, the control law for the system is expressed by the following equation.
さらに、未知パラメータの更新則として、 Furthermore, as an update rule for unknown parameters,
このとき、軌道追従誤差及び軌道追従誤差ベクトルをそれぞれ At this time, the trajectory tracking error and the trajectory tracking error vector are respectively
と定義するとシステムの軌道追従誤差ダイナミクスは状態方程式を用いて
The trajectory tracking error dynamics of the system is
また、関数近似器の未知パラメータを更新するために必要な変数e1を式(8)の誤差ダイナミクスの出力として In addition, the variable e 1 necessary for updating the unknown parameter of the function approximator is output as the error dynamics of equation (8).
以上をまとめると一般的なnの場合に対しては漸近安定な軌道追従を実現するための条件は、Aが安定行列になる様にKを選びかつ In summary, for the general case of n, the condition for realizing asymptotically stable trajectory tracking is that K is selected so that A becomes a stable matrix and
しかし、上記の条件は、数学的に抽象的であり、一般的な高次元のシステムに対しては、その判定は困難である。一般的に、物理系は2次のダイナミクスで記述される事が多いため、本発明では、n=2の場合に対し、具体的かつ簡便な条件を導出する。また、この条件は系のダイナミクスそのものには依存せず、独立に選ぶ事が可能である。 However, the above condition is mathematically abstract, and it is difficult to determine it for a general high-dimensional system. In general, since a physical system is often described by secondary dynamics, the present invention derives specific and simple conditions for the case of n = 2. This condition does not depend on the dynamics of the system itself, and can be selected independently.
n=2のとき、 When n = 2
1.Aのすべての固有値の実部は負である:KP及びKDはKP>0かつKD>0となる様に選ぶ。
1. The real part of all eigenvalues of A is negative: K P and K D are chosen so that K P > 0 and K D > 0.
2. 2.
以上をまとめると本実施の形態の装置における安定条件は以下の様になる。
・軌道追従誤差ベースの適応則の場合には
Λ1−Λ2KD<0ただしΛ2>0、KP>0、KD>0 (12)
とフィードバックゲインベクトルK及びベクトルcを選べばよい。
・フィードバック誤差学習の場合にはベクトルc=フィードバックゲインベクトルKであるので、漸近安定性を保証するためにはフィードバックゲインは
KD 2>KPただしKP>0、KD>0 (13)
と選べばよい。
In summary, the stability conditions in the apparatus of the present embodiment are as follows.
- Tracking the case of an error based adaptive law Λ 1 -Λ 2 K D <0 However Λ 2> 0, K P> 0, K D> 0 (12)
And the feedback gain vector K and the vector c may be selected.
In the case of feedback error learning, since vector c = feedback gain vector K, the feedback gain is K D 2 > K P where K P > 0 and K D > 0 to ensure asymptotic stability (13)
You can choose.
[数値シミュレーション]
本実施の形態の効果を確認するために、数値シミュレーションを行なった。このシミュレーションでは以下の様なn=2である物理系を考える。
[Numerical simulation]
In order to confirm the effect of this embodiment, a numerical simulation was performed. In this simulation, the following physical system where n = 2 is considered.
制御系の実現にはまず系のダイナミクスを First, to realize the control system,
[トラッキング誤差ベース学習適応制御のシミュレーション結果]
図2にKp=5.0、KD=1.0、Λ1=0.1、Λ2=1.0の場合のシミュレーション結果を示す。このとき、式(12)の条件を満たすので、漸近安定性は保証される。この結果より軌道追従誤差がゼロに収束し、系のパラメータが正しく推定できている事が分かる。パラメータ推定値^θはθ=[−k、−d]T=[−2、−2]Tに収束している。
[Results of tracking error-based learning adaptive control simulation]
FIG. 2 shows the simulation results when K p = 5.0, K D = 1.0, Λ 1 = 0.1, and Λ 2 = 1.0. At this time, since the condition of Expression (12) is satisfied, asymptotic stability is guaranteed. From this result, it can be seen that the trajectory tracking error converges to zero, and the system parameters are correctly estimated. The parameter estimated value {circumflex over (θ)} converges to θ = [− k, −d] T = [− 2, −2] T.
これに対し、図3にKp=5.0、KD=1.0、Λ1=4.0、Λ2=1.0の場合のシミュレーション結果を示す。このとき、式(12)の条件を満たさず、漸近安定性は保証されないため、軌道追従誤差はゼロに収束していない。また、パラメータ推定値も^θも収束していない。 On the other hand, FIG. 3 shows the simulation results when K p = 5.0, K D = 1.0, Λ 1 = 4.0, and Λ 2 = 1.0. At this time, the condition of Expression (12) is not satisfied, and asymptotic stability is not guaranteed, so the trajectory tracking error does not converge to zero. Further, neither the parameter estimation value nor ^ θ has converged.
[フィードバック誤差学習のシミュレーション結果]
図4にKP=5.0、KD=3.0の場合のシミュレーション結果を示す。このとき、式(13)の条件を満たすので、漸近安定性は保証される。この結果より軌道追従誤差がゼロに収束し、系のパラメータが正しく推定できている事が分かる。
[Simulation result of feedback error learning]
FIG. 4 shows the simulation results when K P = 5.0 and K D = 3.0. At this time, since the condition of Expression (13) is satisfied, asymptotic stability is guaranteed. From this result, it can be seen that the trajectory tracking error converges to zero, and the system parameters are correctly estimated.
これに対し、図5にKP=5.0、KD=1.0の場合のシミュレーション結果を示す。このとき、式(13)の条件を満たさず、漸近安定性は保証されないため、軌道追従誤差はゼロに収束していない。また、パラメータ推定値も^θも収束していない。 On the other hand, FIG. 5 shows the simulation results when K P = 5.0 and K D = 1.0. At this time, the condition of equation (13) is not satisfied, and asymptotic stability is not guaranteed, so the trajectory tracking error does not converge to zero. Further, neither the parameter estimation value nor ^ θ has converged.
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。 The embodiment disclosed herein is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are intended. Including.
[参考文献1]
G.タオ及びP.A.イオアノウ著「強正実行列のための必要十分条件」、IEEプロシーディングスG、回路、デバイス及びシステム、第137巻、第5号、pp.360−366、1990年(Tao, G. and Ioannou, P. A, Necessary and sufficient conditions for strictly positive real matrices. IEE Proceedings G, Circuits, Devices and Systems, Vol. 137, No. 5, pp. 360-366, 1990.)
[Reference 1]
G. Tao and P.A. A. Ioanou, “Necessary and Sufficient Conditions for Strongly Execution Sequences”, IEEE Proceedings G, Circuits, Devices and Systems, Vol. 137, No. 5, pp. 360-366, 1990 (Tao, G. and Ioannou, P. A, Necessary and sufficient conditions for strictly positive real matrices. IEE Proceedings G, Circuits, Devices and Systems, Vol. 137, No. 5, pp. 360- 366, 1990.)
20 学習適応制御系、30 プラントダイナミクス、32 適応コントローラ、40 減算器、42 フィードバック制御器、44 減算器、46 関数近似器、48 加算器 20 learning adaptive control system, 30 plant dynamics, 32 adaptive controller, 40 subtractor, 42 feedback controller, 44 subtractor, 46 function approximator, 48 adder
Claims (2)
前記非線形2次系は
被制御対象の出力と所望の軌道入力との間の軌道追従誤差ベクトルe=[e, e (1) ,
e (2) ]を受ける、ゲインベクトルK=[Kp ,KD ]で−Keを出力するフィードバック制御器と、
前記フィードバック制御器の出力、被制御対象の出力xの所望の加速度x (2) 、及び前記関数近似器の出力に基づいて前記被制御対象への制御入力uを生成するための演算手段とを含み、
前記ゲインKp及びK D 、並びに前記ベクトルcの要素Λ 1 及びΛ 2 の値は、
Λ 1 −Λ 2 K D <0ただしΛ 2 >0、K P >0、K D >0
なる条件を充足する様に選択されている、学習適応制御装置。 A one-input, one-output non-linear secondary learning adaptive control apparatus using state feedback,
The nonlinear secondary system is
Trajectory tracking error vector e = [e, e (1) , between output of controlled object and desired trajectory input
receiving an e (2)], and the feedback controller you output -Ke gain vector K = [K p, in K D],
The output of the feedback controller, and an operation means for generating a control input u of the to the controlled object based on the output of the desired acceleration x (2), and wherein the function approximator output x of the controlled object Including
The gain K p及beauty K D, as well as the value of the element lambda 1 and lambda 2 of the vector c,
Λ 1 -Λ 2 K D <0 However Λ 2> 0, K P> 0, K D> 0
A learning adaptive control device selected to satisfy the following condition.
前記非線形2次系はThe nonlinear secondary system is
被制御対象の出力と所望の軌道入力との間の軌道追従誤差ベクトルe=[e, eTrajectory tracking error vector e = [e, e between the output of the controlled object and the desired trajectory input (1)(1) ,,
ee (2)(2) ]を受ける、ゲインベクトルK=[K], Gain vector K = [K pp ,K, K DD ]で−Keを出力するフィードバック制御器と、], A feedback controller that outputs -Ke,
前記フィードバック制御器の出力、被制御対象の出力xの所望の加速度xOutput of the feedback controller, desired acceleration x of output x to be controlled (2)(2) 、及び前記関数近似器の出力に基づいて前記被制御対象への制御入力uを生成するための演算手段とを含み、And calculating means for generating a control input u to the controlled object based on the output of the function approximator,
前記ゲインKThe gain K pp 及びKAnd K DD の値は、KThe value of is K DD 22 >K> K PP ただしKK PP >0、K> 0, K DD >0なる条件を充足する様に選ばれている、学習適応制御装置。A learning adaptive control device selected to satisfy the condition> 0.
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