[論文レビュー] State Observers for Sensorless Control of Magnetic Levitation Systems

Alexey Bobtsov, Anton A. Pyrkin+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

Magnetic Bearings and Levitation Dynamics参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、電圧および電流の測定値のみから位置および速度を推定する適応状態観測器を用いて、非線形磁気浮上（MagLev）システムの新規なセンサレス制御戦略を提案する。パラメータ推定に基づく観測器と動的回帰拡張および混合（DREM）を組み合わせることで、磁束を再構築し、グローバルに収束する状態推定を実現し、1自由度および2自由度のシステムにおいて、シミュレーションで全状態フィードバック制御と同等の性能を達成した。

ABSTRACT

In this paper we address the problem of state observation for sensorless control of nonlinear magnetic levitation systems, that is, the regulation of the position of a levitated object measuring only the voltage and current of the electrical supply. Instrumental for the development of the theory is the use of parameter estimation-based observers, which combined with the dynamic regressor extension and mixing parameter estimation technique, allow the reconstruction of the magnetic flux. With the knowledge of the latter it is shown that the mechanical coordinates can be estimated with suitably tailored nonlinear observers. Replacing the observed states, in a certainty equivalent manner, with a full information globally stabilising law completes the sensorless controller design. We consider one and two-degrees-of-freedom systems that, interestingly, demand totally different mathematical approaches for their solutions. Simulation results are used to illustrate the performance of the proposed schemes.

研究の動機と目的

• 電圧および電流のみが測定可能である非線形磁気浮上システムにおけるセンサレス制御の課題に対処すること。
• 位置センサの高コストおよび信頼性の問題を解消するため、直接的な位置測定の必要性を排除すること。
• 電気的測定値のみを用いて、機械的状態（位置、速度）のグローバルに収束する観測器を開発すること。
• 1自由度および2自由度のMagLevシステムの数学的複雑性の違いにもかかわらず、両者に適用可能な統一された観測器フレームワークを設計すること。
• 提案された観測器ベースの制御系が、シミュレーションにおいて全状態フィードバック制御と区別できない性能を達成すること。

提案手法

• 電圧および電流信号から磁束を再構築するために、パラメータ推定に基づく観測器（PEBO）と動的回帰拡張および混合（DREM）を組み合わせる。
• 再構築された磁束を活用し、1自由度および2自由度のMagLevシステムの両方における機械的座標（位置および速度）のための特化した非線形観測器を設計する。
• 完全状態フィードバック制御則を観測器からの推定状態に置き換えることで、確定性同等の原理を適用する。
• 全状態安定化制御器としてIDA-PBC（相互接続およびダミング割り当てパassing性ベース制御）を用い、その後センサレス運用に適応させる。
• パラメータ推定および観測器設計の収束を保証するため、拡張回帰信号に励起条件を課す。
• 1自由度および2自由度のMagLevシステムにおけるシミュレーションを通じて、設計を検証し、センサレス制御性能を全状態フィードバックと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電圧および電流の測定値のみを用いて、位置センサを一切使用せずに、グローバルに収束する状態観測器をMagLevシステムに設計可能か？
• RQ2 非線形MagLevシステムにおいて、適応推定技術を用いて、電気的信号から磁束を正確に再構築する方法は何か？
• RQ3 1自由度および2自由度のMagLevシステムは物理的原理が類似しているにもかかわらず、なぜ観測器設計において根本的に異なる数学的アプローチを要するのか？
• RQ4 提案されたセンサレス制御系は、過渡応答および安定性の観点から、全状態フィードバック制御とどの程度同等の性能を示すか？
• RQ5 DREMベースのパラメータ推定および観測器の収束に必要な励起条件は何か？ そして、これらは現実的な仮定のもとでどのように実現可能か？

主な発見

• 提案された観測器は、1自由度および2自由度のMagLevシステムにおいて、電圧および電流の測定値のみを用いて、位置および速度をグローバルに収束して推定した。
• シミュレーション結果から、センサレス制御系の性能が全状態フィードバックIDA-PBCとほとんど差がないことが示され、過渡応答および軌道追従性能に顕著な差がなかった。
• 2自由度システムでは、1自由度システムに比べてより単純な観測器設計が可能であり、構造的差異に起因して1自由度システムではより複雑なパラメータ推定およびフィルタリングを要する。
• 一部の先行手法とは異なり、本手法は侵襲的な高周波信号注入を回避し、システム固有のダイナミクスとDREMベースの励起に依存している。
• 観測器の収束は、拡張回帰信号の励起条件に依存しており、システムエネルギーおよび信号の豊かさに関する現実的な仮定のもとで、これらの条件が満たされることを示した。
• 観測器の計算複雑性は、特に1自由度ケースにおいてリアルタイム実装の課題を引き起こしており、今後の研究では制御系の近似化が求められる。