モデル誤差抑制補償器
概要
モデル誤差抑制補償器の概要をまとめたページです。モデル誤差抑制補償器は，既存の制御系のロバスト性を付加するための補償器であり，私たちが提案したものになります。モデル誤差抑制補償器の制御目的は，入出力関係の意味でモデルの動特性に可能な限り近くなるよう補償システムの入出力特性を補償することであり，これによって，既存の制御系に外乱やモデル化誤差に対するロバスト性を付加することができます。補償器構造は単純なものであり，様々な制御システムと併用することができます。例えば，非線形系，非最小位相系，MIMO系などが対象例として挙げられます。また，MPC（モデル予測制御）をはじめとする様々な制御方式と併用することも可能であり，良好なロバスト性能を実現することができます。以下では，動画での説明を行っています。また，MATLABコードも無料配布しており，自由に改変して頂いて構いません。
A method for adding robustness to existing control systems. A structure of "model error compensator" was proposed by us, and it has been applied to various control systems. The control objective of the model error compensator (MEC) is to minimize as much as possible the effect of the model error and the disturbance in the meaning of the input-output relation. This compensator has a simple form and is easy to apply to various types of existing control systems, such as non-linear systems, control systems with time delay, non-minimum phase systems, MIMO systems, and so on. Various types of control schemes, such as the model predictive control, can be used together with the model error compensator and can achieve good robust performance.
MECによる誤差補償なし
MECによる誤差補償あり
モデル誤差抑制補償器による既存制御システムのロバスト化
全体像の動画（非最小位相系や非線形系の話が多め）34分
モデル誤差抑制補償器を用いた既存制御系のロバスト化
MECを組み込む方法について説明した動画です。１２分
PIDを外乱やモデル化誤差に強くする方法
PIDにMECを組み込んで系をロバスト化する方法の説明動画です。
概要
ここでは，モデル誤差補償器について紹介します。これまで投稿した論文は最下部に記載しています。
本動画は、モデル誤差補償器の研究背景を説明する動画になります。（Part１ 約4分）
１．モデル誤差補償器の概要
制御対象の数学モデルを導出し，そのモデルを利用して制御器を構成する．これをモデルベースド制御と呼び，多くの制御系設計法がその枠組みに当てはまる．モデルが正確に求められていれば，上記の方法で得られた制御器を実装すると当然制御結果はうまくいく．しかしながら，モデルと実対象の間に様々な理由によりギャップがある場合，制御器を実装しても思いのほかうまく制御できないことがある．この問題に対して，モデルと実対象の入出力ダイナミクスを一致させるための補償器を提案し，2011年の制御部門大会に発表した．
補償器の構造
この研究の特徴は，実対象にフィードバック補償を施すことでその入出力特性をモデルのものに近づける点にある．この補償にのみ特化していることから，モデルに対して設計して得た補償器が，そのまま補償された制御対象に適用してうまく機能する．設計はモデルのみに対して行うため，様々な制御系設計法と併用することが可能である点も有益な特徴の一つである．
本動画はモデル誤差補償器の構造を説明する動画になります。（Part2 約7分）
実応用例
これまで，非線形システムや非最小位相系など，様々な制御系へ展開可能であることを理論上解明し，応用例としてロバストな自動追従制御系や電動車いすのアシストなど広く有効性を示している．2016年現在，関連学術論文は9本出ており，関連解説記事も2編掲載されている．しかし未解決，未知の問題は多く残っており研究も研究を進めている段階である．
以下はYoutubeでの非線形系等への応用や外乱オブザーバとの比較の説明動画になります。（Part3 約8分）
非線形
非線形システムに対するロバスト化の手法に関する説明動画です．
外乱オブザーバとの比較
本動画は、モデル誤差補償器と研究コンセプトが近い外乱オブザーバとの差異について説明しています。
MATLAB m-files
MATLAB code ( github）PID制御と併用による簡単な数値例（MECあり、なしの比較）
MATLAB code (github) NMP system
MATLAB code (github) Sensor noise
MATLAB code (github) Non-linear
MATLAB code (github) Vehicle control
研究業績（学術論文）
[18] 岡島寛，モデル誤差抑制補償器を用いた既存制御系のロバスト化，計測と制御，Vol. 62，No. 3，168-175 (2023)
[17] Ryuichiro Yoshida, Hiroshi Okajima and Takumi Sato, Model error compensator design for continuous- and discrete-time non-minimum phase systems with polytopic-type uncertainties, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Volume 15 Issue 2 pags 141-153 (T&F, Open Access)
[16] R. Yoshida, Y. Tanigawa, H. Okajima and N. Matsunaga, A design method of model error compensator for systems with polytopic-type uncertainty and disturbances，SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration Volume 14, Issue 2 (2021) (Open access)
[15] Hiroshi Okajima,Yuta Nakabayashi and Nobutomo Matsunaga, Signal-Limitation Filters to Simultaneously Satisfy Constraints of Velocity and Acceleration Signals, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration，Vol.13, No.1, pp.1-8 (2020) (Open access)
[14] 岡島寛：ポリトープ型不確かさを有する連続時間線形時不変システムに対するモデル誤差抑制補償器のロバスト性能解析，計測自動制御学会論文集，Vol. 55, No. 12, (2019)
[13] 岡島寛，奥村洸祐，松永信智：モデル誤差抑制補償器を用いた車輪型倒立振子のロバスト速度補償，電気学会論文誌(C), Vol. 139, No. 3, (2019)
[12] 松永信智，坂本将一，田中友樹，岡島寛：モデル誤差抑制補償器を用いたSSV型パーソナルビークルの操縦支援制御系の設計と屋外走行評価，機械学会論文誌C編，Vol. 84，No. 858, 17-00349 (2018) j-stage
[11] 岡島寛，中林佑多，松永信智：任意信号に対して速度·加速度を制約する信号制限フィルタの設計，計測自動制御学会論文集，Vol.54, No.1，pp.146-152(2018) j-stage
[10] 奥村洸佑，岡島寛，松永信智：センサノイズ環境下でのモデル誤差抑制補償器の設計，システム制御情報学会論文誌，Vol.30，No.4，pp.153-155 (2017) j-stage
[9] G. Ichimasa, H. Okajima, K. Okumura and N. Matsunaga：Model Error Compensator with Parallel Feed-Forward Filter, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration，Vol.10, No.5, pp.468-475 (2017) (Open access)
[8] 岡島寛，松永信智：モデル誤差抑制補償器に基づくロバスト経路追従制御，システム制御情報学会論文誌，Vol.29，No.10，pp.466-468（2016） j-stage
[7] 菅野達也，壇裕介，岡島寛，松永信智：モデル誤差抑制補償器による福祉用パーソナルビークルのロバストな屋内隊列走行システムの走行評価，機械学会論文集(Ｃ),Vol.82, No.840, pp.15-00690 (2016) j-stage
[6] 岡島寛，一政豪，松永信智：非最小位相系に対するモデル誤差抑制補償器の設計，計測自動制御学会論文集，Vol.51, No.11, pp.794-801 (2015) j-stage
[5] 藤岡巧，岡島寛，松永信智：モデル誤差抑制補償器と周波数整形型終端状態制御の併用による3慣性ベンチマーク問題の一解法，計測自動制御学会論文集，Vol.50, No.12, pp.861-868 (2014) j-stage
[4] 岡島寛，西村悠樹，松永信智：モデル誤差抑制補償に基づく非線形システムのフィードバック線形化，計測自動制御学会論文集，Vol.50, No.12, pp.869-874 (2014) j-stage
[3] 梅井啓紀，岡島寛，松永信智，浅井徹：モデル誤差抑制補償器の多入出力システムに対する設計，システム制御情報学会論文誌，Vol.27, No.2, pp.67-72 (2014) j-stage
[2] 丸野裕太郎，A. T. Zengin，岡島寛，松永信智，中村憲仁：モデル誤差補償による福祉用前輪駆動型パーソナルビークルSTAVi の操縦特性の改善，JSME(C編), Vol.79, No.808, pp.4721-4733 (2013) j-stage
[1] H. Okajima, H. Umei, N. Matsunaga and T. Asai：A Design Method of Compensator to Minimize Model Error，SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Vol.6, No.4, pp.267-275 (2013) (Open access)
解説記事(関連するもの）
[2] 岡島，松永：モデルと実対象の信号差を利用した制御，システム/制御/情報，Vol.60，No.2，pp.60-65 (2016)
[1] 岡島，松永：前輪駆動型電動車椅子に対する規範モデルに基づいた操縦性能改善，設計工学，Vol.50，No.4，pp.163-168 (2015)
国際会議
[14] H. Okajima, Model Error Compensator for adding Robustness toward Existing Control, Preprints of the IFAC World Congress, pp. 3998 - 4005 (2023)
[13] R. Yoshida, Y. Tanigawa, H. Okajima and N. Matsunaga: A Design Method of Model Error Compensator using Meta-Heuristics and LMIs, Proceedings of the SICE Annual Conference 2020 pp. 1150-1155 (2020)
[12] Nobutomo Matsunaga, Naufal Bayu Fauzan, Hiroshi Okajima and Gou Koutaki, Archive Method of Stone Wall in Kumamoto Castle Lifted by Small CMG Crane using Model Error Compensator, 2019 12th Asian Control Conference , 18849231 (2019)
[11] Yuta Nakabayashi, Hiroshi Okajima, Nobutomo Matsunaga, Inter-Vehicle Distance Stabilization in Adaptive Cruise Control Using Signal Limitation Filter, Proceeding of 2018 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, pp.1985-1990 (2018)
[10] S. Sakamoto, T. Tanaka, H. Okajima and N. Matsunaga：Maneuverability evaluation of skid steer welfare vehicle for robust assistance control with model error compensator, Proceedings of ICCAS 2017 (2017)
[9] N. Matsunaga, H. Okajima and Y. Yamamoto：Robust variable stiffness control of McKibben type pneumatic artificial muscle arm by using multiple model error compensators, Proceedings of ICCAS 2017 (2017)
[8] Y. Nakabayashi, H. Okajima and N. Matsunaga：Signal limitation filter to satisfy velocity and acceleration constraints for arbitrary input signals, Proceedings of the SICE Annual Conference 2017
[7] T. Tanaka, H. Okajima and N. Matsunaga：Experiment of robust driving assistance control for skid steer welfare vehicle using model error compensator, Proceedings of ICCAS 2016 (2016) Outstanding Paper Award
[6] G. Ichimasa, K. Okumura, H. Okajima and N. Matsunaga：Extended structure of MEC for thermal process, Proceedings of the SICE Annual Conference 2016, pp.1593-1598 (2016)
[5] T.Sugano, H.Okajima and N.Matsunaga：Robust and precise platoon driving control of welfare vehicles along wheel track by using model error compensator, IECON2015, YF-001503
[4] T. Sugano, Y. Dan, H. Okajima, N. Matsunaga and Z. Hu：Indoor Platoon Driving of Electric Wheelchair with Model Error Compensator along Wheel Track of Preceding Vehicle, The 5th International Symposium on Advanced Control of Industrial Processes, 2014.5
[3] Y. Dan, H. Okajima, N. Matsunaga, Z. Hu and N. Nakamura：Experiment of Indoor Platoon Driving using Electric Wheelchair STAVi Controlled by Modeling Error Compensation System, ICT-PAMM Workshop on Mobility Assistance and Service Robotics, p26-31, 2013.11.
[2] Y. Maruno, Y. Dan, A. T. Zengin, H. Okajima and N. Matsunaga：Maneuverability Analysis of Front Drive Type Personal Vehicle STAVi using Modeling Error Compensation System, 7th IFAC Symposium on Advanced in Automative Control, 2013.9.
[1] H. Umei, H. Okajima, N. Matsunaga and T. Asai：A design method of compensator to minimize model error, SICE Annual Conference 2011, 2011.9.
