2025/09/25 更新

写真a

ササキ ヤスオ
佐々木 康雄
SASAKI Yasuo
所属
大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻 飛行・制御 助教
大学院担当
大学院工学研究科
学部担当
工学部 機械・航空宇宙工学科
職名
助教
外部リンク

研究キーワード 2

  1. 流体制御

  2. センサ・アクチュエータ位置最適化

研究分野 1

  1. ものづくり技術(機械・電気電子・化学工学) / 制御、システム工学

現在の研究課題とSDGs 1

  1. 機械学習を援用する流体場の非線形最適制御

経歴 5

  1. 名古屋大学   大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻   助教

    2024年12月 - 現在

      詳細を見る

  2. 名古屋大学   大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻   特任助教

    2023年11月 - 2024年11月

      詳細を見る

    国名:日本国

    researchmap

  3. 東北大学   大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻   特任助教

    2022年10月 - 2023年10月

      詳細を見る

    国名:日本国

    researchmap

  4. 東北大学   大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻   学振特別研究員 (DC2)

    2022年5月 - 2022年9月

      詳細を見る

    国名:日本国

    researchmap

  5. 名古屋大学   大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻   学振特別研究員 (DC2)

    2021年4月 - 2022年4月

      詳細を見る

    国名:日本国

    researchmap

学歴 2

  1. 名古屋大学   大学院工学研究科   航空宇宙工学専攻

    2019年4月 - 2022年4月

      詳細を見る

    国名: 日本国

    備考: 博士後期課程

    researchmap

  2. 名古屋大学   大学院工学研究科   航空宇宙工学専攻

    2017年4月 - 2019年3月

      詳細を見る

    国名: 日本国

    備考: 博士前期課程

    researchmap

所属学協会 3

  1. 計測自動制御学会

      詳細を見る

  2. 日本航空宇宙学会

      詳細を見る

  3. システム制御情報学会

      詳細を見る

委員歴 2

  1. 計測自動制御学会 中部支部 運営委員会   庶務幹事  

    2025年1月 - 現在   

      詳細を見る

    団体区分:学協会

    researchmap

  2. 自動制御連合講演会 実行委員会   庶務幹事  

    2024年12月 - 現在   

      詳細を見る

    団体区分:学協会

    researchmap

受賞 4

  1. 計測自動制御学会 学術奨励賞 (研究奨励賞)

    2024年3月   大規模な線形時変システムに対する特異値分解を利用した最適アクチュエータ選択ーLorenz 96モデルへの適用ー

     詳細を見る

  2. システム制御情報学会 奨励賞

    2022年5月   フルオーダ制御器を利用した流れ場のための低次元制御器設計

     詳細を見る

  3. 第64回自動制御連合講演会 優秀発表賞

    2021年11月   フルオーダ制御器を利用した流れ場のための低次元制御器設計

     詳細を見る

  4. SICE Annual Conference Young Author’s Award

    2020年9月   SICE   Design of Observers for the Flow around a Cylinder using Machine Learning Techniques

     詳細を見る

 

論文 11

  1. Enhancing reduced-order modeling using dynamic mode decomposition for two-phase flows through level set functions

    Hosaka, T; Ishii, E; Sasaki, Y; Nonomura, T

    JOURNAL OF OCEAN ENGINEERING AND MARINE ENERGY   11 巻 ( 3 ) 頁: 525 - 542   2025年8月

     詳細を見る

    出版者・発行元:Journal of Ocean Engineering and Marine Energy  

    This paper focuses on the issue of accuracy degradation when directly constructing a reduced-order model (ROM) using dynamic mode decomposition for a volume of fluid (VOF) field of two-phase flow simulations, and proposes a improved method that utilizes the signed distance function (SDF), also known as the level set function, with respect to the gas–liquid interface. The effectiveness of the proposed method was demonstrated by applying it to sloshing tank problems under two different conditions. The oscillation modes were observed to appear only near the interface when using the VOF field directly; however, the influence of the interface is alleviated over a larger distance, resulting in smoother oscillation and improved performance of the ROM when employing the level set function. The results show that ROM for a level set function in cases with small oscillation was shown to be effectively equivalent to that for one-dimensionalized interface. Moreover, the ROM of the level set function could reproduce the physics of this phenomenon with higher accuracy than that of the VOF fields in the cases where one dimensionalization is not possible, such as when the liquid inside the tank surges and climbs up to the ceiling.

    DOI: 10.1007/s40722-025-00385-x

    Web of Science

    Scopus

  2. Anomaly Detection Using Data-Driven Sparse Sensors: Combination of Modal Representation and Sensor Optimization for Sensing of Targeted Variable

    Saito, Y; Inoba, R; Sasaki, Y; Nagata, T; Yamada, K; Nonomura, T

    IEEE SENSORS LETTERS   9 巻 ( 8 )   2025年8月

     詳細を見る

    出版者・発行元:IEEE Sensors Letters  

    We propose an anomaly detection method based on modal representation and a noise-robust sparse sensor position optimization method. We focus on the detection of anomalies in global sea surface temperature field observations indicative of El Niño and La Niña phenomena. For evaluation, we compared four methods, namely, the random linear least squares estimation method, the determinant-based greedy linear least squares method, the DG with noise covariance generalized linear least squares (DG/NC-GLS) estimation, and the Bayesian DG Bayesian estimation (BDG-BE) method of which the extension is proposed in this study. The results demonstrate that the DG/NC-GLS and BDG-BE methods outperform the other methods in anomaly detection. In fact, the DG/NC-GLS and BDG-BE methods achieve high accuracy and precision of over 81% with only 20 sensors (44 219 sensor candidates) for anomaly detection in global sea surface temperature field observations.

    DOI: 10.1109/LSENS.2025.3591066

    Web of Science

    Scopus

  3. Real-time feedback control of flow velocity field using sparse processing particle image velocimetry and plasma actuators Open Access

    Nonomura, T; Abe, C; Naramura, R; Sasaki, Y

    EXPERIMENTS IN FLUIDS   66 巻 ( 7 )   2025年7月

     詳細を見る

    出版者・発行元:Experiments in Fluids  

    Visual feedback control of a flow field by a controller that operates plasma actuators with sparse processing particle image velocimetry as an observer was implemented in a wind tunnel test. The control objective was the suppression of a Kàrmàn vortex around a circular cylinder. Sum-of-absolute-values control based on an L1 optimization problem was implemented to enable real-time processing. Real-time visual feedback control at 2000 Hz was achieved with the proposed system owing to the use of sparse processing particle image velocimetry, which evaluates only a limited number of interrogation windows, and a sophisticated solver for the L1 optimization problem. The techniques adopted in the present study can accelerate the feedback control rate by a factor of 10 to 100. It was confirmed that the proposed system suppresses the Kàrmàn vortex to a certain extent. The results show that the control law using forecasts further ahead performs better.

    DOI: 10.1007/s00348-025-04039-4

    Open Access

    Web of Science

    Scopus

  4. Fast Data-Driven Greedy Sensor Selection for Ridge Regression 査読有り Open Access

    Sasaki, Y; Yamada, K; Nagata, T; Saito, Y; Nonomura, T

    IEEE SENSORS JOURNAL   25 巻 ( 6 ) 頁: 10030 - 10045   2025年3月

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:IEEE Sensors Journal  

    We propose a data-driven sensor-selection algorithm for accurate estimation of the target variables from the selected measurements. The target variables are assumed to be estimated by a ridge-regression estimator, which is trained based on the data. The proposed algorithm greedily selects sensors for minimizing the cost function of the estimator. Sensor selection that prevents overfitting of the resulting estimator can be realized by setting a positive regularization parameter. The greedy solution is computed in quite a short time by using some recurrent relations that we derive. The effectiveness of the proposed algorithm is verified for artificial datasets that are generated from linear systems and a real-wold dataset that is aimed for the selection of pressure-sensor locations for estimating the yaw angle of a ground vehicle. The demonstration for the datasets reveals that the proposed algorithm computes a sensor set, resulting in more accurate estimation than existing data-driven selection algorithms in some conditions. Furthermore, it is confirmed that setting a positive regularization parameter in the proposed algorithm leads to accurate estimation when overfitting is problematic.

    DOI: 10.1109/JSEN.2025.3537702

    Web of Science

    Scopus

    researchmap

  5. Experimental Analysis of Flow Separation Control by a Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator in Burst-in-Burst Actuation Mode Open Access

    Viguera, R; Sasaki, Y; Nonomura, T

    ACTUATORS   13 巻 ( 11 )   2024年11月

     詳細を見る

    出版者・発行元:Actuators  

    This study investigated the effectiveness of a dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuator operating in burst-in-burst (BIB) mode for flow separation control on a NACA 0015 airfoil. Time-resolved particle image velocimetry measurements were conducted at a Reynolds number of 66,000 and 13° angle of attack. Various BIB signal configurations were tested, with actuation periods of 70 ms and 150 ms, non-actuation periods ranging from 5 ms to 50 ms, and burst frequencies of 300 Hz and 600 Hz. Proper orthogonal decomposition was applied to analyze the flow field dynamics. The results showed that BIB actuation maintained flow attachment with reduced power consumption compared with continuous burst actuation. However, the effectiveness was highly sensitive to the BIB parameters, with some configurations failing to achieve consistent reattachment and becoming unstable. This study reveals complex interactions between actuation vortices and separation processes, highlighting both the potential and challenges of intermittent plasma actuation for efficient flow control.

    DOI: 10.3390/act13110435

    Open Access

    Web of Science

    Scopus

  6. Assessment of Sensor Optimization Methods Toward State Estimation in a High-Dimensional System Using Kalman Filter Open Access

    Nagata, T; Sasaki, Y; Yamada, K; Watanabe, M; Tsubakino, D; Nonomura, T

    IEEE SENSORS JOURNAL   24 巻 ( 11 ) 頁: 18012 - 18023   2024年6月

     詳細を見る

    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:IEEE Sensors Journal  

    The characteristics of the sensor selection method based on various algorithms for state estimation in a high-dimensional system using the Kalman filter were investigated. Sensors were selected based on the error covariance matrix of the Kalman filter. The performance of the sensor selection methods based on different algorithms, semidefinite programming (SDP), approximate convex relaxation, and greedy algorithm, including newly formulated methods, were compared by varying the number of potential sensor locations and the number of sensors to be selected under several noise ratio conditions. Two sensor selection methods for state estimation in a high-dimensional system using a Kalman filter were newly proposed based on the SDP with gain formulation and approximate convex relaxation, and the characteristics of the method including the previously proposed method were compared in a high-dimensional system. Although the condition was limited at n < O(10<sup>3</sup>) , the approximate convex relaxation method and its randomized method are effective in terms of computational time and objective value for a small-scale problem. The objective value obtained by the greedy method shows the best performance compared to the other methods in almost all investigated conditions. Particularly, the greedy method outperforms other methods when the number of selected sensors is small. In addition, only the greedy method can handle the large-scale problem of n> O(10<sup>4</sup>). Overall, the greedy-based method is found to be favorable in large-scale problems in terms of computation time and the performance of the obtained sensor set.

    DOI: 10.1109/JSEN.2024.3388849

    Open Access

    Web of Science

    Scopus

    researchmap

  7. Design of reduced-order controllers for fluid flows using full-order controllers and Gaussian process regression 査読有り Open Access

    Sasaki, Y; Tsubakino, D

    IFAC JOURNAL OF SYSTEMS AND CONTROL   28 巻   頁: 100261 - 100261   2024年6月

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:IFAC Journal of Systems and Control  

    We propose a method to design reduced-order output-feedback controllers for fluid flows with the use of data produced by full-order controllers. First, the full-order controller is obtained by combining an ensemble Kalman filter (EnKF) and a model predictive controller (MPC) that are designed based on the Navier–Stokes equations. The full-order controller has high computational complexity and, therefore, is not suitable for real-time implementation. Hence, we use the full-order controller in offline numerical simulations to generate data for data-driven design of the reduced-order controller with low computational complexity. We find a reduced-order subspace of a closed-loop system under the full-order control from the data. This subspace underlies the reduced-order output-feedback controller. The reduced-order state-feedback law is obtained by approximating the full-order MPC with the use of its input/output data. The reduced-order observer is designed for a reduced-order model that is derived by using the Gaussian process regression (GPR). The GPR enables us to design the reduced-order observer which can evaluate uncertainty due to state-dependent residuals of the reduced-order model. We demonstrate the proposed method for a control problem of a flow around a cylinder at the Reynolds number 100. Numerical simulations reveal that the reduced-order controller performs as almost well as the full-order controller for a set of initial states. In addition, robustness of the reduced-order controller to a temporal disturbance that is not considered in the control design is confirmed in the simulations.

    DOI: 10.1016/j.ifacsc.2024.100261

    Open Access

    Web of Science

    Scopus

    researchmap

  8. Efficient Sensor Node Selection for Observability Gramian Optimization

    Yamada, K; Sasaki, Y; Nagata, T; Nakai, K; Tsubakino, D; Nonomura, T

    SENSORS   23 巻 ( 13 )   2023年7月

     詳細を見る

    記述言語:英語   出版者・発行元:Sensors  

    Optimization approaches that determine sensitive sensor nodes in a large-scale, linear time-invariant, and discrete-time dynamical system are examined under the assumption of independent and identically distributed measurement noise. This study offers two novel selection algorithms, namely an approximate convex relaxation method with the Newton method and a gradient greedy method, and confirms the performance of the selection methods, including a convex relaxation method with semidefinite programming (SDP) and a pure greedy optimization method proposed in the previous studies. The matrix determinant of the observability Gramian was employed for the evaluations of the sensor subsets, while its gradient and Hessian were derived for the proposed methods. In the demonstration using numerical and real-world examples, the proposed approximate greedy method showed superiority in the run time when the sensor numbers were roughly the same as the dimensions of the latent system. The relaxation method with SDP is confirmed to be the most reasonable approach for a system with randomly generated matrices of higher dimensions. However, the degradation of the optimization results was also confirmed in the case of real-world datasets, while the pure greedy selection obtained the most stable optimization results.

    DOI: 10.3390/s23135961

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  9. Determinant-Based Fast Greedy Sensor Selection Algorithm Open Access

    Saito, Y; Nonomura, T; Yamada, K; Nakai, K; Nagata, T; Asai, K; Sasaki, Y; Tsubakino, D

    IEEE ACCESS   9 巻   頁: 68535 - 68551   2021年

     詳細を見る

    出版者・発行元:IEEE Access  

    In this paper, the sparse sensor placement problem for least-squares estimation is considered, and the previous novel approach of the sparse sensor selection algorithm is extended. The maximization of the determinant of the matrix which appears in pseudo-inverse matrix operations is employed as an objective function of the problem in the present extended approach. The procedure for the maximization of the determinant of the corresponding matrix is proved to be mathematically the same as that of the previously proposed QR method when the number of sensors is less than that of state variables (undersampling). On the other hand, the authors have developed a new algorithm for when the number of sensors is greater than that of state variables (oversampling). Then, a unified formulation of the two algorithms is derived, and the lower bound of the objective function given by this algorithm is shown using the monotone submodularity of the objective function. The effectiveness of the proposed algorithm on the problem using real datasets is demonstrated by comparing with the results of other algorithms. The numerical results show that the proposed algorithm improves the estimation error by approximately 10% compared with the conventional methods in the oversampling case, where the estimation error is defined as the ratio of the difference between the reconstructed data and the full observation data to the full observation. For the NOAA-SST sensor problem, which has more than ten thousand sensor candidate points, the proposed algorithm selects the sensor positions in few seconds, which required several hours with the other algorithms in the oversampling case on a 3.40 GHz computer.

    DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3076186

    Open Access

    Web of Science

    Scopus

  10. Data-Driven Vector-Measurement-Sensor Selection Based on Greedy Algorithm Open Access

    Saito, Y; Nonomura, T; Nankai, K; Yamada, K; Asai, K; Sasaki, Y; Tsubakino, D

    IEEE SENSORS LETTERS   4 巻 ( 7 )   2020年7月

     詳細を見る

    出版者・発行元:IEEE Sensors Letters  

    A vector-measurement-sensor problem for the least squares estimation is considered, by extending a previous novel approach in this letter. An extension of the vector-measurement-sensor selection of the greedy algorithm is proposed and is applied to particle-image-velocimetry data to reconstruct the full state based on the information given by sparse vector-measurement sensors.

    DOI: 10.1109/LSENS.2020.2999186

    Web of Science

    Scopus

  11. Designs of Feedback Controllers for Fluid Flows Based On Model Predictive Control and Regression Analysis 査読有り Open Access

    Sasaki, Y; Tsubakino, D

    ENERGIES   13 巻 ( 6 )   2020年3月

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Energies  

    Complexity of online computation is a drawback of model predictive control (MPC) when applied to the Navier-Stokes equations. To reduce the computational complexity, we propose a method to approximate the MPC with an explicit control law by using regression analysis. In this paper, we extracted two state-feedback control laws and two output-feedback control laws for flow around a cylinder as a benchmark. The state-feedback control laws that feed back different quantities to each other were extracted by ridge regression, and the two output-feedback control laws, whose measurement output is the surface pressure, were extracted by ridge regression and Gaussian process regression. In numerical simulations, the state-feedback control laws were able to suppress vortex shedding almost completely. While the output-feedback control laws could not suppress vortex shedding completely, they moderately improved the drag of the cylinder. Moreover, we confirmed that these control laws have some degree of robustness to the change in the Reynolds number. The computation times of the control input in all the extracted control laws were considerably shorter than that of the MPC.

    DOI: 10.3390/en13061325

    Open Access

    Web of Science

    Scopus

    researchmap

▼全件表示

MISC 1

  1. モデル予測制御と回帰分析に基づく流体場のフィードバック制御器設計

    佐々木 康雄, 椿野 大輔  

    計測と制御59 巻 ( 8 ) 頁: 546 - 551   2020年8月

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者, 最終著者, 責任著者   記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)   出版者・発行元:公益社団法人 計測自動制御学会  

    DOI: 10.11499/sicejl.59.546

    CiNii Research

    researchmap

講演・口頭発表等 15

  1. Ginzburg-Landauモデルに対する有限ホライズン最適制御則の次元削減とニューラルネットワークを利用した近似

    第12回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム  2025年3月4日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2025年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  2. 線形化Ginzburg-Landauモデルに対する線形二次Gaussian制御器の低次元化

    佐々木康雄

    日本流体力学会 年会2024  2024年9月27日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2024年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  3. Physics-Informed Neural Networksを利用したある一次元偏微分方程式の最適制御

    佐々木康雄

    第67回 理論応用力学講演会  2024年9月4日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2024年9月

    researchmap

  4. 大規模な線形時変システムの可到達集合最大化のためのアクチュエータ選択―Lorenz 96モデルへの適用―

    佐々木康雄, 永田貴之, 渡辺昌仁, 野々村拓, 伊藤純至, 椿野大輔

    計測自動制御学会 第11回 制御部門マルチシンポジウム  2024年3月18日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2024年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  5. 大規模な線形時変システムに対する特異値分解を利用した最適アクチュエータ選択―Lorenz 96モデルへの適用―

    佐々木康雄, 山田圭吾, 永田貴之, 渡辺昌仁, 野々村拓, 伊藤純至, 椿野大輔

    第66回自動制御連合講演会  2023年10月8日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2023年10月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  6. Fast Linear-regression-based Sensor Selection and its Applications

    Yasuo Sasaki, Yuji Saito, Takayuki Nagata, Keigo Yamada, Taku Nonomura

    International Council for Industrial and Applied Mathematics  2023年8月23日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2023年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  7. Heuristic Actuator Selection With the use of Data of Nonlinear Optimal Control for Fluid Flows

    Yasuo Sasaki, Taku Nonomura

    The 22nd World Congress of the International Federation of Automatic Control  2023年7月13日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2023年7月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  8. Data-Driven Controller Design and Sensor Selection for Flow Around a Circular Cylinder

    Yasuo Sasaki, Taku Nonomura

    75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics  2022年11月20日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  9. 円柱周り流れに対する動的モード分解と可制御性グラミアンを利用したアクチュエータ選択

    佐々木康雄, 山田圭吾, 野々村拓

    第65回自動制御連合講演会  2022年11月13日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年11月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  10. 円柱周り流れに対するモデル予測制御のデータを用いた制御則設計とセンサ選択最適化

    佐々木康雄, 椿野大輔, 野々村拓

    日本流体力学会 年会2022  2022年9月27日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年9月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  11. Output-Feedback Controller Design for a Detailed Model of Flow Around a Cylinder

    Yasuo Sasaki, Daisuke Tsubakino

    AIAA SCITECH 2022 Forum  2022年1月4日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2022年1月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  12. フルオーダ制御器を利用した流れ場のための低次元制御器設計

    佐々木康雄, 椿野大輔

    第64回自動制御連合講演会  2021年11月13日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2021年11月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  13. 円柱周り流れに対するアンサンブルカルマンフィルタの機械学習による近似

    佐々木康雄, 椿野大輔

    第63回自動制御連合講演会  2020年11月22日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2020年11月

    会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  14. Design of Observers for the Flow Around a Cylinder Using Machine Learning Techniques

    Yasuo Sasaki, Daisuke Tsubakino

    SICE Annual Conference 2020  2020年9月26日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2020年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

  15. 円柱周り流体流れに対する動的な制御則のシステム同定

    佐々木康雄, 椿野大輔

    第7回制御部門マルチシンポジウム  2020年3月5日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2020年3月

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    researchmap

▼全件表示

科研費 2

  1. フルオーダ制御則とデータ解析手法を活用した流体場に対する制御系設計

    研究課題/研究課題番号:23K13348  2023年4月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  若手研究

    佐々木 康雄

      詳細を見る

    担当区分:研究代表者 

    配分額:4550000円 ( 直接経費:3500000円 、 間接経費:1050000円 )

    流体場の状態は,輸送機器に加わる空気抵抗を決定づけるなど,工学的に重要である.従来手法で設計される計算コストが低く実装可能な制御系は,ダイナミクスの非線形性が強い流体場に対して高い性能を発揮することができていない.本研究ではこの問題点を解決するために,厳密な物理モデルに基づくフルオーダの最適制御則を利用する.このフルオーダ制御則は実時間での制御が困難なほど計算コストが高いが,非線形性の強い流体場に対して高い性能を持つ.この高性能なフルオーダ制御則の制御決定の情報を,データ解析手法を用いることで,計算コストの低い制御系の設計に組み込み,流体場に対する高性能かつ実装可能な制御系の設計法を確立する.
    本年度はセンサ・アクチュエータ選択手法の解析と開発を中心に行った.まず,フルオーダ制御則のデータを利用したセンサ選択に利用可能な,線形回帰のためのセンサ選択手法について解析を行い,ブロック行列の逆行列に関する補題を利用することで,高速に近似解を計算できることを示した.また,線形時変システムの可到達集合の最大化に基づくアクチュエータ選択手法を開発し,貪欲法によって得られる解の性能が保証できることを示した.非線形システムに対する微小な変化は線形時変システムによって記述される.このため,フルオーダ制御による状態遷移を参照軌道として制御を行う場合に,上記の線形時変システムに対する手法は有効な位置にアクチュエータを配置することができると期待される.
    また,データ駆動で得られる低次元基底の数値解析を行い,流体の制御でよく用いられるデータの生成方法で導かれる低次元の基底では,フルオーダ制御のもとでの状態遷移を正確に表現できないケースがあることを示した.これは,フルオーダ制御則を模擬するような低次元制御則を設計する際に,ナイーブに生成されたデータでなく,フルオーダ制御則が生成するデータを使用する方が望ましいことを示唆している.
    また,Physics Informed Neural Networks (PINNs) を利用した偏微分方程式に対する有限ホライズンの最適制御のための計算方法を開発した.本課題の制御対象である流体のダイナミクスは偏微分方程式で記述されるが,その状態方程式と随伴方程式の計算のためのコーディングがフルオーダ制御則を設計する際のボトルネックであり,フルオーダ制御則の設計が避けられる要因の一つであると考えられる.上記の最適制御の手法では,有限要素法や有限差分法などを用いた複雑なコーディングが不要であり,フルオーダ制御則の活用を促進することができると期待される.
    次々年度以降に予定していた動的モデルに基づくセンサ・アクチュエータ選択手法の研究と元々予定していなかった偏微分方程式に対する最適制御の計算手法の研究に着手したことから,低次元制御則と強化学習制御則の設計法の研究が計画よりも遅れている.しかしながら,センサ・アクチュエータ選択の研究は,静的モデルおよび動的モデルに基づく手法の開発と解析が順調に進んでおり,計画よりも進んでいる.したがって,研究全体としては大幅に遅れてはいない.
    遅れが出ている低次元制御則設計と強化学習制御則の設計の研究を集中的に進めていく.低次元制御則の設計では,線形時不変システムに対して解析を行い,フルオーダ制御則を利用して適切な基底を選択する手法を開発する.また,強化学習制御則の設計では,フルオーダ制御則で学習を補助する手法を開発する.これらの研究が計画よりも順調に進んだ場合には,流体場に対する最適制御のコーディング負荷を軽減する計算手法の開発を追加で行う.

  2. 流体場に対する機械学習と制御の融合的手法による制御則設計

    研究課題/研究課題番号:21J14180  2021年4月 - 2023年3月

    科学研究費助成事業  特別研究員奨励費

    佐々木 康雄

      詳細を見る

    担当区分:研究代表者 

    配分額:1500000円 ( 直接経費:1500000円 )

    モデル予測制御は流体場に対する有力な制御手法として認識されている。しかし、流体場に対するモデル予測制御はオンラインでの計算コストが高く、現実の制御系へと実装することはできない。この課題を解決するために、本研究では制御理論と機械学習を組み合わせることで、流体場に対する新たな制御則設計法を構築する。さらに、モデル予測制御による流体場制御の数値シミュレーションで得られるデータを利用して、環境変化に対応できるような強化学習器の設計法の構築も行う。
    流れ場の厳密なモデルに基づいて設計される制御則は高い性能を持つ傾向にある。しかし、こうした厳密な制御則はオンラインでの計算コストが高く、現実のシステムへの実装が困難である。そこで本研究では、厳密な制御則をオンラインで利用するのではなく、オフラインでのデータの生成に利用する。このデータに機械学習手法を適用することで、厳密な制御則を模倣する計算コストの低い制御則の設計する手法の構築を目指す。本年度は(1)このようにデータ駆動で近似される制御則に適したセンサ選択と(2)アクチュエータ選択に従事した。当初の計画では、強化学習制御則の設計を扱う予定であったが、この代わりにセンサ選択と関連が深いアクチュエータ選択を扱った。
    まず、(1)については、厳密な制御則によって生成された流速分布と最適制御入力を教師データとして、部分集合選択付きの線形回帰を適用することによって、厳密な制御則の低計算コストの制御則への近似とセンサ選択を同時に行う手法を提案した。加えて、上記の部分集合選択付きの線形回帰は厳密解を求めることが困難であるため、高速に準最適解を求めるアルゴリズムを開発した。
    つぎに、(2)に関して、アクチュエータ選択はセンサ選択とは異なり、線形回帰問題へと帰着することはできないため、提案したセンサ選択とは異なる手法を構築する必要があった。まず初期検討として、データ駆動で得られた線形低次元モデルの可制御性グラミアンに基づくアクチュエータ選択を行ったところ、アクチュエータで選択される位置がデータとモデリング手法に強く依存し、これらの設定が適切なければ不適切な位置のアクチュエータが選択されることがわかった。そこで、つぎに厳密な制御則のデータを使用し、アクチュエータの選択する手法を開発した。この手法は発見的ではあるが、円柱周り流れに対して適切な位置にアクチュエータを選択できることを確認した。
    令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
    令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

 

担当経験のある科目 (本学以外) 1

  1. グリーン・データ科学特別講義

    2023年 東北大学)

     詳細を見る