多入力多出力の精密位置決め装置に対するモデルとデータを融合した制御器自動設計

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半導体や液晶パネルの製造に用いられる露光装置に代表される精密位置決めステージは、ナノメートルオーダの誤差精度という厳しい性能要求から、複数のアクチュエータとセンサを用いた複雑な多入力多出力系のシステムとなっている。複数アクチュエータとセンサを用いた制御器はその分調整パラメータも多く、近年の日本の労働人口の減少という社会背景の中、それらの複雑な製造装置の制御器のパラメータ調整の負担が課題とされてきた。2021年度は、複数アクチュエータとセンサを用いた多入力多出力系の超精密位置決め制御対象に対して、外乱を抑圧し誤差を低減するフィードバック制御器の自動調整の研究に取り組んだ。多入力多出力系の制御対象は、各軸の干渉の存在からモデル化を行うことが難しいことが課題とされてきた。本研究では、制御対象の周波数応答データとスキャン動作時の誤差データから、モデル化を行わず直接データ駆動で制御器を自動調整する手法を提案した。外乱周波数に合わせたピークフィルタを複数設計するロバスト制御器設計問題を、制御性能を評価関数、安定性を制約条件として立式し、ピークフィルタの構造を保ったまま凸最適化できる定式化を行った。それにより、従来はエンジニアが手動で数日かかっていた調整過程が、提案した繰り返し凸最適化計算によりたった数分で実現されるようになった。また、従来の制御器自動設計と異なり構造化したまま制御器を最適化していることから、最適化後の制御器の物理的解釈も容易であり、工場など実際の現場でそこからさらにマニュアルでパラメータを調整することも可能であるという実用的な利点も持つ。提案した最適化手法で設計された制御器は、実際に共同研究先企業の露光装置に実装され、従来手動で設計されてきたフィードバック制御器と比較して制御性能の改善が確認された。今後、実際の製品への実用化も期待される。