制御 せいぎょ 理論 りろん (せいぎょりろん、英 えい :control theory)とは、制御 せいぎょ 工学 こうがく の一 いち 分野 ぶんや で、数理 すうり モデル を対象 たいしょう とした、主 おも に数学 すうがく を用 もち いた制御 せいぎょ に関係 かんけい する理論 りろん である[ 1] 。いずれの理論 りろん も「モデル表現 ひょうげん 方法 ほうほう 」「解析 かいせき 手法 しゅほう 」「制御 せいぎょ 系 けい 設計 せっけい 手法 しゅほう 」を与 あた える。
古典 こてん 制御 せいぎょ 論 ろん は、伝達 でんたつ 関数 かんすう と呼 よ ばれる線型 せんけい の単 たん 入出力 にゅうしゅつりょく システムとして表 あらわ された制御 せいぎょ 対象 たいしょう を中心 ちゅうしん に、周波数 しゅうはすう 応答 おうとう などを評価 ひょうか して望 のぞ みの挙動 きょどう を達成 たっせい する理論 りろん である。1950年代 ねんだい に体系 たいけい 化 か された。代表 だいひょう 的 てき な成果 せいか 物 ぶつ と言 い えるPID制御 せいぎょ は、現在 げんざい でも産業 さんぎょう では主力 しゅりょく である(化学 かがく プラント等 とう 、伝達 でんたつ 関数 かんすう が複雑 ふくざつ な生産 せいさん 設備 せつび の制御 せいぎょ に用 もち いられる)[ 2] [ 3] 。
PID制御 せいぎょ は、制御 せいぎょ 工学 こうがく におけるフィードバック制御 せいぎょ の一種 いっしゅ であり、
入力 にゅうりょく 値 ち の制御 せいぎょ を出力 しゅつりょく 値 ち と目標 もくひょう 値 ち との偏差 へんさ 、その積分 せきぶん 、および微分 びぶん の3つの要素 ようそ によって行 おこな う方法 ほうほう のことである。
現代 げんだい 制御 せいぎょ 論 ろん は、状態 じょうたい 方程式 ほうていしき と呼 よ ばれる一 いち 階 かい の常微分 じょうびぶん 方程式 ほうていしき として表現 ひょうげん された制御 せいぎょ 対象 たいしょう に対 たい して、力学 りきがく 系 けい を初 はじ めとする種々 しゅじゅ の数学 すうがく 的 てき な成果 せいか を応用 おうよう して、フィードバック系 けい の安定 あんてい 性 せい 、時間 じかん 応答 おうとう や周波数 しゅうはすう 応答 おうとう などを評価 ひょうか して望 のぞ みの挙動 きょどう を達成 たっせい することを目的 もくてき とする理論 りろん である[ 4] 。状態 じょうたい 方程式 ほうていしき の未知 みち 変数 へんすう (状態 じょうたい 変数 へんすう と呼 よ ぶ)にベクトルを選 えら ぶことができるため、多 た 入出力 にゅうしゅつりょく 系 けい の表現 ひょうげん が容易 ようい となり、複雑 ふくざつ な系 けい に対 たい して多 おお くの成果 せいか が得 え られるようになった。
1960年代 ねんだい に最適 さいてき 出力 しゅつりょく フィードバックが、1970年代 ねんだい には観測 かんそく 器 き と最適 さいてき レギュレータを組 く み合 あ わせたものが、さかんに研究 けんきゅう された。可 か 制御 せいぎょ 性 せい ・可 か 観測 かんそく 性 せい 、最適 さいてき レギュレータなどが代表 だいひょう 的 てき な成果 せいか 物 ぶつ と言 い えよう。
線型 せんけい システム論 ろん は、線型 せんけい の常微分 じょうびぶん 方程式 ほうていしき で表 あらわ された状態 じょうたい 方程式 ほうていしき を対象 たいしょう とした制御 せいぎょ 理論 りろん である[ 5] 。状態 じょうたい 方程式 ほうていしき が行列 ぎょうれつ を用 もち いて表現 ひょうげん できることから、行列 ぎょうれつ 代数 だいすう や線型 せんけい 力学 りきがく 系 けい の多 おお くの知見 ちけん が適用 てきよう され、現代 げんだい 制御 せいぎょ 論 ろん の多 おお くの主要 しゅよう な結果 けっか が得 え られた。そのため、現代 げんだい 制御 せいぎょ 論 ろん と言 い えば、通常 つうじょう 線型 せんけい システム論 ろん を指 さ す。非 ひ 線型 せんけい システムであっても、平衡 へいこう 点 てん 近傍 きんぼう で線型 せんけい 近似 きんじ したものを対象 たいしょう に制御 せいぎょ 系 けい を設計 せっけい することで問題 もんだい が解決 かいけつ することが多 おお く、応用 おうよう 範囲 はんい は非常 ひじょう に広 ひろ い。
システム同定 どうてい は、現 げん に制御 せいぎょ 対象 たいしょう となる系 けい の測定 そくてい データを元 もと に、主 おも に統計 とうけい 的 てき 手法 しゅほう を用 もち いて系 けい の挙動 きょどう を代表 だいひょう する数理 すうり モデルを同定 どうてい することである[ 6] 。理論 りろん と現実 げんじつ を結 むす び付 つ ける過程 かてい であり、特 とく に状態 じょうたい 方程式 ほうていしき に基 もと づいて制御 せいぎょ 系 けい の解析 かいせき や構築 こうちく を行 おこな う現代 げんだい 制御 せいぎょ 論 ろん においてはこれを正確 せいかく に行 おこな うことが重要 じゅうよう である。古典 こてん 制御 せいぎょ 論 ろん においては、周波数 しゅうはすう 応答 おうとう (様々 さまざま な周波数 しゅうはすう の入力 にゅうりょく を与 あた えたときの出力 しゅつりょく の振幅 しんぷく や位相 いそう )を得 え ることに相当 そうとう する。物理 ぶつり モデルや入出力 にゅうしゅつりょく 応答 おうとう などから予 よ め系 けい の構造 こうぞう (例 たと えば状態 じょうたい 方程式 ほうていしき の次数 じすう )がわかっている場合 ばあい は、パラメトリックモデルに基 もと づくシステム同定 どうてい が行 おこな われる。既知 きち の入力 にゅうりょく 信号 しんごう と出力 しゅつりょく の時 とき 系列 けいれつ データを元 もと に回帰 かいき 問題 もんだい を解 と くことによりパラメータを決定 けってい する。既知 きち の入力 にゅうりょく 信号 しんごう としては、広 ひろ いスペクトル 幅 はば を持 も つM系列 けいれつ などの擬似 ぎじ 乱数 らんすう が用 もち いられることが多 おお い。系 けい に非 ひ 線型 せんけい 性 せい が含 ふく まれていても、その関数 かんすう 形 がた がわかっていれば同様 どうよう の手法 しゅほう で同定 どうてい できる場合 ばあい がある。系 けい の構造 こうぞう が予測 よそく できない場合 ばあい はノンパラメトリックモデルに基 もと づくシステム同定 どうてい が行 おこな われるが、処理 しょり すべきデータ量 りょう が大 おお きくなる。
最適 さいてき 制御 せいぎょ 論 ろん は、評価 ひょうか 指標 しひょう を与 あた え、それを最小 さいしょう 化 か (または最大 さいだい 化 か )することで、最適 さいてき な制御 せいぎょ 系 けい を与 あた えることを目的 もくてき とした理論 りろん である[ 7] [ 8] [ 9] 。1960年代 ねんだい に最適 さいてき 出力 しゅつりょく フィードバックに関 かん する研究 けんきゅう がさかんに行 おこな われたが、最 もっと も代表 だいひょう 的 てき なのは2次 じ 形式 けいしき の評価 ひょうか 関数 かんすう
J
=
∫
0
∞
(
x
T
Q
x
+
u
T
R
u
)
d
t
{\displaystyle J=\int _{0}^{\infty }\left(x^{T}Qx+u^{T}Ru\right)dt}
を最小 さいしょう 化 か にする状態 じょうたい フィードバック入力 にゅうりょく を求 もと めるもので、最適 さいてき レギュレータ (Optimal Regulator) と呼 よ ばれる。その解 かい は代数 だいすう 的 てき リッカチ方程式 ほうていしき (Algebraic Riccati Equation[ 10] )
A
T
P
+
P
A
−
P
B
R
−
1
B
T
P
+
Q
=
0
{\displaystyle A^{T}P+PA-PBR^{-1}B^{T}P+Q=0}
の正 せい 定 てい 対称 たいしょう 解 かい
P
{\displaystyle P}
を元 もと に、
u
=
−
R
−
1
B
T
P
x
{\displaystyle u=-R^{-1}B^{T}Px}
で与 あた えられる。
線型 せんけい システムを対象 たいしょう とした現代 げんだい 制御 せいぎょ 論 ろん は1980年 ねん 頃 ごろ に完成 かんせい した。その後 ご 、研究 けんきゅう の主流 しゅりゅう は、モデル化 か 誤差 ごさ に対 たい して有効 ゆうこう な制御 せいぎょ 系 けい 設計 せっけい の問題 もんだい (ロバスト制御 せいぎょ 問題 もんだい [ 11] [ 12] )に移行 いこう した。その中 なか でもH∞ 制御 せいぎょ 理論 りろん が最 もっと も実用 じつよう 化 か が進 すす んでいると言 い える。
H∞ 制御 せいぎょ 理論 りろん は、外乱 がいらん 信号 しんごう の影響 えいきょう を抑制 よくせい する制御 せいぎょ 系 けい を構築 こうちく するための理論 りろん である[ 13] 。外乱 がいらん 抑制 よくせい 性能 せいのう を H∞ ノルムによって評価 ひょうか することからこう呼 よ ばれている。制御 せいぎょ 対象 たいしょう の不 ふ 確定 かくてい な部分 ぶぶん を外乱 がいらん 信号 しんごう として扱 あつか うことで、モデルの不確 ふたし かさの影響 えいきょう を抑制 よくせい する制御 せいぎょ 系 けい となる。このように、想定 そうてい していたモデル(ノミナルモデルと呼 よ ぶ)からの誤差 ごさ に対 たい しても有効 ゆうこう な(安定 あんてい 性 せい を失 うしな わない) 性質 せいしつ を『ロバスト性 せい 』(堅牢 けんろう 性 せい 、安定 あんてい 性 せい の意 い )と呼 よ ぶ。
H∞ 制御 せいぎょ 理論 りろん では、連続 れんぞく 時間 じかん で動作 どうさ する制御 せいぎょ 器 き の設計 せっけい が前提 ぜんてい であった。しかし、計算 けいさん 機 き を用 もち いて制御 せいぎょ 器 き が実装 じっそう されることが今日 きょう の主流 しゅりゅう であることを考 かんが えると、制御 せいぎょ 器 き の構成 こうせい は、離散 りさん 時間 じかん コントローラをAD/DA変換 へんかん 器 き によって連続 れんぞく 時間 じかん プラントに接続 せつぞく した形 かたち のものとならざるを得 え ない。このようなシステムはもはや時 どき 不変 ふへん システム ではなく周期 しゅうき 時 じ 変 へん システムであり、H∞制御 せいぎょ 理論 りろん の成果 せいか をそのまま応用 おうよう することが出来 でき なくなる。そこで、リフティングという操作 そうさ により、無限 むげん 次元 じげん の離散 りさん 時間 じかん 線型 せんけい システムを取 と り扱 あつか うことに帰着 きちゃく される。
漸近 ぜんきん 安定 あんてい 性 せい を持 も つシステムは、通常 つうじょう 、有限 ゆうげん 時間 じかん 内 ない では誤差 ごさ が厳密 げんみつ には零 れい になることは理論 りろん 上 じょう 保証 ほしょう されない。そこで、所望 しょもう の時間 じかん 内 ない で制御 せいぎょ 誤差 ごさ を厳密 げんみつ にゼロにする制御 せいぎょ が有限 ゆうげん 時間 じかん 整 せい 定 てい 制御 せいぎょ (deadbeat control) である[ 16] 。近年 きんねん はロバスト性 せい についての研究 けんきゅう も行 おこな われている。
非 ひ 線型 せんけい システム論 ろん は、線型 せんけい システムでないシステム、主 しゅ として非 ひ 線型 せんけい の状態 じょうたい 方程式 ほうていしき を対象 たいしょう とした理論 りろん である[ 17] 。その対象 たいしょう は実 じつ に多岐 たき に渡 わた るが、その中 なか でも状態 じょうたい 方程式 ほうていしき が滑 なめ らか(無限 むげん 回 かい 微分 びぶん 可能 かのう )であるものについて集中 しゅうちゅう 的 てき に研究 けんきゅう され、微分 びぶん 幾何 きか 学 がく の概念 がいねん を応用 おうよう して、線型 せんけい システム論 ろん の概念 がいねん の拡張 かくちょう を初 はじ め、多 おお くの成果 せいか が出 で 始 はじ めている。
適応 てきおう 制御 せいぎょ (Adaptive Control)[ 編集 へんしゅう ]
適応 てきおう 制御 せいぎょ は、パラメータ(の一部 いちぶ )が未知 みち である制御 せいぎょ 対象 たいしょう に対 たい して、系 けい を安定 あんてい 化 か しつつパラメータを推定 すいてい する制御 せいぎょ 方法 ほうほう である[ 18] [ 19] [ 20] 。パラメータが変動 へんどう するようなシステムで高 たか い制御 せいぎょ 性能 せいのう を発揮 はっき することを目指 めざ している。制御 せいぎょ 系 けい 設計 せっけい の段階 だんかい でシステム同定 どうてい をする必要 ひつよう がない。
離散 りさん 事象 じしょう システムは、系 けい の内部 ないぶ 状態 じょうたい に対 たい する事象 じしょう が離散 りさん 的 てき に生起 せいき することで状態 じょうたい 遷移 せんい が起 お こるシステムの総称 そうしょう である[ 21] [ 22] 。オートマトン や形式 けいしき 言語 げんご を用 もち いることで制御 せいぎょ パターンを与 あた える制御 せいぎょ 器 き を持 も つスーパバイザ制御 せいぎょ や、ペトリネット を用 もち いたモデルが存在 そんざい する。しばしば離散 りさん 時間 じかん システムと混同 こんどう されるが、全 まった く異 こと なる概念 がいねん であることに注意 ちゅうい が必要 ひつよう である。
ハイブリッドシステム論 ろん は、連続 れんぞく 時間 じかん 動的 どうてき システムと離散 りさん 事象 じしょう を組 く み合 あ わせたハイブリッドシステム を対象 たいしょう とする制御 せいぎょ 理論 りろん である。1990年代 ねんだい 後半 こうはん から研究 けんきゅう され始 はじ めるようになり、現在 げんざい もさかんに研究 けんきゅう されている。当初 とうしょ は、ウェルポーズドネスや可 か 制御 せいぎょ 構造 こうぞう などの解析 かいせき に注力 ちゅうりょく されていたが、クラスを限定 げんてい した安定 あんてい 化 か 問題 もんだい も出現 しゅつげん し始 はじ めている。また、離散 りさん 事象 じしょう のみで構成 こうせい されるシーケンス制御 せいぎょ をハイブリッドシステムの枠組 わくぐ みで捉 とら える試 こころ みが注目 ちゅうもく され始 はじ めている。
ハイブリッドシステム (Hybrid System)
連続 れんぞく 時間 じかん 動的 どうてき システムと離散 りさん 事象 じしょう を組 く み合 あ わせたシステム 。不連続 ふれんぞく な状態 じょうたい 変化 へんか を伴 ともな う現象 げんしょう も扱 あつか うことができ、制御 せいぎょ 理論 りろん の中 なか で適用 てきよう 対象 たいしょう の最 もっと も広 ひろ いシステムであると言 い える。
ウェルポーズドネス (Well-posedness)
解 かい の存在 そんざい 性 せい と唯 ただ 一 いち 性 せい 。常微分 じょうびぶん 方程式 ほうていしき によって表 あらわ される現代 げんだい 制御 せいぎょ 論 ろん の場合 ばあい よりも議論 ぎろん は遥 はる かに複雑 ふくざつ となる。
知的 ちてき 制御 せいぎょ (Intelligent Control)[ 編集 へんしゅう ]
知的 ちてき 制御 せいぎょ とは、ニューラルネットワーク 、ファジィ論理 ろんり 、学習 がくしゅう 、遺伝 いでん 的 てき アルゴリズム など、ソフトウェアアルゴリズムを使用 しよう した情報 じょうほう 工学 こうがく を発祥 はっしょう とした制御 せいぎょ 手法 しゅほう である[ 23] [ 24] 。他 た の制御 せいぎょ 理論 りろん との最 もっと も大 おお きな考 かんが え方 かた の違 ちが いは、制御 せいぎょ モデルやコントローラを構築 こうちく する際 さい に、物理 ぶつり 的 てき 性質 せいしつ に基 もと づく情報 じょうほう を必要 ひつよう としないところにあると言 い える。学習 がくしゅう や遺伝 いでん 的 てき アルゴリズム は、汎用 はんよう 性 せい の高 たか い最適 さいてき 化 か の手段 しゅだん を与 あた える。
ファジィ制御 せいぎょ は、ファジィ集合 しゅうごう (Fuzzy Set)を制御 せいぎょ モデルや制御 せいぎょ 系 けい で使用 しよう する方法 ほうほう である[ 25] [ 26] [ 27] 。言語 げんご で表現 ひょうげん された論理 ろんり (ファジィ論理 ろんり )によって対象 たいしょう となるモデルや制御 せいぎょ 系 けい を組 く み立 た てて行 い くためにコンピュータプログラム との親和 しんわ 性 せい が高 たか い。また、自然 しぜん 言語 げんご を利用 りよう できるため、熟練 じゅくれん 者 しゃ の知識 ちしき や経験 けいけん を活 い かした制御 せいぎょ システムの再現 さいげん に適 てき している。[要 よう 出典 しゅってん ]
ニューラルネットワーク制御 せいぎょ は、システムの入出力 にゅうしゅつりょく 信号 しんごう をもとにしてニューラルネット によって非 ひ 線型 せんけい な入出力 にゅうしゅつりょく 関係 かんけい を再現 さいげん し、それを制御 せいぎょ 対象 たいしょう とする制御 せいぎょ 手法 しゅほう である[ 28] 。
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全般 ぜんぱん タイプ コンセプト 理論 りろん 分野 ぶんや 分野 ぶんや 人物 じんぶつ 応用 おうよう
分野 ぶんや 系 けい 特性 とくせい デジタル制御 せいぎょ 先進 せんしん 技術 ぎじゅつ 制御 せいぎょ 器 き 制御 せいぎょ 応用 おうよう
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