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講義No.06900

むだ時間が加わった「非線形システム」を制御するには

制御が難しい「非線形システム」

 制御工学は、ものを意のままに操るために、ものの動きをどう制御するかを研究する学問であり、それを数理的に行うのが、制御理論です。
 入力と出力の間に一定の規則がある「線形システム」を制御するのは比較的簡単ですが、入力と出力との関係が複雑な「非線形システム」を制御することは極めて難しく、特に入力や出力の観測値に「タイムラグ(むだ時間)」が生じる場合は、制御の難しさはさらに増します。

シミュレーションをもとに火星探査機を操作

 例えば、1997年にNASAが火星で調査を行った際、探査車はその操縦のほとんどを地球から行っていました。地球から探査機へ信号が到達し、探査機から再び地球へ信号が戻るまでには、往復で20分余りもかかるため、NASAでは送った信号(入力)で探査車がどう移動(出力)したかを確認する前に次の信号を送らなければなりません。そのため、NASAでは、探査車からの映像を元に3次元シミュレータを構成し、シミュレータ上で20分後の予測した位置を見ながら、探査車を操作したのです。
 このようにむだ時間を持つシステムを制御するには、未来の状態を予測するなど、むだ時間を考慮した制御系設計が必要になります。そのような補償がないと、システムは十分に制御できず、さらにはシステムの不安定化を生じます。

むだ時間を考慮した制御設計を

 むだ時間の影響を抑えるためには、未来の振る舞いをあらかじめ予測したり、安定性が保てるむだ時間の長さの範囲を考えて制御の仕組みを設計する必要があります。むだ時間補償の重要性は以前から認識されていましたが、むだ時間を持つ非線形システムの制御理論が活発に研究されるようになったのは、比較的最近です。その背景には、インターネットを経由したロボットアームの操作など、さまざまな遠隔操作が可能となる環境が整った結果、機械をスムーズに動かすために、信号の遅れという、むだ時間の影響を抑える必要性が高まったことがあります。

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この学問が向いているかも 制御工学、電気工学、機械工学、数理工学

東京都立大学(現・首都大学東京)※2020年4月校名変更
システムデザイン学部 機械システム工学科 教授
小口 俊樹 先生

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メッセージ

 研究を行う上では、「自分で考える力」が必要となります。
 そのためには、自分自身の考え方や価値観を持つことが大切です。その一方で、偏狭な考えにとらわれずに、広く周囲を見渡し、さまざまな知識や考え方を吸収していくことも重要です。そうした力をつけるためには、コミュニケーション能力も欠かせませんので、ぜひ、周囲のさまざまな人と積極的に交流を図ってください。それが、あなたの大学での学びを、より深いものにしてくれるはずです。

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東京都立大学(現・首都大学東京)※2020年4月校名変更に関心を持ったら

 東京都立大学(現首都大学東京)は「大都市における人間社会の理想像の追求」を使命とし、東京都が設置している公立の総合大学です。人文社会学部、法学部、経済経営学部、理学部、都市環境学部、システムデザイン学部、健康福祉学部の7学部23学科で広範な学問領域を網羅。学部、領域を越え自由に学ぶカリキュラムやインターンシップなどの特色あるプログラムや、各分野の高度な専門教育が、充実した環境の中で受けられます。

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