閉ループパラメータ誤差駆動型適応制御系の研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350225
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 木村 英紀 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (10029514)
• 研究分担者: 牛田 俊 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助手 (30343114) ; 大石 泰章 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 講師 (80272392) ; 津村 幸治 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 助教授 (80241941)
• キーワード: モデル駆動型適応制御 / 適応制御 / 複雑システム / 運動制御 / 制御生物学 / 量子制御

研究概要

この研究の目的は、脳の運動制御から生まれたモデル駆動型適応制御とよばれる新しい適応制御の方式を制御論的に定式化し、制御系設計論として確立することである。さらに、モデル駆動型適応制御の適応制御の発展上における位置づけとそれがもつ性質を理論実証両面から明らかにすることにより、適応制御および脳の運動制御の双方の分野に対して、「複雑系」を扱うための方法論としての新たな発展をもたらすことを目指している。主に次の3つのテーマを中心に研究を行った。
(1)モデル駆動型適応制御の制御論的な定式化、および運動制御との関連
(2)複雑系の同定手法の確立とその構造解析、および学習との関連
(3)種々の複雑非線形系に対する制御論的アプローチ
(1)については小脳のモデルとして提案された「フィードバック誤差学習法」を2自由度制御系として定式化し、その構造の解析および系の収束性の証明を行った。さらに、これらの結果はフィードバックループ内にむだ時間が含まれる場合へと拡張され、高い制御性能を達成することが示され、複雑なシステムに対する制御系設計のアーキテクチュアとして、適応制御に新しい領域を切り開きつつある。(2)においては、より広い意味での複雑系に対する同定手法の確立を目指している。システムの「複雑度」の扱いを制御系設計において重要となる種々の問題として捉え、構造の解析やモデリング手法の確立において一定の成果を得た。個々の問題は、複雑系を扱う上での難しさの本質に迫る興味深いアプローチを含んでいる。(3)は、制御対象として種々の複雑系への広がりをみせた結果であり、多彩な成果を得た。具体的には、モデル駆動型適応制御を用いた非線形ロボットアームや燃料電池自動車の改質システムの制御をはじめとして、生理学・生物学への制御論的アプローチ、量子システムの制御、ネットワークシステムの制御まで多岐にわたっている。特に、「制御生物学」「量子制御」に関しては、従来の制御理論では扱ってこなかった新しい分野への道を切り開くきっかけを与える結果であり、大きな成果の一つである。
2年間の研究の進展を通じて、大規模かつ非線形性の強い複雑系を扱う場合にも「制御論的なアプローチ」が有効であることが改めて明らかになった。たとえば、人の運動制御、制御生物学を扱う際には、システムのダイナミクスの同定・構造や特性の解析・制御器設計といった従来得られている知見を土台として、理論がされており、制御論として対象を捉える考え方が重要な役割を果たしている。今後の課題としては、本研究成果で提起された種々の複雑系に対して個々の制御問題を定式化し、それらを扱うより使いやすい制御理論的な道具立てを整備することが挙げられる。

研究成果

• [文献書誌] 中山学之, 木村英紀: "脊髄伸張反射機構と小脳の計算モデルを結合した制御系によるロボットの軌道追従制御"電子情報通信学会論文誌DII. J86-D-II, 7. 1078-1089 (2003)
• [文献書誌] G.M.Luo, H.Kimura: "Recursive estimation methods for discrete systems"IEEE Transactions on Automatic Control. 48, 11. 2019-2024 (2003)
• [文献書誌] M.Yanagisawa, H.Kimura: "Recursive estimation methods for discrete systems Part I : Dynamics of Quantum Feedback Systems"IEEE Transactions on Automatic Control. 48, 12. 2107-2120 (2003)
• [文献書誌] M.Yanagisawa, H.Kimura: "Transfer function approach to quantum control Part II : Control Concepts and Applications"IEEE Transactions on Automatic Control. 48, 12. 2121-2132 (2003)
• [文献書誌] Y.Oishi, H.Kimura: "Computational Complexity of Randomized Algorithms for Solving Parameter-dependent Linear Matrix Inequality"Automatica. 39. 2149-2156 (2003)
• [文献書誌] 丹下吉雄, 津村幸治: "制御性能を改善する制御器の時変要素に関する考察"計測自動制御学会論文集. 40, 1. 54-61 (2004)
• [文献書誌] 山本直樹, 津村幸治, 原辰次: "量子力学的システムの制御ダイナミクスモデル"計測自動制御学会論文集. 40, 2. 231-240 (2004)