現代制御論平成17年度数理工学コース 3回生向山本裕 http://www-ics.acs.i.kyoto-u.ac.jp [email protected] 今年のテーマ制御は面白いどう面白いか？      いろいろなものが自在に動かせる物理世界と数理を結ぶものが見えてくるどこまで動かせるかが理論的に分かる理論が難しいがだから面白い－難しさを克服することによって表面的な現象の奥にあるものが見えてくる古典制御理論と現代制御理論古典制御理論     Watt→Maxwell→ Black, Bode, Nyquistの系譜周波数応答による特性の静的把握と設計法 Bode線図，Nyquist線図，．．．図式解法による直観的，経験的設計法現代制御理論  この講義のテーマ古典制御理論と現代制御理論II 現代制御理論      状態の概念と微分方程式より理論的かつ数学的にエレガント数学的理論により，より普遍的制御可能かそうでないか：定性的解答可能なとき，どの程度の性能が達成できるか？  定量的解答  最適化による理論的設計法：  ２次最適化レギュレータ  H1 最適化設計法この講義の計画導入：歴史，行列微分方程式のまとめ状態空間モデルの導入  概念と例，等価（同値）なモデル可制御性と可観測性，判定条件標準形極配置問題最適レギュレータの設計制御の歴史システムとは？入力 S 出力・チャンネル，変数間の相互作用・因果的な変化・ダイナミカルシステム制御とは何か，システムとは？システムとは？    複雑な要素の相互作用する全体ダイナミカルシステム：因果的な相互作用をする；ほとんどすべてのシステムはダイナミカル因果性：過去に依存して未来が定まる制御とは？    システムの状態，挙動を希望のものに近づけるいつでも出来るのか？でなければどのようなとき，どのようにして？ Watt→Maxwell→古典制御論 Watt：遠心調速器（Centrifugal Governor） Wattの蒸気機関の問題点比例制御のため，外乱，負荷変動があるとオフセット偏差が残る欠点これを取り除くため経験的に積分補償器を導入（PI制御）しかしこれによって閉ループ系の次数が増大 → ハンティングと呼ばれる不安定現象不安定現象の解析→ Maxwell “On Governors” 古典制御理論の成立 Maxwell: On Governors, 1868  制御系の安定性判別の方法を与えた Routh-Hurwitzによる一般化, 1895 20世紀    高速トラッキングとサーボ系電気工学と定常応答遠距離通信とフィードバックアンプ  Black: feedback amplifier  古典制御理論の形成  Nyquist, Bode ー Bell研その達成と問題点周波数領域における定常応答解析（交流理論） Fourier-Laplace 変換 Wiener filtering → Wiener-Hopfの積分方程式本質的に１入出力システムの解析     多入出力システムへの対応が不可能チャンネル相互の干渉の問題隠された不安定性の問題非定常過程への対応現代制御理論の成立 R. E. Kalman (1978) photo by Y. Yamamoto 現代制御理論の成立(cont’d) 状態空間モデルと現代制御理論の成立   Kalmanフィルタリング，Trans. ASME,１９５７ On the general theory of control systems, 1st IFAC Congress, Moscow, 1960 Despite the appearance and effective resolution of many new problems, our understanding of fundamental aspects of control has remained superficial. The only basic advance so far appears to be the theory of information created by Shannon. Our ultimate objective is to answer questions of the following type: What kind and how much information is needed to achieve a desired type of control? What intrinsic properties characterize a given unalterable plant as far as control is concerned? 1. 2. 3. 4. 5. 状態空間法の定式化可制御性，可観測性の概念最適レギュレータとフィルタリング制御と観測の双対性サンプル値による離散時間制御現代制御理論の成立とロバスト制御状態空間モデル d x(t )  F (t ) x(t )  G (t )u (t ) dt y (t )  H (t ) x(t ) システム＝ ( F (t ), G(t ), H (t )) 可制御か，可観測か－構造的関心 WienerフィルタとKalmanフィルタ Wienerフィルタ：伝達関数；時不変系；積分方程式による解  非定常過程へのむなしい拡張の試み Kalmanフィルタ：状態空間モデル；状態空間モデルによる解；非定常過程  可解性条件：可制御性，可観測性試行錯誤的な古典理論での制御系設計法から数理モデルを基礎とした設計への転換 Before 1960 one could speak of control theory as a field with a clear practical relevance, scattered results, little cohesion, and with a diffuse scientific and mathematical basis. By 1970 this had completely changed. In 1970 we could speak of a discipline. --- Jan C. Willems パラダイムの転換出力を整定する－古典制御状態を制御する－制御と観測の分離－２乗評価規範による分離原理 (separation principle) デッドビート制御における成果   サンプル点間応答に対する１つの回答 Kalman-Bertramによる0次ホールド等価離散時間モデル達成されたもの多変数制御系ラプラス変換から線形代数へ Lyapunovの安定論最適制御 Pontryagin, LaSalle, 変分法 LQG問題存在と一意性：可制御性と可観測性その特徴個別性より一般論代数的性格ー図式解法よりアルゴリズム Ad hoc な設計より系統的解析と最適化モデルベース設計 Trial and Errorより構造論 ) 理論の数学化，概念化その後：ロバスト制御の成立ーシステムの不確定性への対応すべてを完全にモデル化することは不可能不確定性の上界をモデルに取り込み，その族全体を制御するーG. Zames (1980) 不確定のもののうちの最悪性能（H∞ノルム）を最小にする（min-max問題） 1980－1987：完全な解答ーMatlabによる設計ソフトウェア