2026/08/14 更新

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ハラ　シンジ
原　辰次
HARA SHINJI
所属
総合研究院 スーパーコンピューティング研究センター 研究員
職名
研究員
外部リンク

研究キーワード

  • 環境制御

  • システムバイオロジー

  • グローカル制御

  • 制御系統合化設計

  • ロバスト制御

  • システム制御理論とその応用

研究分野

  • ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 制御、システム工学

学歴

  • 東京工業大学大学院理工学研究科修士課程 修了

    - 1976年3月

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  • 東京工業大学工学部制御工学科 卒業

    - 1974年3月

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  • 広島学院高等学校 卒業

    - 1970年3月

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  • 東京工業大学工学博士

    1981年9月

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経歴

  • 東京大学大学院   情報理工学研究科   副研究科長

    2012年4月 - 2013年3月

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  • 東京大学   工学部 計数工学科   教授

    2002年4月 - 2017年3月

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  • 東京大学大学院   情報理工学系研究科 システム情報学専攻   教授

    2001年4月 - 2017年3月

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  • 東京工業大学   学術国際情報センター   副センター長（情報担当）

    2001年4月 - 2002年3月

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  • The University of California, Berkeley   Department of Mechanical Engineering   Springer Professor

    2001年3月

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    国名：アメリカ合衆国

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  • 東京工業大学   情報理工学研究科 情報環境学専攻   教授

    2000年4月 - 2002年3月

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  • 東京工業大学   総合情報処理センター   副センター長

    1997年4月 - 2001年3月

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  • 東京工業大学   総合理工学研究科 知能システム科学専攻   教授

    1996年5月 - 2000年3月

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  • 東京工業大学   総合理工学研究科 システム科学専攻   教授

    1992年9月 - 1996年4月

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  • University of Waterloo, Ontario, CANADA   Visiting Researcher

    1988年9月 - 1989年8月

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    国名：カナダ

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  • 東京工業大学   工学部 制御工学科   助教授

    1984年4月 - 1992年8月

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  • 長岡技術科学大学   機械系   助手

    1980年4月 - 1984年3月

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  • 日本電信電話公社   電気通信研究所)   研究員

    1976年4月 - 1980年3月

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所属学協会

委員歴

  • International Federation of Automatic Control   Council Member  

    2011年 - 2017年   

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    団体区分：学協会

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  • 計測自動制御学会   会長  

    2009年2月 - 2010年2月   

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    団体区分：学協会

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  • IEEE Control Systems Society：   Vice-President  

    2009年1月 - 2010年12月   

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    団体区分：学協会

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  • 日本学術会議   連携会員  

    2008年10月 - 2020年9月   

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  • 計測自動制御学会   副会長  

    2008年2月 - 2009年2月   

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    団体区分：学協会

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  • 横断型基幹科学技術研究団体連合   会誌 編集委員長  

    2007年 - 2009年   

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    団体区分：学協会

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  • 日本シミュレーション学会   編集委員会委員長  

    1997年6月 - 2000年6月   

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    団体区分：学協会

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論文

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書籍等出版物

  • 次世代電力システム設計論 : 再生可能エネルギーを活かす予測と制御の調和

    井村, 順一, 原, 辰次

    オーム社  2019年11月  （ ISBN:9784274507533 ）

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    総ページ数：x, 423p   記述言語：日本語  

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  • 太陽光発電のスマート基幹電源化 : IoT/AIによるスマートアグリゲーションがもたらす未来の電力システム

    井村, 順一, 原, 辰次（ 担当： 共編者(共編著者)）

    日刊工業新聞社  2019年3月  （ ISBN:9784526079559 ）

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    総ページ数：230p   記述言語：日本語  

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  • 水大循環と暮らし―21世紀の水環境を創る

    所 眞理雄, 高橋 桂子（ 担当： 分担執筆 範囲: 第6章「21世紀の水環境の構築：制御の観点から」）

    丸善プラネット  2016年4月  （ ISBN:4863452802 ）

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    総ページ数：228   記述言語：日本語  

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    ASIN

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  • Perspectives in Mathematical System Theory, Control, and Signal Processing: A Festschrift in Honor of Yutaka Yamamoto on the Occasion of his 60th Birthday (Lecture Notes in Control and Information Sciences)

    （ 担当： 共編者(共編著者)）

    Springer  2010年2月  （ ISBN:9783540939177 ）

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    総ページ数：416   記述言語：英語  

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    ASIN

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  • ビデオライブラリー：サンプル値制御理論とその応用

    山本 裕, 原 辰次, 藤岡 久也

    システム制御情報学会  2001年 

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  • ミンスクのにわとり : やわらかな発想を養う100問

    Chernyak, Yuri B., Rose, Robert M.著, 原, 辰次, 岩崎, 徹也 訳（ 担当： 共訳）

    翔泳社  1996年6月  （ ISBN:4881353799 ）

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    総ページ数：xvi, 206p   記述言語：日本語  

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  • 繰返し制御

    中野, 道雄, 井上, 悳, 山本, 裕, 原, 辰次（ 担当： 共著）

    計測自動制御学会  1989年12月  （ ISBN:4339083429 ）

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    総ページ数：2, 146p   記述言語：日本語  

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  • 基礎ディジタル制御

    美多, 勉, 原, 辰次, 近藤, 良（ 担当： 共著）

    コロナ社  1988年1月  （ ISBN:4339001325 ）

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    総ページ数：vi, 205p   記述言語：日本語  

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  • メカニカルシステム制御

    古田, 勝久, 川路, 茂保, 美多, 勉, 原, 辰次（ 担当： 共著）

    オーム社  1984年3月  （ ISBN:4274085511 ）

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    総ページ数：viii, 226p   記述言語：日本語  

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MISC

  • 「わ」のコンセプトに基づく新しいシステム理論構築に向けて 招待 査読

    原 辰次

    計測と制御   57 ( 2 )   73 - 78   2018年2月

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    担当区分：筆頭著者   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）  

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  • 「わ」で拓くシステム制御の新展開 招待 査読

    淺間 一, 石井 秀明, 原 辰次

    計測と制御   57 ( 2 )   69 - 72   2018年

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    担当区分：最終著者   記述言語：日本語   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）   出版者・発行元：公益社団法人 計測自動制御学会  

    DOI： 10.11499/sicejl.57.69

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  • 社会的課題解決に向けた「知の統合」推進の「場」の構築 招待 査読

    原 辰次

    学術の動向   22 ( 12 )   12_18 - 12_22   2017年12月

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    担当区分：筆頭著者   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（その他）  

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  • Glocal (global/local) control synthesis for hierarchical networked systems 査読

    Shinji Hara, Jun-ichi Imura, Koji Tsumura, Takayuki Ishizaki, Tomonori Sadamoto

    2015 IEEE Conference on Control Applications (CCA)   2015年9月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究発表ペーパー・要旨（国際会議）   出版者・発行元：IEEE  

    DOI： 10.1109/cca.2015.7320618

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  • IFAC2011にみる制御理論・制御技術の新動向と日本の取り組み

    杉江俊治, 足立修一, 石井秀明, 平田光男, 滑川徹, 原辰次, 佐野昭

    自動制御連合講演会(CD-ROM)   54th ( 0 )   473 - 473   2011年

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：自動制御連合講演会  

    前半では、「IFAC2011にみる制御の新動向」と題し、今年イタリア・ミラノで開催されたIFAC世界大会から、制御系設計、モデリングとシステム同定、マルチエージェント・ネットワークと制御、メカトロニクス・ロボット制御、スマートグリッド・エネルギーの５分野についての新傾向を概説する。後半では、IFAC世界大会2020の日本招致に向けたコンセプトやビジョンに関してパネル討論を行う。

    DOI： 10.11511/jacc.54.0.473.0

    J-GLOBAL

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  • 制御におけるモデル・モデリングの新たな展開

    原 辰次

    計測と制御 = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   49 ( 7 )   411 - 414   2010年7月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：計測自動制御学会  

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  • SICE Anytime Everywhere の実現に向けて

    原 辰次

    計測と制御 = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   49 ( 1 )   1 - 1   2010年1月

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    記述言語：日本語  

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  • 会長就任にあたって : SICE Anytime Everywhere : いつでもどこでもSICE

    原 辰次

    計測と制御 = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   48 ( 4 )   297 - 297   2009年4月

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    記述言語：日本語  

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  • 制御の原理と先端科学技術 : ミニ特集を企画して

    原 辰次

    計測と制御 = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   46 ( 3 )   157 - 162   2007年3月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：計測自動制御学会  

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  • 一般化KYP 補題に基づくPID 制御器の設計 招待 査読

    原 辰次, 岩崎徹也

    システム制御情報学会誌   50 ( 12 )   2006年12月

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    担当区分：筆頭著者   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）  

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  • 限定記号消去法に基づくロバスト制御系設計ツール

    穴井 宏和, 原 辰次

    シミュレーション   25 ( 1 )   53 - 61   2006年3月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：日本シミュレーション学会  

    For multi-objective design and robust control synthesis problems, several methods based on Quantifier Elimination (QE) have been proposed. QE based methods are really suitable for such problems but, in general, they have a drawback on computational complexity. In this paper, we propose an efficient symbolic method for parameter space approach based on sign definite condition (SDC) by a special quantifier elimination method using Sturm-Habicht sequence. Then we examine its feasibility, in particular, for multi-objective control using low degree fixedstructure controller by showing the several experimental results. Moreover, we provide our new MATLAB toolbox for robust parametric control design based on the QE-based method.

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  • 制御とシステムインテグレーション

    原 辰次

    44 ( 11 )   793 - 797   2005年11月

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    担当区分：筆頭著者   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）  

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  • 数式処理によるロバスト制御系設計 招待 査読

    穴井 宏和, 原 辰次

    計測と制御   44 ( 8 )   552 - 557   2005年8月

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    担当区分：最終著者   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）  

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  • 有周波数KYP補題とその動的システム設計への応用 招待 査読

    原 辰次

    計測と制御   44 ( 8 )   534 - 539   2005年8月

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    担当区分：筆頭著者   掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）  

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  • 論文特集「通信と制御」 : サイバネティックス誕生から半世紀を経て

    原 辰次

    シミュレーション   24 ( 2 )   93 - 93   2005年6月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：日本シミュレーション学会  

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  • 固有値に着目した2モード区分的線形システムの安定解析

    岩谷 靖, 原 辰次

    計測自動制御学会論文集 = Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers   39 ( 11 )   1048 - 1053   2003年11月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：計測自動制御学会  

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  • A Parameter Space Approach for Fixed-order robust controller synthesis by symbolic computation (Computer Algebra--Algorithms, Implementations and Applications 研究集会報告集)

    穴井 宏和, 原 辰次

    数理解析研究所講究録   1295   150 - 160   2002年11月

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    記述言語：英語   出版者・発行元：京都大学  

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    その他リンク： http://hdl.handle.net/2433/42614

  • 第2回制御部門大会

    原 辰次

    計測と制御 = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   41 ( 10 )   761 - 761   2002年10月

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    記述言語：日本語  

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  • 449 スマート構造における圧電アクチュエータの形状設計 : 数値最適化と正実性評価によるアプローチ(OS15-1 流体と構造,材料の最適化(1))(OS15 最適化の理論と応用 : II.流体と構造の最適化)

    梶原 逸朗, 原 辰次, 上原 学, 山内 浩和

    計算力学講演会講演論文集   2001 ( 14 )   501 - 502   2001年11月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：一般社団法人日本機械学会  

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  • 特集に当たって : シミュレーションへの期待(<特集>シミュレーションが創る21世紀の技術)

    原 辰次

    シミュレーション   19 ( 4 )   236 - 237   2000年12月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：日本シミュレーション学会  

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  • 新しい数式処理アルゴリズムQEを用いたロバスト制御系設計

    穴井 宏和, 原 辰次

    システム/制御/情報 : システム制御情報学会誌 = Systems, control and information   44 ( 6 )   307 - 311   2000年6月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：システム制御情報学会  

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  • 基盤技術としてのシミュレーション

    原 辰次

    シミュレーション   17 ( 1 )   1 - 1   1998年3月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：日本シミュレーション学会  

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  • 半正定値計画法(SDP) : SDPによる数値最適化

    原 辰次

    シミュレーション   15 ( 4 )   258 - 264   1996年12月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：日本シミュレーション学会  

    This article is an introduction to the Semidefinite Program (SDP) : minimization of a linear function of variables subject to LMI (Linear Matrix Inequality) constraints. The SDP is a convex optimization problem which contains the Linear Program (LP) and Quadratic Program (QP) as the special cases. We show that many mathematical and engineering problems such as control can be reformulated as SDPs.

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  • ディジタルロバスト制御系の設計

    原 辰次

    シミュレーション・テクノロジー・コンファレンス発表論文集   1995   15 - 18   1995年6月

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    記述言語：日本語  

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  • 繰返し制御系の内部モデル原理と安定化可能性

    山本 裕, 原 辰次

    計測自動制御学会論文集   22 ( 8 )   p830 - 834   1986年8月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：計測自動制御学会  

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  • パラメータ変動を含む線形多変数系に対するシステムタイプ理論とその応用

    原 辰次

    長岡技術科学大学研究報告   3   29 - 36   1982年2月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：長岡技術科学大学  

    A theory on the type of liner multivariable systems with parameter perturbation is developed in the sense of genericity. Methods of determining the system type of a given plant are obtained. A necessary and sufficient condition for the existence of a pre-compensator such that the composite system of the given plant and the pre-compensator is observable and is of a desired system type generically is derived. A synthesis alogorithm for the pre-compensators of minimal-order is presented. The practical example of an evaporator system is demonstrated to show the effect of these results.

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    その他リンク： http://hdl.handle.net/10649/306

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講演・口頭発表等

  • <Plenary Talk> Toward Glocal Control : A Unified Approach to Decentralized Cooperative Control for Networked Large Scale Dynamical Systems 招待

    Shinji Hara

    ICCAS2010  2010年 

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  • <Semi-plenary Talk> Plant/controller design integration 招待

    Shinji Hara

    Advanced Control of Industrial Processes  2008年 

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  • <Tutorial Seminar> Multi-objective Robust Synthesis based on Generalized KYP Lemma 招待

    Shinji Hara

    SICE Annual Conference  2007年 

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  • <Semi-plenary Lecture> When is a linear system easy or difficult to control in practice? 招待

    Shinji Hara

    17th International Symposium on Mathematical Theory of Networks and Systems  2006年 

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  • <Semi-Plenary Lecture> Glocal (Global/Local) Control: Theoretical Challenges to Practice 招待

    Shinji Hara

    The 59th IEEE Conference on Decision and Control (CDC2020)  2020年12月 

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  • Glocal<Special Talk> Glocal (Global/Local) Control - Control Perspective on IoT towards Smart Cities- 招待

    Shinji Hara

    The 10th International Conference on Information and Communication Technology for Embedded Systems  2019年 

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  • <Plenary Talk> Hierarchically Decentralized Control for Networked Dynamical Systems towards Smart Cities 招待

    Shinji Hara

    The First International Symposium on Instrumentation, Control, Artificial Intelligence, and Robotics  2019年 

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  • <Semi-plenary talk> Hierarchical Decentralized Control for Networked Dynamical Systems: Framework, Theory, and Applications in Biology 招待

    Shinji hara

    IFAC NecSys  2016年 

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  • <Plenary Talk> Robustness in Networked Dynamical Systems 招待

    Shinji Hara

    IFAC ROCOND 2012  2012年 

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  • <Plenary Talk> Glocal Control: Realization of Global Functions by Local Measurement and Control 招待

    Shinji Hara

    The 8th Asian Control Conference  2011年 

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受賞

  • Nonlinear Theory and Its Applications, Best Paper Award

    2018年9月   電子情報通信学会   "Decomposition of Energy Function and Hierarchical Diagnosis of Power Grid Swing Instabilities"

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  • 計測自動制御学会論文賞

    2016年9月   計測自動制御学会   "Characterization of Finite Frequency Properties for n-Dimensional Behaviors Using Quadratic Differential Forms"

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  • 計測自動制御学会論文賞・武田賞

    2014年8月   計測自動制御学会   "Performance Competition in Cooperative Capturing by Multi-Agent Systems"

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  • 計測自動制御学会 制御部門大会賞

    2014年3月   計測自動制御学会   「単一拡散因子による反応拡散系の時空間パターン形成」

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  • 計測自動制御学会制御部門大会賞

    2010年3月   計測自動制御学会   「環状遺伝子制御ネットワークにおける周期振動の存在条件」

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  • IFAC フェロー

    2010年1月   IFAC   "For fundamental contribution to robust control, sampled-data control and control system synthesis"

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  • 計測自動制御学会論文賞

    2008年8月   計測自動制御学会   「有限周波数位相・ゲイン特性に着目した連続時間制御対象の制御しやすさの特徴づけ」

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  • 日本シミュレーション学会論文賞

    2007年6月   日本シミュレーション学会   「数式処理を用いた多項式のロバスト根配置とその制御系設計への応用」

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  • George S. Axelby Outstanding Paper Award

    2006年12月   IEEE Control System Society   "Generalized KYP Lemma: Unified Frequency Domain Inequalities with Design Applications"

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  • IEEE Fellow

    2006年1月   IEEE   "Robust, Servo Tracking, and Sample-data Control Theories"

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  • 計測自動制御学会論文賞

    2005年8月   計測自動制御学会   「量子制御ダイナミクスの平衡点解析」

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  • 計測自動制御学会教育賞

    2005年8月   計測自動制御学会   「制御理論とその応用に関する教育と啓蒙活動」

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  • SICEフェロー

    2003年8月   計測自動制御学会  

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  • 船井情報科学振興賞

    2003年3月   船井情報科学振興財団  

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  • システム制御情報学会論文賞

    2002年5月   システム制御情報学会   「探索空間拡張による二次形式の０-１最適化」

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  • 日本シミュレーション学会論文賞

    2001年6月   日本シミュレーション学会   「設計支援システムにおける並列プログラミングのためのマクロデータフローモデル」

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  • 手島記念研究賞

    2000年   東京工業大学   "Well-Posedness of Feedback Systems: Insights into Exact Robustness Analysis and Approximate Computations"

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  • 計測自動制御学会論文賞

    1998年8月   計測自動制御学会   "Epsilon-Feasibility for H-infinity Control Problem with Constant Diagonal Scaling"

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  • 計測自動制御学会論文賞

    1997年8月   計測自動制御学会   「パラメータ変動のモデリングと設計を同時に行うロバスト制御系設計法」

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  • 創立30周年記念号表彰論文

    1993年2月   計測自動制御学会   「ディジタル制御系のロバスト安定化」

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  • 計測自動制御学会論文賞

    1991年8月   計測自動制御学会   「Ｈ∞準最適補償器のパラメトリゼ－ション－極零相殺のメカニズムと計算法－」

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  • 計測自動制御学会著述賞

    1990年8月   計測自動制御学会   「繰り返し制御」

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  • 計測自動制御学会論文賞

    1987年8月   計測自動制御学会   「繰返し制御系の内部モデル原理と安定可能性」

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 非接触での分布触覚提示が生体に及ぼす効果の系統的解明と応用展開

    研究課題/領域番号：16H06303  2016年5月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(S)

    篠田 裕之, 牧野 泰才, 原 辰次

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    配分額：169910000円 （ 直接経費：130700000円 、 間接経費：39210000円 ）

    超音波による空中触覚提示のデバイス技術、フェーズドアレイのシステム化技術、音場合成技術を確立し、人間の触覚の役割を整理しながら系統的な触覚解明研究を進めることができた。広いワークスペースの実現、３次元映像との重畳、VR物体の操作感再現、動作誘導、空中浮遊型インタフェースなど、当初予定していた技術課題を達成するとともに、Lateral Modulation法や触覚パーシュートの発見、さらに非振動的な圧覚の再現や冷覚の提示など、当初は予想していなかった成果を得る事ができた。

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  • 非接触での分布触覚提示によるインタラクションの研究

    研究課題/領域番号：16H01738  2016年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    篠田 裕之, 原 辰次, 牧野 泰才

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    配分額：43550000円 （ 直接経費：33500000円 、 間接経費：10050000円 ）

    超音波による空中触覚提示技術は、原理的には人間の運動を拘束することなく、刺激部位や力の空間分布を任意に変化させることを可能にするが、現時点ではごく狭いワークスペースでの実証実験が済んでいるに過ぎない。本研究では、まず着座した状態で手が届く領域内で、任意の位置、タイミングに多様な力分布を与えることができる触覚提示環境を実現する。そのシステムを用い、触覚が生み出す感性的効果を解明するとともに、３次元インタフェースとコミュニケーションの新しい姿を提案する。
    基盤研究（Ｓ）交付内定に伴い、本課題が廃止されるまでの研究期間においては、研究実施計画に従って、以下の開発を行った。
    まず「空中超音波基礎デバイスの開発」においては、本研究の基盤となる空中超音波フェーズドアレイ（AUPA)の設計を行った。大規模フェーズドアレイを実現するための基本ユニット、すなわち 19cm×15cm の領域を１ユニットとしてそれを自由に接続・拡張でき、かつ各素子が 1us の精度で同期動作できるデバイスの設計を行った。各ユニットにはプロセッサが搭載され、ユニット間の通信容量も従来のものより大幅に強化されている。
    「軽量薄型の実用デバイス設計」においては、将来の実用化を目指した薄型の超音波デバイスの設計に着手し、理論計算・シミュレーションまでを行った。
    「３次元ユーザインタフェース」においては、VR型UIの基礎検討を目的とした裸眼３次元空中映像提示装置の開発に着手し、その一次試作を行った。

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  • 実世界とシミュレーションの相互作用による双方向社会システムデザイン

    研究課題/領域番号：15H01785  2015年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    藤井 秀樹, 山田 知典, 小宮山 涼一, 原 辰次, 橋本 成仁, 吉村 忍

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    配分額：39520000円 （ 直接経費：30400000円 、 間接経費：9120000円 ）

    現代社会の複合的重要課題の解決や問題の緩和に向け，新技術や社会制度を定量的にデザインし，社会実装に向けて利害関係者の合意形成を促進するための社会シミュレーションプラットフォームの開発に取り組んだ．特に自動車交通システムを中心とし，それを取り巻く都市の動態や電力システムとの連成モデルを提案した．実世界のデザインを指向すると同時に，シミュレーションモデルをデザインするために逆解析手法による入力データの推定アルゴリズムを提案した．

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  • 量子フィードバック制御による光の非ガウス状態の生成

    研究課題/領域番号：25289127  2013年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    津村 幸治, 大木 健太郎, 古澤 明, 原 辰次

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    配分額：8450000円 （ 直接経費：6500000円 、 間接経費：1950000円 ）

    本研究の目的は，量子情報技術で必要とされる非古典的な非ガウス状態を，汎用的でノイズ・モデル化誤差に対して頑健な量子フィードバック制御により生成する理論と手法を確立することである．本研究では容易に実現可能な光学系に対し，量子制御理論に基づく非線形量子フィードバック制御を施すことによって実現することを考え，その具体的な手法を与えることに成功した．具体的には，(1)非古典的非ガウス状態を実現する光学系（含む観測系・操作系）の提案，(2)(1)の光学系の振る舞いを説明する数理モデルの導出，(3)数値実験による，(2)の数理モデルに基づく非古典的非ガウス状態生成の確認，の結果を得た．

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  • 地域統合エネルギーシステム設計に向けたシステム制御理論の構築: グローカル制御の視点

    研究課題/領域番号：12101616  2012年 - 2014年

    科学技術振興機構  戦略的な研究開発の推進/戦略的創造研究推進事業/CREST

    原 辰次

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    自然環境の変動や様々なレベルでの需要変動に対して安定的に稼動し、かつトータルエネルギーという視点で効率的な「地域統合エネルギーシステム」を構築することは極めて重要です。本研究では、グローカル制御(ローカルな計測・制御でグローバルな望みの状態を実現)の視点から、異なる3つのエネルギーシステムを対象とした実問題への適用を通して、システム設計に系統的手法を与えるためのシステム制御理論の構築を目指します。

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  • 量子フィードバックシステムの設計と実現

    研究課題/領域番号：22560439  2010年4月 - 2013年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    津村 幸治, 米澤 英宏, 原 辰次, 古澤 明, 山本 直樹

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    配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）

    本研究では量子光学系に焦点をあて，量子フィルタ理論・量子制御理論の有効性を示す系の設計・実現を主テーマとした．特に各理論を基礎とし，量子状態の推定や，エンタングルド状態の生成・保持を実現する系が持つべき性質を明らかにすることを具体的な目標とした．研究の結果，量子光学系の特定，あるいは量子光学系とスピン系の複合系の特定と，それらに対する測定および制御方策を提案し，それぞれに対応する量子フィルタ方程式を導いた．その方程式に基づき，状態推定の有効性や，数値実験によって量子系特有の量子もつれ状態が生成可能であることを確認した．またあるフィードバック系については理論的に可制御性が成り立つことを示した．

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  • 一般化周波数変数を有する動的システム論：大規模系の性能評価と自律分散推定・制御

    研究課題/領域番号：21246067  2009年4月 - 2013年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    原 辰次, 津村 幸治, 石井 秀明

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    配分額：33670000円 （ 直接経費：25900000円 、 間接経費：7770000円 ）

    近年、制御を含む様々な工学の分野において、取り扱うシステムが大規模・複雑化してきている。それらは、局所的な目的を持つ多数のエージェントが互いに相互作用を行うことで大域的な目的を達成する動的マルチエージェントシステムとして捉えることができる。
    そこで本研究プロジェクトでは、研究代表者が提案してきた「一般化周波数変数を有する動的システム」をベースとして、その実現に向けた新しい枠組みの構築を目指した。主要結果としては、理論的な基礎結果に加え階層化分散制御方式の提案がある。生体システムへの適用によりそれらの有用性も確認しており、気象現象やエネルギーネットワークへの展開も期待できる。

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  • 遺伝子制御ネットワークの動的挙動の解明:制御論的理論解析と実験による検証

    研究課題/領域番号：21656106  2009年 - 2010年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究

    原 辰次, 小原 収

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    配分額：3100000円 （ 直接経費：3100000円 ）

    本研究は、遺伝子制御ネットワークの動的挙動の解明を目指した理論体系化と実験系構築に向けた基礎的研究であり、「非線形フィードック制御論に基づく系統的理論解析手法の提案」と「実験環境を望み通りに調整可能な単純モデルによる実験的検証」からなる。理論解析とその実験による検証を有機的に結びつけ研究目的を達成するために、研究テーマを大きく「理論解析」、「モデル化」、「検証実験」の3つに分けて行っている。それぞれに対する本年度の研究成果は、以下の通りである。
    (1)理論解析:「一般化周波数変数を持つ動的システムモデル」に基づいて、非線形遺伝子制御ネットワークの平衡点周りのロバスト安定性解析を行い、それを支配する重要な生物学的パラメータを抽出し、定性的性質を明らかにした。また、その周期現象発現を解析し、そのプロファイルと生物学的パラメータとの関係を明らかにした。
    (2)モデル化:実験データから画像処理の前処理を経て、単一細胞の動的モデルを構築するパラメータ同定法について検討した。
    (3)検証実験:バクテリアの各種リプレッサー蛋白質と蛍光蛋白質の融合タンパク質発現遺伝子の安定発現株を確立し、転写活性制御と蛋白質分解速度の制御のための実験系を用いて、転写活性、タンパク質分解速度と遺伝子産物蓄積量の平均値とそのゆらぎ量を計測する実験を試みた。しかし、検証のレベルには至らな
    かった。

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  • 量子系の不確定性原理と達成可能な制御性能

    研究課題/領域番号：19560436  2007年 - 2009年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    津村 幸治, 原 辰次

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    配分額：4420000円 （ 直接経費：3400000円 、 間接経費：1020000円 ）

    連続測定下にある量子スピン系のフィードバック制御に関して,その量子フィルタ,フィードバック制御系の収束速度の理論的限界について結果を得た.またスピン系を用いた多ビットエンタングルド状態を達成する観測系およびフィードバック制御系を導出した.

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  • 双対性がもたらす多視点モデル化:数学原理からシステム設計へ

    研究課題/領域番号：19656103  2007年 - 2008年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  萌芽研究

    室田 一雄, 原 辰次, 大石 泰章, 寒野 善博

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    配分額：3300000円 （ 直接経費：3300000円 ）

    前年度に得られた双対性の横断的な理解を受け,本年度は次の4つに大別される成果をあげた.
    (1)「変位と力」「ひずみと応力」という共役関係は,応用力学における双対性概念の代表例である.本研究では,この概念を自己双対錐と呼ばれる集合の上での共役関係に拡張することにより,「ギャップと反力」「膜に生じるしわと許容応力」などのより複雑な関係が双対性を通じて統一的にモデル化できることを明らかにした.このモデル化に基づき,接触問題の解の列挙手法や平面膜の釣合解析手法などの新たな数値手法を提案した.
    (2)工学モデルは,物理パラメータなどの「数」と対称性などの「本質的な構造」という双対性概念を含むことが普通である.本研究では,「数値的なデータ」のみが与えられた状況において,行列のブロック対角化という「対称性に由来する本質的な構造」を抽出するための理論および数値手法を開発した.さらに,提案したブロック対角化手法を用いることで,半正定値計画問題などの「自己双対錐上の最適化問題」がより効率よく解けることを明らかにした.
    (3)(2)で取り上げた対称性について,さらに,構造系の不安定現象という別の観点から考察した.つまり,「対称性の破れ」という抽象的な変化と「構造物の座屈」という工学的に重要な現象の2つを,群論的分岐理論という統一的な枠組を用いて研究し,その成果を2編の論文として国際誌に発表した.
    (4)新たな設計手法への展開として,構造物のロバスト最適設計法に対して,半正定値計画法に基づく手法を提案した.特に,トラスと呼ばれる構造物の位相を最適化する問題が,連続変数と整数変数の双方を含む半正定値計画問題として厳密に定式化できることを示し,さらに主双対内点法を繰り返し用いることで大域的な最適解を得る手法を提案した.

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  • 多分解能動的システムのモデル化と解析

    研究課題/領域番号：19656104  2007年 - 2008年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  萌芽研究

    原 辰次, 井村 順一, 児島 晃, 津村 幸治

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    配分額：3300000円 （ 直接経費：3300000円 ）

    本研究の目的は,複雑で多様なシステムに対する制御系設計を実現するために「分解能」に着目にした新しい制御理論に向けた基礎理論を構築することにある.特に本研究では,時間,空間,レベル,周波数等異なる性質の分解能に着目した多分解能動的システムのモデル化とその解析に焦点を当てる.
    本年度は,主に「多分解能動的システムのモデル化」に焦点を当てて研究を実施した.また,SICE Annual Conference 2009において,オアーガナイズドセッション「Multi-Resolved Dynamical System(MRDS)」を企画した.主たる成果は,以下の通りである.
    1.階層化動的システムの表現と大規模系の近似モデリング:階層化動的マルチエージェントシステムの比較的一般的な表現を提案し,階層間接続行列の役割を明らかにした.また,気象モデルなどの大規模複雑系の,階層構造に着目した近似モデルの導出法を与えた.2.階層化動的システムの基本解析:同一ダイナミクスを持つ非常に多くの動的要素が結合された大規模系を対象に,その階層化表現を提案し,安定性など基本特性の解析を行った.さらにマルチロボットによる巡回追従型の協調捕獲の解析・設計や遺伝子制御ネットワークの解析への適用を通じてその有効性を確認した.3.モデル予測制御の性能解析の多分解能的アプローチ:モデル予測制御の閉ループ系である区分的アファインシステムの制御性能や安定性を解析する手段として,時間を遡って解を発展させることで状態空間を各時間ステッブごとに多分解能化し,制御性能値やリアプノフ関数を求める手法を提案した.4.状態設定,離散時間系の制御法:前年度導かれた有限時間線形系の特異値分解法を発展させ,制御系の状態設定,補償入力の設計問題を扱う分解表現を導いた.また,結果の一部が離散時間系においても有用であることを示した.5.ネットワーク構造と性能特性:複雑な構造を有するネットワークド制御系を対象とし,ネットワークの構造および通信容量とシステム全体の特性について解析した.

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  • 有限周波数KYP補題に基づく多目的ロバスト制御系設計法とその応用

    研究課題/領域番号：17360195  2005年 - 2007年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    原 辰次, 土谷 隆

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    配分額：8950000円 （ 直接経費：8500000円 、 間接経費：450000円 ）

    本研究では、研究代表者らが開発してきたKYP補題(Kalman-Yakubovich-Popov Lemma)の有限周波数版である一般化KYP補題の解析に関する成果に基づいて、設計の視点に立った統一理論の構築を目指した。特により実用的な状況を十分考慮した系統的な設計理論の構築とそれらに対する設計アルゴリズムの提案を目指した。
    (1)「設計理論の構築」に関しては、以下の4つの成果を得た。
    ・一般化KYP補題に基づくPID制御系(実応用で最も広く用いられている)設計法を確立した。
    ・一般化KYP補題の等価な時間領域条件を導出した。これは、これまでの受動性と正実性との等価性を一般化した結果であり、非線形系への拡張の可能性を示す重要な結果の一つである。
    ・一般化KYP補題と等価なSoS(2乗和分解)を導いた。この結果は、1変数の行列関数の不等式条件のSoS表現を統一的に示したものである。また、それに基づく制御しやすい制御対象の設計法への展開が可能であり、その有用性を数値設計例を通して確認した。
    ・一般化KYP補題の最適化問題の双対問題の特徴付けを行い、主問題と双対問題の関係を明らかにするとともに、それらの計算量を理論的に比較した。
    (2)「設計ツールの開発」に関しては、まず一般化KYP補題に基づく基本的な設計支援ツールを構築した。さらに、上記の双対問題の検討結果を踏まえ、主双対内点法を実装し、比較検討を行った。その結果、一般化KYP補題で表される半正定値最適化問題は非常に解きにくい問題であることが判明し、その構造に注目した新しいアルゴリズムの構築が必要であることを明らかにした。

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  • 量子制御ダイナミクスのシステム制御理論構築

    研究課題/領域番号：17656137  2005年 - 2006年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  萌芽研究

    原 辰次, 津村 幸治

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    配分額：2600000円 （ 直接経費：2600000円 ）

    本研究では量子情報機器案現の基礎とすべく,速続測定が可能な量子力学系を念頭に,量子ダイナミクスのための制御理論の構築とその実用を目指している.連続測定下における量子ダイナミクスとして,非線形確率微分方程式となるマスター方程式(SME)が得られている.本研究では主としてこのSMEを制御対象とし,制御論的観点からみた解析や制御系設計について研究を進める.なお本研究は,カリフォルニア工科大学の山本直樹との共同研究である.
    本年度は次の3点についての結果を得た
    量子フィルタリングの安定性
    近年,出力信号を用いて量子状態を連続時間的に推定するという,量子フィルタリングの理論が盛んに研究されている.しかし最適フィルタの安定性については,これまで十分な議論がなされておらず,その実用化にはこれを確かめる必要がある.本研究では最適量子フィルタの,ある条件化での安定性を理論的に示すことができた.
    量子スピン系の安定化
    量子コンピュータなどの実現には,情報表現の媒体として量子スピン系を利用することが考えられている.このスピン系を,外界からのノイズの影響に対してロバストに操作するためには,そのフィードバック制御が不可欠となる.ここでは出力信号から量子状態を推定する量子フィルタリングの理論を用い,スピン系のフィードバック制御を考える.従来,スイッチングにより,所望の基底状態へと確率収束させる手法が提案されてきたが,実用化にはスイッチングを用いない連続制御入力による安定化の手法が望まれるところである.ここでは,一般次元でそのような制御器が存在することを理論的に示すことに成功した.
    エントロビーに基づく量子ダイナミクスの解析
    連続測定下にある量子力学系のダイナミクスは,複雑な確率微分方程式により記述されるが,微分方程式中の各項の物理的意味について,これまで明らかにはされてこなかった.ここでは情報量と密接な関係をもつエントロピーに着目し,その増減に寄与する項を分類することにより,量子ダイナミクスの物理的構造について,特に観測量との関係を踏まえて明らかにした.

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  • 複雑システムを制御する多分解能動的システム理論の創成

    研究課題/領域番号：17636007  2005年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    原 辰次, 井村 順一, 児島 晃, 鷹羽 清嗣, 津村 幸治, 増田 士朗

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    配分額：3100000円 （ 直接経費：3100000円 ）

    本企画調査では,一様でない複雑動的システムを解析・制御するための多分解能(マルチレゾルーション)に基づく,新しいシステム制御理論の構築に向けた準備段階として,制御分野に限らず,多分解能に関連する様々な研究分野について広く調査し,多分解能に基づく制御問題を分類,整理した.具体的な調査内容は以下のとおりである.
    1.研究代表者および分担者による計6回の会議(第1回2005年5月24日,第2回6月17日-18日,第3回8月2日-3日,第4回8月19日-20日,第5回9月25日-26日,第6回3月10日-11日)を開催した.会議では研究分担者がおのおのの担当分野の研究調査報告を行うとともに,バイオ,ナノ,信号・画像処理,ファイナンスの分野の研究者に講演を依頼し,多分解能動的システムの応用事例に関して調査を行った.
    2.下記の2つのオーガナイズドセッションにおいて,多分解能に関連する様々な研究分野の研究者に発表を依頼し,多分解能動的システム論の構築に向けた情報収集を行った.
    ・第22回センシングフォーラム計測部門大会(9月29,30日)にて,オーガナイズドセッション「計測と制御の接点を探る」を企画し,センサ分解能と制御性能の観点からの発表を中心に,計測と制御の観点から多分解能動的システムの問題設定に関する調査を実施した.
    ・第1回横幹連合コンファレンス(11月25,26日)にてオーガナイズドセッション「多分解能」を企画し,統計科学,設計工学,生体シミュレーション,信号処理,ファイナンスの各分野の観点から「多分解能」に関する研究話題について発表を行い,各研究分野間の共通点,相違点などの議論を通じて多分解能動的システムの本質を探った.
    3.2006年5月に開催の計測自動制御学会制御部門大会にて,研究代表者・分担者による本企画調査報告をまとめたオーガナイズドセッションを企画中である.
    4.調査の一部を計測自動制御学会誌「計測と制御」の解説記事の一部として紹介した.

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  • 制御系における通信量と制御性能限界の解明:制御理論と情報理論・信号処理論の融合

    研究課題/領域番号：16560379  2004年 - 2006年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    津村 幸治, 原 辰次

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    配分額：3800000円 （ 直接経費：3800000円 ）

    量子化データを用いたシステム同定:量子化された入出力データを用いたシステム同定に取り組み,最適量子化器の導出を通して,システム同定に必要な情報量を導出した.本研究では量子化データを用いたシステム同定において合理的な誤差規範について考察し,その妥当性について議論した.特に入力データの生成を確率的に,誤差評価はhard boundを用いた場合,最適量子化器は,確率的アプローチによる最適量子化器と,指数型量子化器とのハイブリッド型となることを示した.
    ネットワークド制御:信号の伝達に制約のあるネットワークド制御問題について幾つかの結果を得た.容量の異なる複数の通信線を用いたサブバンド符合化問題,対数型量子化器を用いた場合の制御性能問題について結果を導出した.また制御対象が未知の場合の適応制御について,離散時間系,連続時間系の場合について,量子化された信号を用いた安定化適応制御器を導出した.最後に,通信において伝送信号がロスするというパケット落ちがある場合について,様々な場合についての結果を得た.
    メモリ容量制限下におけるシステムの近似と安定化:動的システムの複雑度の指標として,その状態変数が量子化されたビットメモリシステムの,ビット長を用いることを提案した.その上で,ビット長に制約のある近似問題および安定化問題を考え,近似問題においては,与えられた近似誤差を達成するのに必要なビットメモリ長の下限と上限について,安定化問題においては,安定化を達成するのに必要な制御器のビットメモリ長の上限について,解析的に与えることができた.
    ネットワーク輻輳制御:TCP/IPを用いたコンピュータネットワークシステムにおける,伝送パケットの流れの輻輳を制御する問題を考えた.有限バッファを持つボトルネックで待ち行列となるモデルを導入し,列長を安定に制御する問題を考えた.従来,安定化の問題についての結果が知られているが,ここでは安定化制御器のパラメトリゼーションを与え,最適制御器を導出した.制御性能限界を示すことにより,TCP/IPを用いたネットワークシステムのより良い構造的特性について明らかにした.

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  • 次世代システム工学の構築のための横断型科学技術プラットフォーム

    研究課題/領域番号：16636008  2004年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    出口 光一郎, 原 辰次, 木村 英紀, 椿 広計, 眞溪 歩, 牛田 俊

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    配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

    本企画調査研究の目的は、広い科学技術の連携と集積を担う横断型基幹科学技術のあり方を具体化するものであった。サイズと複雑度がますます増してくる、人間や社会に絡む問題を解くためには、分野を横断した規範が理念として確固たる存在をしなくてはならない一方で、その横断型基幹科学技術が各分野を横に貫く共通プラットフォーム、共通ツールとして、実体的に整備されていなくてはならない。すなわち、科学的な論理と普遍性とで大規模複雑系に対応する、センシングと制御科学の横断的な展開、そして、複雑な対象のモデリングとそれらを繋ぐプラットフォームの体系化が必要とされている。本研究では、この体系化を「次世代システム工学」という形で構築し、横断型科学技術が異分野共通の基幹科学技術として、科学技術の高度化の駆動力足りうることをプラットフォームとしで提示している。本調査研究においては、既存の分野を横断した新融合科学の創生のための共通基盤に向けた具体的な検討を行った。そして、分野横断型の科学技術のあり方そのものを問い、さらに広範な科学技術の体系を確立するための特定領域研究の申請として研究をまとめた。
    その目的は、「人間、社会、機械が互いにインタラクションをしネットワーク化している大規模複雑系」に対して、21世紀社会における科学技術の方法論の確立と、その応用展開としての安全で安心の出来る社会の最適設計のための「次世代システム化技術」を構築することである。このシステム化技術の根幹を成すのは、(1)モデル論(実世界の複雑さ、情報の不完全さ、不確実さをどう扱いモデル化するか)、(2)設計論(そのモデルにしたがって、社会ジレンマの下でのトレードオフの設計とコンフリクトの解消をどう設計するか)、(3)評価論(その戦略がどこまで有効であるかをどう評価するか)、の3つである。

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  • 構造/流体/制御の複合領域設計法と小型飛翔体設計への応用

    研究課題/領域番号：14350118  2002年 - 2004年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    梶原 逸朗, 矢部 孝, 原 辰次, 長松 昭男

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    配分額：11400000円 （ 直接経費：11400000円 ）

    構造/流体/制御の複合領域設計法として,スマート構造の最適化による振動・騒音の抑制方法を提案・開発した.そして,本研究で開発してきた設計手法に基づき,マイクロ飛行機(Micro Air Vehicle ; MAV)の必須技術である統合レーザー推進/追尾/制御システムを開発した.まず,構造解析手法,音響解析手法および最適化手法を融合し,構造体が発生する振動およびそれにより放射される音を低減すべく,構造のスマート化ならびに圧電アクチュエータ配置と制御系の統合設計法を構築した.そして,シミュレーションおよび基礎実験により,振動および音の低減効果を確認し本法の有効性を検証した.次に,レーザー推進技術を応用したマイクロ飛行機の持続的飛行・制御を可能とすべく,統合レーザー推進/追尾/制御システムの開発を行った.本システムでは,推進用のYAGレーザー,追尾用のHe-Neレーザーおよび制御用のグリーンレーザーを同軸3重のビームとしてマイクロ飛行機に照射し,受光側で3つのレーザーを分離する.そして,それぞれのレーザーを推進用プレート,追尾用コーナーキューブリフレクターおよび制御用フォトトランジスタに照射することにより,3つの機能を同時に実現させる.本研究では,レーザー制御法として,パスル周波数変調されたグリーンレーザーを照射・検出する方法を開発し,本手法により変調周波数ごとに異なる制御指令を与えることが可能になり,制御性能の大幅な向上を達成した.実験により,本システムの基本特性を評価した結果,所望の性能を有することを確認し,移動物体上でYAGレーザーによるアブレーションを連続的に起こさせながら移動体を遠隔で制御することに成功した.

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  • 物理拘束条件を考慮した「真に制御しやすいシステム」の定量的特徴づけ

    研究課題/領域番号：14550439  2002年 - 2004年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    原 辰次, 石川 将人

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    配分額：3000000円 （ 直接経費：3000000円 ）

    本研究は、"理想状態ではなく現実に即した物理制約条件を考慮した上で、「真に制御しやすいシステム」の定量的特徴づけ"を行うこと、および"それに基づく新しい統合化設計法を提案する"ことを本研究の目的とした。研究成果は、以下の3つのカテゴリに分けられる。
    1)制御性能限界に関する研究:
    これまで導出してきた線形連続時間系に対するH2最適制御問題に対する制御性能限界の閉形式の解析解の結果を、線形離散時間系および線形サンプル値系に対して拡張した。また、これらを統一的に表す表現を求め、物理的制約条件を考慮した場合の真に制御しやすいシステムの定量的特徴づけの体系化を図った。
    2)有限周波数KYP補題に関する研究:
    これまで申請者らが提案してきた「有限周波数条件」に基づく設計法をより実用的にするために、ロバスト性条件に関する検討を行い、設計アルゴリズムとして提案した。また、それを効率よく行なうための解析・設計ツール(LMI自動生成プログラム)をMatlab上で開発し、その有効性を幾つかの実例題を通して検証した。
    3)非線形制御系に関する研究:
    非線形系に対しては、真に非線形なシステムの代表例として非ホロノミック系の「制御しやすさ」、「制御しにくさ」について検討した。特に、非平衡点を目標状態とするような制御問題を考えると、ダイナミクスが線形か非線形かに関わらず連続な状態フィードバックでは制御できないことを示した。

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  • 論理情報処理を含むハイブリッドコントローラの基本構造と設計

    研究課題/領域番号：14550438  2002年 - 2004年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    井村 順一, 原 辰次

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    配分額：4000000円 （ 直接経費：4000000円 ）

    本研究では,論理情報を含むハイブリッドシステムに対して,well-posedness解析や安定性・可制御性解析,最適制御など,制御系設計のための基礎理論の構築を目指した.主な研究成果はつぎのとおりである.
    1.モデリング:離散事象を,衝突などの不連続な物理現象によって生じる物理的離散事象と,コンピュータプログラムなどによって実現される論理的離散事象の2つのカテゴリに分け,特に論理的離散事象を記述するハイブリッドシステムモデルとして,サンプル値区分的アファインシステムモデルを提案した.
    2.well-posedness解析,安定性解析,可制御性解析:区分的アファインシステムや線形相補性システムのWell-posednessの定義,それを解析するための基礎理論,およびwell-posedness条件を導出した.また,制御系設計における最も重要な安定性の解析手法として,システムの極に基づく新しいアプローチを展開し,区分的アファインシステムに対して,安定性の必要十分条件などを導出した.可制御解析に対しても確率的手法を提案し,これまで確定的な手法では解析できなかった大規模な区分的アファインシステムの可制御性解析に成功した.
    3.最適制御:サンプル値区分的アファインシステムの最適制御問題の解法を示し,ハイブリッドコントローラの基本構造の一つの捕え方を提案した,この手法をCPUの高速・省電力化制御に適用し,同定実験により得たモデルを用いて,本手法の有効性を数値シミュレーションにより確認した.また,帰着される混合整数最適化問題に対する効率的な解法も提案した.
    以上,本研究では,ハイブリッドシステムの制御系設計に対する基礎理論を構築し,整備してきた.今後は,本研究成果を踏まえて,ハイブリッドシステムの制御系設計の実用化に向けた研究を継続する予定である.

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  • 構造/流体/制御の複合領域設計によるレーザ推進マイクロ飛行機の開発

    研究課題/領域番号：14655091  2002年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  萌芽研究

    梶原 逸朗, 原 辰次, 矢部 孝

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    配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

    レーザーにより推進力を発生させるメカニズムを応用したマイクロ飛行機の開発に向け,それを実現するためのレーザー推進メカニズムの解明,ならびにレーザー追尾システムおよびスマート翼の開発を行った.本研究で開発したレーザー追尾システムは,レーザー偏光ビームスピリッタ,ガルバノミラーおよび光検出器により構成される.計測原理は,レーザー光がガルバノミラーを経由してマイクロ飛行機のリフレクターに照射され,その反射光がガルバノミラーを経て偏光ビームスピリッタにより光検出器へと導かれ,ここで位置誤差に関する信号検出が行われる.ここで,ガルバノミラーは,DCモーターにより縦・横方向に回転できる機構になっており,光検出器からの信号よりディジタル制御システムにより制御入力が演算され,それによってガルバノミラーを回転させることにより,レーザーを目標に追尾させる.制御手法としては,PID制御および混合H_2/H_∞制御を検討したが,両者とも優れた制御性能を示した.次に,マイクロ飛行機の小型化・軽量化を行いながら飛行制御を実現するために,アクチュエータとして形状記憶合金(SMA)を採用し,フォトトランジスタをスイッチング素子として利用した光学系を導入することにより,外部からのレーザー照射によって遠隔制御可能なスマート翼を開発した.翼に入射したレーザーはビームスプリッタによってコーナーキューブリフレクターとフォトトランジスタに入射する.リフレクターに入射したレーザーは前述のレーザー追尾に使用され,フォトトランジスタに入射するレーザーは翼の制御に使用される.フォトトランジスタはSMAへの電圧印加のスイッチとして機能し,レーザーが入射している間,電圧が印加されSMAが変形する.レーザーのオン・オフによる制御実験を行ったところ,SMAの応答性の範囲内で目標値に対する良好な追従性能が達成された.

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  • 幾何拘束をもつ柔軟多体系の分布定数モデルに基づいたダイナミクスベースト制御

    研究課題/領域番号：11650243  1999年 - 2000年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    松野 文俊, 原 辰次

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    配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

    1.「幾何学的な拘束条件に束縛された柔軟多体系のモデリング」
    多腕柔軟アームの力制御・協調制御や柔軟な構成要素を結合して構築された柔軟宇宙構造物などの振動抑制制御に適用できるモデルを導出した。
    2.「分布定数システムの数理的解析」
    導出した制約条件つきの2階双曲型偏微分方程式を作用素論・半群理論を援用し数理的に解析し、システムのもつ特徴を明らかにした。
    3.「制御系設計モデルを必要としない出力フィードバック制御系の構築」
    制御系設計のための有限次元近似モデルを必要としない、分布定数系としての特徴をいかした簡便なダイナミックスベースト制御系を構成した。
    提案制御則が閉ループ系を漸近安定化することを証明した。
    構成された制御器の有効性を検証するために、ワークステーションを用いたシミュレーションを行なった。
    4.「実験による有効性の検証」
    双腕2リンク柔軟アームに対してカセンサを用いた協調制御系と閉ループ機構をもった柔軟構造物に対して、提案した制御アルゴリズムの有効性を検討した。
    実験結果より、提案制御則が閉ループ系を安定化すること、物理パラメータの不確定性に対してロバストであることを検証した。

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  • スーパーメカノシステム:制御と機構の融合による新機能創出

    研究課題/領域番号：09CE2004  1997年 - 2001年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  COE形成基礎研究費

    廣瀬 茂男, 古田 勝久, 原 辰次, 美多 勉, 小林 彬, 三平 満司, 小野 京右, 廣瀬 茂男, 長松 昭男

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    配分額：1090000000円 （ 直接経費：1090000000円 ）

    本年度は本研究の最終年度であるため,これまでの研究成果を集大成してロボットの実機を開発・製作し,11月に行われたロボフェスタの会場で広く一般に公開した.この公開は単なる展示ではなく,それぞれのロボットの実演を行いながら解説をした.実演したロボットは以下の通りである.
    また同時に国際シンポジウムを開催し,国内外の招待講演者を交えてスーパーメカノシステムについての活発な討論を行った.発表件数は基調講演5件,口頭発表27件,ポスター発表80件であった.
    完全自立型索状能動体ACM-R1 省自由度壁面4足歩行ロボットHyperion
    空気圧駆動型ヘビ型ロボットSlim SIime Robot 脚車輪型移動ロボットRoller Walker
    空圧駆動ヘビ型推進巻付ロボットPneumnake 作業型2足歩行ロボット
    自励ヘビロボット Twin-Frame型作業移動ロボットPara Walker-II
    完全自立3次元型索状能動体ACM-R3 全身型作業を行う4脚ロボット
    立体運動ヘビ型ロボットスーパーメカノアナコンダ 地雷撤去用4足歩行ロボットTITAN-IX
    3次元ヘビ型ロボット サンプルリターンロボット
    連結型多車輪移動ロボット玄武2号機 群型ロボット衛星
    連結型多車輪移動ロボット玄武3号機 親子型惑星探査ロボットSMC-Rover(Uni-Rover)
    瓦礫内探査ヘビロボット蒼龍1号機 3輪ローバーTri-Star II
    水中ヘビロボットHELIX スーパーメカノコロニー(SMC)実験システム
    イルカロボット トランポリンロボット
    超多関節自重補償型アームFloat Arm COEアクロバット・ロボットスーパーメカノボーイ
    受動2足歩行ロボット 鉄棒ロボットAcrobot
    自励歩行ロボット 二足歩行型階段昇降ロボットZero Walker
    ワイヤ駆動型走行ロボットRunbot 脚車輪型階段昇降車両Zero Carrier
    多自由度跳躍ロボット ワイヤー連結作業ロボットHyper-Tether
    1脚走行ロボットKENKEN 作業型クローラロボットHELIOS-IV
    恐竜型二足歩行ロボットTITRUS-III 自己変形ロボット
    ハイハイロボット 全方向車両The Vuton
    ヘビ型ロボットでは自励振動を利用して小さなエネルギーで推進力を得る制御方法を確立した.また,3次元動作を行う実験機を開発し,頭部を持ち上げる動作,鉛直面内の波を伝搬させる推進方法,捻転による転がり動作を実現した.さらに防水型の実験機により,水中で螺旋型体型をとり捻転することで推進する動作を実現した.また,イルカロボットでは宙返り方向転換を実現した.
    歩行ロボット関係では,自励運動を使った省エネルギー歩行制御,ホッピング,前転と起きあがり運動,恐竜型の2足高速歩行,ハイハイ型歩行などを実現した.また,自在変形を行うロボットでは,4角形や5角形の体型を作って移動する制御法を確立した.
    群ロボット関係では,親子型のローバーを開発し,多数の子機による親機の移動,探索動作,2台の子機による物資搬送などを実現し,スーパーメカノコロニーの基本的制御方法を確立した.
    ダイナミクスを応用したロボットでは,トランポリン運動,前方へのジャンプ,前転と起きあがり,鉄棒への飛び付き,大車輪,宙返り降りなどを実現した.

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  • マスタ・スレーブ柔軟アームのテレオペレーションのためのモデル化手法と制御系の構築

    研究課題/領域番号：09650266  1997年 - 1998年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    松野 文俊, 原 辰次

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    配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

    宇宙構造物や宇宙ロボットはロケットの打ち上げコストの削減要求から極端に軽量化されており,柔軟多体系とみなさなくてはならず,そのモデル化と制御に関して多くの研究がなされている.これら研究のほとんどは,分布定数系の有限次元近似システムに基づいて制御器を構成しようとするもので,本来の無限次元システムの本質を反映しているとはいいがたい.したがって,制御器の次数は大きくなり計算機パワーを必要とし,実装にも多大な労力を必要としてきた.また,これらの制御則は計算機の演算時間の遅れが重大な問題となるマスター・スレーブアームのテレオペレーションには有効ではない.
    本研究では柔軟アームのモデルとして有限次元近似を用いない分布定数モデルを提案し,その物理的本質をいかした簡単な出力フィードバック則(PDS制御則)をリアプノフの方法と偏微分作用素論を用いることにより導出した.提案した制御則は,位置(P)・速度(D)・歪み(S)の情報を計測し,直接フィードバックするだけの静的制御器であり,実装が容易である.また,PDS制御則はシステムの物理パラメータに依存せず,閉ループ無限次元系を安定化することを保証したロバストな制御器である.PDS制御則を2リンク柔軟アームの位置決め制御と双腕1リンク柔軟アームの協調制御に適用し,その有効性を実験により検証した.
    実験結果より,PDS制御則はアームの物理パラメータの不確定性やアーム先端の負荷変動に対してロバストであり,さらに,アームの姿勢変化やコリオリ・遠心力といった非線形性に対しても制御性能が確保されていることが確認された.
    以上の結果より,提案した制御器は,計算機の演算時間を極力減少させることが可能となり,マスター・スレーブ柔軟アームのテレオペレーションに有効であると考えられる.

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  • ハイブリッドコントローラによるロバスト制御系設計理論の構築

    研究課題/領域番号：09650459  1997年 - 1998年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    原 辰次, 松野 文俊

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    配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

    主な研究成果は、以下の通りである。
    1) ハイブリッドシステム理論構築のための基礎理論:
    1-a) サンプル値制御系(連続/離散時間混合系)
    サンプル値制御系の設計および解析のための基礎理論として、そのH_2ノルムとH_∞ノルムとの関係を明らかにした。また、連続/離散時間混合系の新たな平衡実現の考え方を導入し、それに基づいたプラントモデルや補償器の低次元化の手法を提案した。さらに、サンプル点間を考慮したサンプル値制御系の設計・解析手法と従来手法との比較を行い、その特徴を明らかにした。
    1-b) スイッチング制御系(連続時間/論理混合系)
    スイッチング制御系を表現する一般的な枠組を提案し、リアプノフ安定条件(十分条件)を行列不等式の形で導いた。さらに、安定化の手法についての検討を行い、L_2誘導ノルムを評価指標とした設計アルゴリズムを提案した。
    1-c) 集中/分布定数混合系
    集中的および分布的柔軟性をもったハイブリッド宇宙構造物の例として,バネ結合した2本の柔軟ビームを取り上げ,PDS制御則の有効性を実験により検証した3).また,拘束条件をもった混合定数システムとして,トラス構造の基本構成要素である剛結合した2本の柔軟ビーム4)の制御と双腕1リンク柔軟アームの協調制御にPDS制御則を適用し,その有効性を実験により検証した.
    2) CADシステムの開発:
    CADシステムについては、サンプル値制御系の設計および解析を統一的に扱うことができる計算パッケージ(Sampled-Data Control Toolbox)をMATLAB上に開発した。また、ハイブリッド系の解析・設計がユーザフレンドリに行えるようなGUIプラットフォームの構築について、プロトタイプを作成し検討した。

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  • 変動を含む制御対象のモデリングと同時ロバスト制御系設計-LFTスケーリングアプローチ-

    研究課題/領域番号：08650480  1996年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    原 辰次, 岩崎 徹也

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    配分額：2200000円 （ 直接経費：2200000円 ）

    本研究は、変動を含む制御対象のモデリングと同時ロバスト制御系設計法の確立を目指し、以下のことを行った.
    1.LFTスケーリングに基づく統一的解析理論の確立:
    μ解析や2次安定性などこれまで個別に提案されてきたロバスト安定条件をLFTスケーリングの観点から整理し、それらの関係を明らかにするとともに,より保守性の少ない条件を求めた.これは、LFTスケーリングに基づいた新しいロバスト安定理論の構築を行う上で基盤となるものである.
    2.入出データに基づいてモデリングと同時ロバスト制御系設計法の確立:
    まず,1.の解析結果を利用して,入出力データに基づいた(a)制御対象のノミナルモデルと変動モデルが満たすべき条件,(b)そのような変動を含むモデルに対してロバスト性能を達成する補償器が存在するための条件を行列不等式の形で求めた.つぎに,状態フィードバックケースと出力フィードバックケースに分け,可能性の条件およびその性質を明らかにした.
    3.設計アルゴリズムの開発:
    項目2.で求めた条件をLMI条件とBMI条件に分類し,LMI条件に対しては凸計画法を,またBMI条件に対しては凸計画の反復法からなる計算アルゴリズムを提案した.

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  • 創発現象の数理

    研究課題/領域番号：07243106  1995年 - 1997年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  重点領域研究

    土屋 和雄, 原 辰次, 北村 新三, 矢野 雅文, 金子 邦彦, 蔵本 由紀, 喜多 一

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    配分額：68600000円 （ 直接経費：68600000円 ）

    「創発現象の数理」というテーマのもとで複雑系における創発現象をシステム工学的な視点から研究を行った。複雑系のシステム工学とは複雑系をその構成要素,相互作用等,複雑系を規定する項目に基づいていくつかのクラスに分類し,それぞれのクラスに形成される時空構造の持つ普遍性を明らかにすること(動特性解析)とともに,その時空構造の持つ多様な機能的役割を明らかにすること(機能解析)であり,さらに,これらの解析をもとに,ある機能が与えられた時,その時空構造を通してその機能を実現しうる複雑系の設計原理を作り上げること(機能設計)である.(1)非局所結合をもつ能動機能素子集団の時空カオス(蔵本)(2)自発的多様性から再帰的なルールの形成へ(金子)(3)メタダイナミクスを取り入れた自律的発展系における創発的進化の研究(時田)(4)アンモナイト進化における非定常カオス要因の分析(相澤)(5)アクティブエレメント集合体の数理と実現(佐野)(6)不良設定問題へのアプローチ;情報生成による運動制御(矢野)(7)リアルタイム仮説生成による機能創発とその自己言及ダイナミクス(三宅)(8)複雑適応系の設計論(土屋)(9)設計への創発的アプローチ(北村)(10)熱力学的遺伝アルゴリズムを用いた多目的最適化手法(喜多)(11)ネットバイアスにもとづく Hogg-Huberman戦略(潮)(12)複雑系の解析・設計に対する制御理論的アプローチ(原)

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  • システム構造に基づく制御系設計理論の構築

    研究課題/領域番号：07305014  1995年 - 1996年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    池田 雅夫, 杉江 俊治, 早川 義一, 原 辰次, 山本 裕, 太田 快人

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    配分額：1200000円 （ 直接経費：1200000円 ）

    新しい制御系設計理論の枠組みを作り上げるため,実システムの物理的構造と数式モデルの数学的構造の整合性をとり,モデリングと制御系設計を一体として考える理論を構築することを目指した.各自が各々の分野で成果を得るように研究を進めるとともに,4回の研究打ち合わせ会を通して,以下の成果を得た.
    1.システムの物理的不確かさを過大評価しないロバスト制御の理論の開発
    2.ロバスト制御理論の予見制御への拡張や,可調整パラメータの導入
    3.デッドビ-ト制御,対称システム,信号処理へのサンプル値制御理論の適用,精密化,拡張
    4.非線形システムや変動するシステムのモデリング,ゲインスケジュール制御,適応制御の理論の開発
    5.制御方策に構造をもつ分散制御の理論の整理と拡張
    6.入出力データ配列に基づく制御方策の開発
    これらの成果の多くは,まだ従来分野の成果としての色彩が強いが,研究者代表・分担者・協力者17名の頭の中に「システム構造に基づく制御系設計理論の構築」の重要性がフィロソフィとして組み込まれた意義は大きく,今後,互いの協力によって,分野をまたぐ思想になって現れると確信できる.
    また,6のように,従来研究とはまったく違う発想の研究が現れたことは注目に値する.従来のモデルに基づく研究の発展とともに,従来とは異なる発想の研究によって,システム構造を適切に扱うことが可能になるであろう.

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  • 半正定値計画問題に対する高速数値計算手法に関する基礎研究

    研究課題/領域番号：07680456  1995年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    小島 政和, 信太 正之, 矢島 安敏, 原 辰次

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    配分額：2100000円 （ 直接経費：2100000円 ）

    本研究の目的『主双対内点法を半正定値計画問題を解く実用的な数値解法として発展させる』に沿って以下の研究を行った.
    1.研究代表者の小島等のグループが提案した線形計画問題の高速解法を半正定値計画問題に拡張し,その実験用ソフトウエアをMathematicaを用いて試作し,Power Machintosh状で改良のための数値実験を行った.
    2.上記1で試作したソフトウエアを改良し,C++言語で書き直し,3種類のワークステイションSPARC Station,Silicon Graphis,SONY RISC NEWSに実装した.この際,大規模な半正定値計画問題を計算効率よく高速に解くため,過疎なデータ構造を扱えるような工夫を組み込んだ.このソフトウエアは誰でも使えるように公開している.
    3.上記2のソフトウエアを組み合わせ最適化問題(グラフ分割問題,2次割り当て問題,最大クリーク問題等)や非凸2次計画問題から生ずるさまざまな半正定値計画問題に適用し,計算実験を続けている.
    4.これまでの実験を等して,提案した方法は局所的な収束性に難があることが判明した.これを改良するために2つの方法
    (a)予測子修正子法の組み込み
    (b)新しい探索方向
    を提案し,その理論的な基礎作りをした。

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  • 線形行列不等式(LMI)条件に基づくロバストサーボ系設計法

    研究課題/領域番号：07650477  1995年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    原 辰次, 藤岡 久也, 岩崎 徹也, 小島 政和

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    配分額：2600000円 （ 直接経費：2600000円 ）

    (1)LMI条件に基づく設計法に対する統一的枠組の構築:
    従来のスモ-ルゲイン定理や受動定理に基づくロバスト安定性条件を包括する統一的な解析条件を,フィードバック系のWP(Well-posedness)の概念を基盤として導出した.この条件は,ロバスト安定性に対して必要十分であり,現在主流となっているスケーリングやマルティプライヤなどによる十分条件に基づく安定性解析法を拡張した形となっている.
    この結果を応用することにより,種々のロバスト制御系設計問題を統一的に数値計算問題に帰着させ,数値計算法の視点から分類を行った.特に,WP条件で記述される一般的なクラスのロバスト制御問題を,効率よく大域解を計算可能なLMI(線形行列不等式)問題と,大域保証の無い局所解を計算可能なBMI(双線形行列不等式)問題,さらにこれら以外の数値計算困難な問題とにクラス分けを行い,様々な制御問題の本質的な難易度を数値計算法の立場から明らかにした.
    (2)制御問題の構造を考慮した内点法アルゴリズムの検討:
    まず、LMI拘束条件の最適化問題を対称行列に対する線形相補性問題として捉え、それに対する主双対内点法アルゴリズムを提案し、その収束性等について線形計画法の内点法の場合と比較した。さらに、この結果を制御系設計問題で生ずる構造を有した半正定値計画問題の数値解法にどのように適用するかについて検討し、ブロック構造を持つ問題に対する計算効率の高いアルゴリズムを得た。
    (3)CADシステムの開発:
    提案した内点法アルゴリズムに基づく半正定値問題の計算パッケージをC++言語で作成した。現在、これらの成果に基づいて、CおよびC++によるCADシステムの開発を行っており、プロトタイプができた段階である。

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  • 省力化のための知的制御手法を用いた搾乳ロボットの開発

    研究課題/領域番号：07650474  1995年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    香川 利春, 木村 哲也, 藤田 壽憲, 八谷 満, 原 辰次

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    配分額：2100000円 （ 直接経費：2100000円 ）

    (A)搾乳ロボットの製作と乳頭への追従制御
    搾乳ロボットのアーム部の設計に必要な乳牛の乳頭大きさ、位置および乳頭の動きを調査した。乳頭の位置からアームの可動範囲を決定し、乳頭の動きからアームを駆動するサーボモータの選定を行った。また乳頭は予想された動きより速く広範囲に移動することが明らかになり、補助的に乳牛を一定のコンプライアンスで保持し、ある範囲内に留める把持機構も同時に設計試作した。また乳頭位置を検出するセンサ系も1サンプリング当たり0.6[s]で、精度1[mm]以内と搾乳機の挿入に十分なものを実現することができた。サンプリング時間を考慮して適切なコントローラゲインが得られるように制御器を設計し、モデル乳頭に対してではあるが、本ロボットアームにより乳頭への搾乳機の装着が可能であり、本装置の実用化への実現性を実証することができた。
    (B)搾乳機の圧力制御とその最適制御
    空気圧サーボ弁と圧力センサを用いて吸引力を制御できる搾乳機を製作した。圧力制御系の動特性は十分であり、仔牛の吸引パターンを模擬できることを確認した。これまで使用されてきた搾乳装置では乳頭の個体差により異なった吸引力が、制御により乳牛に応じて適応的に一定とすることが可能となった。現在、最適パターンの探求のため、吸引力、吸引パターンと乳牛の血圧、心拍数および乳量等の関係を調査中である。この関係が明らかになれば吸引力の最適制御が確立される予定である。

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  • 遅れを伴なう非線形系に対するディジタル・ロバスト制御-制御系設計法とその人工筋アクチュエーター制御への応用-

    研究課題/領域番号：06650278  1994年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    原 辰次, 藤田 寿憲, 近藤 仁志, 香川 利春

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    配分額：2300000円 （ 直接経費：2300000円 ）

    本研究は、設計理論と応用の大きく二つからなり、主な研究成果は以下の通りである。
    (A)設計理論(ディジタルロバスト制御系設計法):
    1.むだ時間系を含む一般的なディジタル制御系の解析として、通常よく用いられるH^2ノルムの両性能指標の関係を明らかにした。
    2.ロバスト制御性能を達成するディジタル制御系の一設計手法であるスケーリング付H∞制御問題凸性ならびに数値解法を示した。
    3.連続時間、離散時間、ディジタル制御系の解析・設計を統一的に行うハイブリット系のモジュールをXmath上に作成した。
    (B)応用(人工筋アクチュエーターのディジタル・ロバスト制御):
    1.特性変動、非線形性や管路遅れを考慮した自由度アームの非線形モデルに基づいて、厳密な線形化の有効性について実験的に確認した。自由度アームについては、モデル化を終了し、制御系の設計段階である。
    2.さらに、バックラッシュなどモデル化の難しい非線形性に対しては、等価外乱とみなした理論的検討を行った。その結果、定常的に非線形性の影響を除去する線形化手法を提案し、実験によりその有効性を確認した。
    3.現在、上記手法の一般性を確認するため、空気圧シリンダにより考察、実験を行っている。

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  • 人工筋アクチュエータのロバスト制御

    研究課題/領域番号：05650230  1993年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    香川 利春, 藤田 壽憲, 近藤 仁志, 原 辰次

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    配分額：2000000円 （ 直接経費：2000000円 ）

    1.人工筋アクチュエータの体積変動など非線形性を考慮したモデルを作成した。特に力-変位特性にヒステリシス特性を考慮するころにより収縮量が適切に評価できるようになった。空気圧サーボ弁のラップ特性が人工筋アクチュエータの動作に大きく影響することが明らかになりラップ領域におけるモデルを導出した。これらのモデルの妥当性を実験により確認した。
    2.空気圧システムにおいて非線形フィードバックによる線形化が理論的に可能であることが明らかになった。実験を通して厳密な線形化を用いる手法が空気のコンプライアンスおよびサーボ弁の流量特性など空気圧システム特有の非線形性の補償に非常に効果的であることを示した。また状態量として圧力より加速度をフィードバックしたほうが特性変動に対して強くなることがわかった。
    3.ディジタルロバストサーボ系におけるサンプリング周期と制御性能の関係を制御対象が1次と2次系の場合について調べた。不安定な2次系ではサンプリング周期によりサーボ系の性能が急激に悪化するなど制御系を設計する上で有用な結果が得られた。現在、得られた知見の理論的な取り扱いについて検討している。
    4.人工筋をアクチュエータとするサーボ機構を構成し、人工筋アクチュエータの力-変位特性の周波数による変化など制御系のパラメータ変動の大きさについて実験を行っている。これらの特性変動が明かになれば3の果を用いてサンプリング周期を決定しロバスト最適制御理論に基づき制御系を設計する予定である。これらの研究により空気圧システムの高性能化が図れるものと考えている。

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  • むだ時間を含む連続時間系に対するディジタルロバストサーボ系の設計

    研究課題/領域番号：05650383  1993年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    原 辰次, 近藤 仁志

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    配分額：2100000円 （ 直接経費：2100000円 ）

    本研究の成果を以下に示す。
    (1)最適ディジタルロバストサーボ系の設計理論
    1.混合状態空間表現に基づいて無駄時間系に対するディジタル最適制御系の設計法を提案した。評価指標としてはサンプル点間応答を考慮したH_2/H_∞ノルムを用い、等価な離散時間H_2/H_∞制御問題を導出した。
    さらに、最適解を求めるために必要となるリカッチ方程式を、無駄時間のないリカッチ方程式から求める計算アルゴリズムを導出した。
    2.上記結果を繰返し制御などサーボ系設計法へ拡張した。また、繰り返し制御のディジタルロバスト安定化条件について検討した。
    3.上記設計法に基づく最適設計法のパッケージを既に開発中のUNIXシステムの分散型CADシステム上に実現し、上記設計法の有効性を確認した。
    4.現在、上記結果に基づきサンプリング周期と無駄時間の大きさが制御性能に与える影響を定量的に検討している。
    (2)ステッパのディジタル繰返し制御への応用
    LSI製作において重要な位置を占めるステッパの制御に上記設計理論を適用し、その有効性を確認するため、ステッパのパイロット装置を用いた実験装置を準備した。また、システムと分散型CADシステムとを結合し、実験と一体化できる設計環境を整備した。
    今後、演算時間遅れを考慮した最適ディジタル繰返しコントローラ実験により、サンプリング周期と制御性能との関係を明らかにする予定である。

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  • 大学工学教育における国際協力に関する研究 -国際化に対応するために-

    研究課題/領域番号：04044067  1992年 - 1994年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  国際学術研究

    小林 彬, CHU Chong Na, GETSCHKO Nik, WALLACE Ken, LEE Jan.Gyu, BIRKHOFER Ho, KAMM Roger D, GOSSARD Davi, FLOWERS Wood, WEST Harry, 原 辰次, 繁桝 算男, 香川 利春, 北川 能, 清水 優史, CHONG Nam Ch, NIKOLA Getsc, KEN Wallace, JAN Gyu Lee, HERBERT Birk, ROGER D. Kam, DAVID C. Gos, HARRY west, ROGER D Kamm, DAVID C Goss, WOODIE C Flo

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    配分額：18000000円 （ 直接経費：18000000円 ）

    一昨年、昨年に続き6カ国6大学(東工大、マサチュセッツ工科大学、ケンブリッジ大学、ダ-ムシュタット大学、サンパウロ大学、ソウル大学)において、内容の共通する設計の抗議を実施した。講義中MITと東工大では相互に、またソウル大学へは東工大から教官を派遣し特別抗議およびラボ指導を行った。過去3年にわたる講義終了後の調査から、6カ国の大学が協力し同じ内容の講義を行う試みは80%近い学生たちの支持を受けていることが明らかとなった。しかし批判として、本国際協力講義により受講学生が直接刺激、影響を受ける外国教官による特別講義およびラボの機会が少なすぎることが多く挙げられている。わが国の大学が他国の大学と協定を結び、より多くの教官の派遣、招へいにより有効な講義を実施できれば、学生たちに国際化を肌で感じさせまた明確な目標を持ってその第一歩を踏み出させる有効な手段となるであろう。
    しかしながら教官の派遣、招へいは、予算、外国で講義のできる人材、日程等時間をかけて解決せねばならない問題があり、またこれだけでは学生達が直接他国の学生と交流する機会を与えられない。それゆえ、本年は近年その発展、充実が目覚ましいインタネットの活用を研究テーマの一つとした。
    インタネット活用研究の第一歩として、各国の講義終了後毎年開催している国際デザインコンテストでの利用を試みた。具体的には、本年の国際デザインコンテストに選抜された6カ国48名の代表学生を6名づつのグループにわけ、各グループ毎に来日前の2週間でインタネットによりコンテスト用マシンのアイディアを討議し大枠を決定するよう求めた。インタネットはまだ発展途上にあり、このような目的で使用されたことはない。それゆえ幾つかの可能性を検討したが、図面を簡単に制作し発信できる独自のソフトを制作た。
    実験の結果、インタネットは大きな可能性を有するものの、現実には多くの問題点があることが明らかにされた。今回の試みは、インタネットを共通講義に応用する際の雛型になると考えられる。すなわち、明確な共通目的を持つ数名の学生がインタネットを媒介とした会議により、共通の言語を使用して意見交換、相互の意見の理解、最終的な意思決定を行う形式である。それゆえ、明らかになった問題点の幾つかを以下に記す。
    1)ネットワークシステムの問題点;マシンについて具体的な議論を行うには言葉だけでなく図面が不可欠である。図面の使用はファイルを大きくし、一つのメールとして送るには問題が起きる。したがって、情報圧縮、分割、多数のメールとして送信の手段をとる必要が生じ手続きが繁雑となりミスが多くなる。
    2)時差の問題:国の間には種々の時差がある。それゆえ送られたメールが仲間全員に読まれるのに1日必要となる。このメールに対する返答作成に1日、返答が読まれるのに1日、すなわち1回の往復に3日は必要である。数人の会議での意思決定には最低10回のやり取りが必要であることを考えると、簡単な問題でも1月近く必要となる。
    3)会議の進行手段;グループ討議の場合には、グループの意見を集約し討議の方向を導く司会者が不可欠となる。一度の往復に3日を要することを考慮すると、司会者には高度な判断が要求される。従って会議に参加する学生の事前教育が大きな問題となる。また、メールによる会議の最適進行手法の研究も必要である。
    4)その他;実際の講義では、学期のづれ、参加する学生と計算機の数、使用時間等多くの問題が残る。
    最後に、3年間にわたる研究の結果、各国の大学が教育において互いに協力することにより今までにない魅力を大学の工学教育に与えることができることが明確になった。本研究で扱った共通講義の様な場合でも、各国各大学の講義に対する思惑は異なっていてもそれぞれにメリットを得ることが可能であり、わが国にとっては国際化のための有効な一助になるであろう。

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  • ディジタルロバストサーボ系の設計理論の確立とその空気圧アクチュエータ制御への応用

    研究課題/領域番号：04650212  1992年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    原 辰次, 藤田 壽憲, 近藤 仁志, 香川 利春

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    配分額：2000000円 （ 直接経費：2000000円 ）

    本研究の目的は、構造的な特性変動や非線形性の影響を考慮したディジタルロバストサーボ系の最適設計理論を確立し、それを空気圧アクチュエータの制御へ適用し、その有効性を確認することである。
    1.ディジタルロバストサーボ系の設計理論:
    (1)時間領域で表現された特性変動や非線形性に対するロバスト安定化条件をディスクリプタ表現に基づいて導出した(第15回DSTシンポジウムで発表、1992年12月).
    (2)ハイブリッド状態空間表現に基づいて、ディジタル制御系における最適設計法(H_2/H_∞最適制御)の性質を明らかにした(第21回制御理論シンポジウムで発表、1992年5月).ディジタルロバストサーボ系の最適設計法を確立した.(第22回制御理論シンポジウムで発表予定、1993年5月).
    (3)上記設計法を既に開発中のUNIXシステム上の分散型CADシステム上に実現した。
    現在、これらの成果に基づいて、許容できる特性変動や非線形の大きさとサンプリング周期との関係を定量的に評価するなど、提案した新しいディジタルロバストサーボ系設計法の評価を行なっている。
    2.空気圧アクチュエータのディジタルロバスト制御:
    (1)特性変動や非線形性を考慮した空気圧サーボ系各要素の新しい非線形モデルを作成し、実験を通してその妥当性を確認した(機械学会で発表予定).
    (2)上記検討結果をゴム性人工筋をアクチュエータとするサーボ系に適用した.非線形フィードバック+PID制御を行なうことにより、非線形フィードバックを施さない場合に比べ良好な応答が得られた(ロボットメカトロニクス講演会で発表予定、1993年7月).
    現在、1.で提案したサーボ系設計法をこの空気圧アクチュエータ系へ適用する準備を進めている.

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  • 多重周期ディジタルのロバスト制御系の最適設計ー設計理論の確立と柔軟ア-ム制御への応用ー

    研究課題/領域番号：03650205  1991年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    原 辰次, 近藤 仁志

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    配分額：1900000円 （ 直接経費：1900000円 ）

    (1)ディジタルロバスト制御系の設計理論の確立:
    本研究では、申請者が既に提案している連続時間系と離散時間系との混合系を統一的に表現できるハイブリッド状態空間表現モデルに基づいて、以下の研究を行なった(裏面研究発表論文参照)。
    1.ハイブリッド状態空間表現に基づいたロバスト安定条件およびロバスト安定化条件を導出し、連続時間系および離散時間系の条件との比較を行なった。
    2.上記条件に基づいてディジタルロバストコントロ-ラの3つの設計法、1)極配置を考慮した設計法、2)1型サ-ボコントロ-ラの設計法、3)演算時間遅れがある場合の設計法、を提案した。さらにホ-ルド関数の最適設計法についての検討を行なった。
    3.上記設計法を既に開発中のUNIXシステム上のCADシステム(CtrlNet)上に実現し、上記設計法の有効性をシミュレ-ションで確認した。
    (2)柔軟ア-ム制御への応用:
    センサとしてエンコ-ダに加えて、テレビカメラによる画像計測を用いた多重周期ディジタルコントロ-ラによる柔軟ア-ム制御系を構成し、提案した設計理論の有効性を確認している段階である。すでに、画像計測の特徴抽出アルゴリズムを確立し、単一周期のディジタルロバストコントロ-ラによる実験を行ない、提案した設計法の有効性は基本的に確立している(ロボティクス・メカトロニクス講演会'92で発表予定)。現在、多重周期系の構成について検討中である。

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  • ハイブリッド状態空間表現に基づく多重周期サンプル値制御系の解析と設計:統一的解析・設計理論の確立と支援システムの構築

    研究課題/領域番号：02650175  1990年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    原 辰次, 近藤 仁志, 近藤 良

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    配分額：2000000円 （ 直接経費：2000000円 ）

    本研究では、連続時間系と離散時間系との混合系を統一的に表現できるハイブリッド状態空間表現モデルを提案し、このモデルに基づいて、多重周期サンプル値制御系の特性解析および最適設計の統一的理論の確立ならびに新しい解析・設計支援システムの構築を目指した。
    解析・設計理論に関しては、まず単周期系に対し、上記モデルに基づく制御系の特性解析理論(安定解析など)および最適設計法(H_2/H_∞最適設計など)を確立した。この結果は、従来の連続時間制御理論および離散時間制御理論を統一的に包含するものである。さらに、ハイブリッド状態空間表現モデルを多重周期サンプル値系へ拡張した。現在、これらの結果を併せて、多重周期サンプル値系の解析・設計理論の確立に関して検討している。
    解析・設計支援システムの構築においては、基本となる(1)ユ-ザインタフェ-スモジュ-ルと(2)数値計算モジュ-ルとをオブジェクト指向の考えに基づいてネットワ-ク上のウィンドウ環境(Xウィンドウ)上に構築した。さらに、(1)シミュレ-タ、(2)特性解析、(3)最適設計の3つの応用モジュ-ルを上記基本モジュ-ルに基づいて構築した。システムの構築に当たっては、ハイブリッド状態空間表現モデルをベ-スとして、分散処理およびオブジェクト指向の考えを導入し、柔軟性ならびに操作性の向上を図った。現在、その多重周期サンプル値系への拡張を行なっている。

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