論文集抄録
〈Vol.33 No.4(1997年4月)〉
論 文 集 (定 価) (本体1,660円＋税)
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タイトル一覧
- ■ 空気圧管内流れの過渡特性に関する研究
東工大・北川 能，香川利春，真田一志，群馬高専・岡田敬夫
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空気圧管内流れの過渡応答を調べると，圧力振幅がある値を超えた場合，従来用いられている線形理論による解析結果と異なった応答が得られ，非線形現象の発生が認められる．この現象を解明するにはまず線形理論が適用できる領域と非線形現象が現れる領域との境界を明白にする必要があり，非線形現象の要因と考えられる乱流遷移を念頭におき，流速変動の検討を含む詳細な解析が必要である．
そこで本研究ではまず，微小振幅領域における空気圧管内流れの過渡応答を対象として，管路壁の熱移動を考慮した温度境界条件の下での線形理論による管内流れの過渡応答の高速高精度計算法を示し，有効性を明らかにした．つぎに，その計算法を用いた計算結果ならびに実験結果をもとに，線形理論が十分正確に成り立つ領域とそうでない領域の境界を明確にした．そして，そこを境界として発生する管内流れの非線形現象のおもな原因が，管内空気流の一時的な乱流遷移であることを示した．
- ■ 多モード音響共鳴を用いたテンソルセル触覚センサ
東大・寺田夏樹，篠田裕之，安藤 繁
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本論文では，3次元構造触覚センサに関する一連の研究の一環として，弾性体内の応力センソル場の固有構造が表面での接触次元（点接触，線接触，面接触）や広がりに関係づけられることを利用し，弾性体に埋め込まれた空洞の音響共鳴周波数のシフトから種々の接触情報を得る空洞共鳴型触覚センサの基本構造を提案し，基礎実験結果を示す．
この空洞共鳴型触覚センサは，弾性体内部に微小な空洞を形成し，1個の送受信子を配置して作られる．送信子を通じて空洞内に音場を生成すると，複数の周波数において鋭い共鳴が発生する．これらの周波数は空洞の変形形態に応じてそれぞれ独自の変化を示す．したがって複数の共鳴周波数シフトから空洞の変形形態と変形量を測定し，さらに，表面変形から内部変形への伝達関係を逆にたどることによって，触覚センサ表面における接触情報を獲得することができる．
そこでわれわれは，最初に弾性体内の歪みテンソルの変化と共鳴周波数の変化との関係を定式化し，続いて，最も対称性が高い形状をもつ球形空洞に対して，それらの関係の具体形を導く．球形空洞を用いることの測定原理上の意義を述べた後，これを実際に試作して，応力テンソルのランクとその主成分の大きさ（主応力）が測定可能であることによって，主応力の方向を含めた全自由度が測定可能であることを，理論的実験的に明らかにする．
- ■ 固有値割当法に基づくロバスト安定化法―不確定性の構造の強さを考慮して―
防衛庁・稲石 敦，江口弘文，九工大・山下 忠
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著者らは先に，基準となるシステムモデルの状態行列に，不確定性が，その構造を表わす時不変な行列とその大きさを支配する時変な係数との線形結合によって表現される線形系に対し，Keelらの提案した固有値割当法を拡張することにより，それを状態フィードバックによりロバスト安定化するためのアルゴリズム，およびその結果得られる制御系がロバスト安定であるための十分条件を与えた．しかし，その不確定性の表現は構造性の強いものとなっている．
そこで本研究では，状態行列に含まれる不確定成分の変動の上限値を規定することで時変な不確定を表現した線形系を考え，それに対して，シルベスター方程式を用いた固有値割当法に基づく，状態フィードバックによるロバスト安定化法を提案するとともに，その手法により得られるフィードバック制御系が指数漸近安定であるための十分条件を与える．このとき，不確定成分の変動の上限値を規定することにより，不確定性の構造上の制約は緩和される．また，ペロンの固有値（Perron Weighting）を用いロバスト性の保守性の低減を図っている．さらに，飛翔体ヨー・ロール系オートパイロットの設計を例に先の手法と本手法の比較を行う．
- ■ Loop Transfer Recovery for Discrete-Time Plants with Direct Feedthrough Terms
Tohoku University・Tadashi ISHIHARA,Kobe Steel Ltd.,・Nobutaka CHIBATohoku University・Hikaru INOOKA
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For discrete-time plants with direct feedthrough terms, we consider a loop transfer recovery (LTR) technique based on the Riccati equation formalism. We find that the recovery procedure at the plant input side should utilize the correlation between a disturbance and an observation noise. The variance of the observation noise component independent of the disturbance is taken as a parameter for the recovery. It should be noted that most discrete-time models of practical interent are non-minimum phase phase. We show that, for non-minimum phase plants, the Riccati equation with the parameter being zero has multiple non-negative definite solutions one of which is stabilizing. The stabilizing solution is then used to obtain an explicit expression of the sensitivity matrix achieved by the recovery procedure. Using the expression, we discuss the meaning of the LTR for non-minimum phase plants with direct feedthrough terms.
- ■ 一般化強正実補題を用いたμ補償器の設計
神戸大・川西通裕，京大・杉江俊治
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構造化特異値μを用いた制御系の解析・設計手法は構造的不確かさを有するシステムに対して非常に有効であるが，このμの値を厳密に求めるのは一般に困難で，実際の解析・設計にはその上限値が用いられる．最近保守性の少ない上限値がFuらによって提案されているが，考察の対象はあくまで定数行列であり，補償器設計の観点からは十分でなく，たとえば従来のD-K反復法的な設計もできない．
本論文では，S-procedureと行列ポリトープによるFuらのアプローチを基本としてさらに一般化強正実補題を用いることにより，μ補償器の状態空間行列が陽に現れた形式の簡潔かつ保守性の少ないBMIパラメトリゼーションを求める．補償器設計の際に用いるBMIは変数に対して凸ではないが，それでも従来のD-K反復法（これも凸ではない）と比べてつぎのような利点がある．(ａ)実数および複素数の重複スカラーブロックを考慮して補償器設計が行える．(ｂ)有理伝達関数によるゲイン近似（Curve fitting）を行わない．(ｃ)補償器の次数を任意に指定することができる．(ｄ)すべての周波数帯域にわたり構造化特異値μの値がγ未満であることが保証される．(ｅ)従来よく用いられているD-Gスケーリングによるμの上限値よりも保守性の少ないことが保証される．
- ■ むだ時間系の可制御性・可観測性グラミアン―有限次元近似への応用―
都立科技大・児島 晃，千代田化工・安達 功，都立科技大・石島辰太郎
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可制御性・可観測性グラミアンは，システムの入出力間のエネルギの流れを特徴づける基本的な量であり，ロバスト安定化可能性の評価，平衡実現において重要な役割りをはたすことが知られている．そして，平衡実現による近似法は，集中定数系の場合，誤差の上界が事前に得られることから，ロバスト制御，制御器の低次元化などに用いられている．
本稿では入力にむだ時間を含む系に対して定義される可制御性・可観測性グラミアンの性質を明らかにし，平衡実現による近似法（balanced reduction）を導びく．また周波数重みを出力側に導入した可観測性グラミアンの計算法を併せて示し，周波数重みつき平衡実現近似について結果を整理する．入力むだ時間系の場合，可制御性・可観測性グラミアンはそれぞれ，有界な逆を有する作用素とコンパクトな作用素により表わされ，ハンケル特異値はある超越方程式の根により陽に与えられることが示される．
最後に，数値例により１)むだ時間系の平衡実現近似における周波数重みの効果，2)Pade´近似を用いた場合との差異について検討し，それぞれの近似法の特徴を明らかにする．
- ■ スケールドH∞ノルム条件に基づいた2次安定領域の評価
IHI・渡辺 亮，早大・内田健康，北陸先端大・藤田政之，示村悦二郎
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パラメータ変動を持つシステムに対するロバスト安定性解析でしばしば用いられる手法の1つに，二次安定性解析がある．通常の二次安定性解析では，システム行列（A行列）のノミナル値，パラメータ変動の構造，およびパラメータ変動の領域が与えられ，これらの要素から構成されたシステムの二次安定性が問題となる．本稿では，あらかじめ与えられたシステム行列のノミナル値とパラメータ変動の構造に対し，システムが二次安定であるようなパラメータ変動の領域を評価することを考える．
本稿で与える評価は，パラメータ変動を持つシステムに対する二次安定性解析法としてしばしば用いられている，スケールドH∞ノルム条件に基づく評価であるが，スケーリング行列を含まない形で与えられている．
数値例では，本稿で提案する評価法に基づいて，与えられたシステムが二次安定であるようなパラメータ変動の領域を実際に評価し，その有効性を検証する．
- ■ 主軸従軸関係をもつメカトロサーボ系の主軸位置同期を図った高精度輪郭制御法
佐賀大・中村政俊，冷水大作，安川電機・久良修郭
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産業界におけるNC工作機械やレーザー加工，組立ロボット等に代表されるメカトロ機器のサーボ系の輪郭制御の目的は，作業座標上の目標軌跡に沿って制御対象であるロボットアームの先端や，切削バイトの工具等のついた部分を忠実に移動させることである．その駆動部各軸のサーボモータは，できるだけサーボの特性が各軸一致するように調整しても，サーボモータ個々の有するトルク飽和や摩擦などの影響により，それぞれの軸のサーボ特性を完全に一致させるのは困難である．また，動作時にはできる限り外乱が混入しない作業環境下で輪郭制御を行うよう努力しても，工作機械のように工具と被加工物との接触によって速度低下が生じ，それらはすべて輪郭制御性能に悪影響を及ぼす．
本稿では，2つの軸からなるメカトロサーボ系において，従軸の動きが主軸の動きに従って動作する，主軸位置同期を図った高精度輪郭制御法を提案した．提案法の特性解析を行い，モデル化誤差に対する本方法のロバスト性の検討を行った．この提案法をXYテーブルを用いた輪郭制御実験に適用して，外乱状況下においても高精度輪郭制御性能を達成できることを確認した．
- ■ 障害物の幾何学的性質にもとづくセンサベーストデッドロックフリーナビゲーションアルゴリズム
大阪電通大・吉岡 孝，登尾啓史
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最近，モデルベーストナビゲーションに相対するセンサベーストナビゲーションが注目されている．この理由は，予測不可能な出来事，たとえば，障害物が突然現れても，移動ロボットはそれをセンサフィードバックで回避し，確実にゴールへ到達できるというロバスト性にあろう．
本研究では，新しいタイプのセンサベーストナビゲーションアルゴリズムを提案する．従来のアルゴリズムでは，移動ロボットが障害物から離れるところをゴールへ接近させて，そこへの到達を保証していた．このため，移動ロボットは常にゴールまでの距離を正確に計算しなければならなかった，しかし，今回提案するアルゴリズムでは，障害物から離れるところをその幾何学的性質にもとづいて選択するので，ゴールまでの距離計算がまったく不要になる．本稿では，特に，移動ロボットが未知の障害物を回避したのち必ずゴールに到達できることを，障害物の幾何学的性質を利用し理論的に証明した．
- ■ Robust Control for System Parameter Perturbation Using Second Order Derivatives of Universal Learning Network
Kyushu University・Masanao OHBAYASHI,Kotaro HIRASAWA, Masayuki HASHIMOTOand Junichi MURATA
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Characteristics of control system design using Universal Learning Network (U.L.N.) are such that a system to be controlled and a controller are both constructed by U.L.N. and that the controller is best tuned through learning. U.L.N. has the same generalization ability as N.N.. So the controller constructed by U.L.N. is able to control the system in a favorable way under the condition different from the condition at learning stage. But stability can not be realized sufficiently.
In this paper, we propose a robust control method using U.L.N. and second order derivative of U.L.N.. The proposed method can realize more robustness than the commonly used Neural Network. Robust control considered here is defined as follows. Even though the system parameter variables in a nonlinear function of the system at control stage change from those at learning, the control system is able to reduce its influence to the system and can control the system in a preferable way as in the case of no variation. In order to realize such robust control, a new term concerning the variation is added to a usual criterion function. And control parameter variables are adjusted so as to minimize the above mentioned criterion function using the second order derivative of the criterion function with respect to the parameters. Finally it is shown that the controller constructed by the proposed method works in an effective way through a simulation study of a nonlinear crane system.
- ■ 系の安定性を考慮した改良型遺伝的アルゴリズムによる非線形制御器のパラメータ調整
金沢大・田中一男，畑中慎一郎
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本論文では，制御系の安定性を考慮した改良型遺伝的アルゴリズム（RGA）を提案し，非線形制御器のフィードバックゲインを決定する問題へ適用する．RGAは不安定要因を持つと思われる遺伝子をあらかじめ淘汰させるという原理に基づいている．その原理を実現するために，すなわち，制御器のパラメータを記述している遺伝子の安定化可能性をチェックするために，2次安定性の概念を用いる．さらに，RGAでは制御系のロバスト性に関連する指標が導入されており，この指標を利用することによりロバスト性に優れた制御器を設計可能であることを示す．RGAは安定性を考慮しない通常のGAに比べて不安定現象を回避し，パラメータ調整時間も短く，しかもロバスト性に優れた制御器を設計可能であることをシミュレーションにより確かめた．
- ■ 白金抵抗温度計とR熱電対の比較校正の精度評価試験
田中貴金属・寿山幸晴，宮里 稔，浜田登喜夫
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1990年国際温度目盛（ITS-90）のテキストでは13.80K●960.78°Cの温度範囲における標準計器として，白金抵抗温度計（SPRTと略記）の使用を規定している．一方，改正された熱電対の日本工業規格（JIS C 1602-1995）によれば，付属書としてR，S熱電対を標準熱電対として用いる場合の校正方法の規定が設けられており，両熱電対をいくつかの定点で校正して得られた定点測定値と規準熱起電力との差から温度-熱起電力偏差の関係を偏差式で表わす方法を取り入れている．
本試験では，50°C●950°Cの温度領域で50°Cごとに設定した試験温度において，R熱電対の測定値に試験温度とSPRTによる温度値との温度差を熱起電力に換算して補正した補正熱起電力と，試験温度での規準熱起電力にR熱電対を定点校正して求めた偏差式からの熱起電力偏差を加算した内挿熱起電力との偏差のばらつきから比較校正の精度評価を行った．
- ■ 画像流速場計測法への遺伝的アルゴリズムの適用
徳山高専・山田英巳，山根一洋
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一般に，濃度パターン追跡法は，流れ場の可視化画像の採取や解析原理の容易さから実用的に優れた画像流速場計測法の1つであるが，濃度パターン追跡法には比較的多くの過誤の速度ベクトルが検出されやすいという問題が存在する．そのため，得られた計測結果にニューラルネットワークや遺伝的アルゴリズムを利用して過誤ベクトルの判定・削除などを行う方法が提案されているが，当該位置の速度ベクトルが欠落する点が問題である．また，過誤ベクトルの判定を行う前に一度なんらかの画像計測により速度ベクトル分布を求める必要があるので，二重の処理を施すことを前提としなければならない．
本研究では，流れ場の速度ベクトル分布を画像計測する段階から過誤ベクトルの発生を低減できるように，濃度パターンの移動量を遺伝子として流れ場の連続性を考慮した選択・交叉を行い次世代に適応度の高い遺伝子を有する個体を残して最適なパターン移動量を推定することにより，遺伝的アルゴリズムを濃度パターン追跡法に適用する一方法について述べる．
- ■ 正実化補償による離散時間繰返し制御
九工大・樊 家春，小林敏弘
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システム制御の問題において，しばしばある強正実な伝達関数を必要とする．いかにその問題の条件に応じて，強正実な伝達関数を構成するかが問題解決のカギとなる．本論文では，離散時間繰返し制御系を考える場合に，ある前置補償器を用いて，強正実な伝達関数を構成することによって，安定性が保証できることを示す．これによって，出力フィードバックだけで簡潔な離散時間繰返し制御系が構成できるようになる．この伝達関数の構成問題は，二次系に対して完全に可解であることを証明し，その解を解析的に求める方法を示した．さらに，高次系の場合について位相特性の側面から考察し，位相線図で求められることを示した．
- ■ 閉ループ系のインパルス応答列による閉ループ系の同定とその宇宙構造物への応用―技術試験衛星Ⅵ型を用いた軌道上加振データによる実験例―
航技研・山口 功，木田 隆，宇宙開発事業団・関口 毅
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軌道上の宇宙構造物は剛体モードを持った非安定系であるが，このような系や完全に不安定系を対象としたシステム同定を考えると，制御系を通常どおりに動作させながら対象そのものを短時間に同定できることが望ましい．そこで本稿ではERA（Eigensystem Realization Algorithm）により制御器を含めた閉ループ系を同定し状態空間においてその最小実現モデルを構成してから制御器の影響を取り除いて同定対象単体の伝達特性を同定する手法について検討した．そしてその検証例として，軌道上でバス制御系が機能している状況で技術試験衛星Ⅵ型を加振した際のデータを用いて衛星固有の振動モードの同定を行い，その妥当性を実験的に明らかにした．
- ■ 角加速度計測のための1モータ・2軸回転実験装置
神奈川工科大・西原主計，窪田一太朗
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機械への運動指令入力装置，ロボットの高速運動などには，角加速度を直接計測する角加速度センサが必要である．筆者らはこれまで，3次元の任意空間で角加速度をセンシングする理論を整備してきたが，その実験には再現性が高くかつ安価な試験装置の開発が望まれる．
本報告では，斜旋回軸を取り入れ，1モータで2軸方向に回転する簡易実験台を制作し，ノイズを低減し精度高い回転実験が可能となった．このように，1モータで2軸の回転実験を行うためには，ジャイロ機構のような軸受けをもつテーブルを斜旋回軸で駆動するのが簡単であり，また機械的ノイズも小さくする構成も可能である．実験装置の有効性を確かめるため，静電容量形モノリシック加速度ICを用いて，2軸角加速度センサを構成し，所定の角加速度を得ることができ，また，装置改良への指針も得られた．
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