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2 通信工学が生んだフィードバック制御 ニューヨークとシカゴが長距離電話で結ばれた (1892 年 ) 距離に伴う信号の減衰 劣化が問題 レピレータ ( 繰り返し器 中継器 ) の活用の限界 三極真空管の発明 (1906 年 ) アメリカ東海岸と西海岸が結ばれた (1915 年 ) フィードバック増幅器の発明 ( ブラック 1925 年 ) 雑音やゆがみの減衰を理論的に解明 ( ベル研究所 ) フィードバック という言葉は通信工学分野で誕生した 2

3 サイバネティクスの提唱 舵手 という意味のギリシャ語からの造語 動物と機械の制御と通信に関わる新しい学問の提唱 制御の視点から, 動物と機械に共通する原理を求めることによって動物 ( 人間 ) の知能行動のメカニズムを知り動物 ( 人間 ) と同じような行動をする機械を作ろうと考えた. 機械論的唯物論 (mechanical materialism) 人間の意識や有機生命を自然的物質に還元し 全て力学的な法則によって説明する機械論に基づく唯物論の一つで 全ての存在に自然科学的方法論を適用しようとする形而上学的唯物論の一種 機械論的唯物論は まずギリシャにおいてデモクリトスによって完成され 17 世紀以降 自然科学の成長に並行し 近代市民によって深化されていった デカルトの二元論 ホッブス スピノザの唯物論などは 唯物音としては機械論的唯物論に属し 18 世紀に入ると ラ メトリー エルヴェシウス ドルバック ディドロ等フランスの唯物論者がこの立場を徹底した ノーバート ウィーナー ( Norbert Wiener, 1894 年 11 月 26 日 年 3 月 18 日 ) はアメリカ合衆国の数学者 ミズーリ州コロンビア生まれ サイバネティックスの創設者として知られている 1906 年 9 月に 11 歳でタフツ カレッジに入学 1909 年 14 歳のときに数学で学位を取得し ハーバード大学の大学院に入学 1912 年 18 歳のときに 数理論理学に関する論文によりハーバード大学より Ph.D. を授与された 1919 年 24 歳のときに マサチューセッツ工科大学 (MIT) 数学科の講師の職を得た ウィーナーは学生の間では お粗末な講義のスタイル ジョークや 放心状態となることで有名だった サイバースペースサイボーグサイバーテロ サイバーは コンピュータの インターネットの 等を指す接頭辞. サイバネティクスに由来する. 3

4 オートメーションの進展 自動化, 人間の行っている仕事を機械に自動的に行わせること 1950 年代 自動車の組み立て 鉄鋼の圧延分野などをはじめとする全産業分野第 2 次世界大戦以降のオートメーションブーム 機械オートメーション : 自動車の生産インラインなど プロセスオートメーション : 石油化学や繊維工業などの素材生産のプロセス オフィスオートメーション : 会計機や分類器など 事務の効率化 第 2 次産業革命 製品の品質の安定化 精度の向上 速度の向上 省人化 4

5 オートメーションの現在 IoT(internet of things) モノのインターネット (Internet of Things IoT) は 一意に識別可能な もの がインターネット / クラウドに接続され 情報交換することにより相互に制御する仕組み Internet of Everything や Smart Everything サービスのモノ化 ともいう Internet of Things という用語は 1999 年にケビン アシュトン ( 英語版 )(Kevin Ashton) が初めて使った用語 ここでいう もの とは スマートフォンのように IP アドレスを持つものや IP アドレスを持つセンサーから検知可能な RFID タグを付けた商品や IP アドレスを持った機器に格納されたコンテンツのこと ( ウィキぺディアより引用 ) Industry 4.0 ドイツ政府が推進する製造業の高度化を目指す戦略的プロジェクトであり 情報技術を駆使した製造業の革新の事を差す 工業 特に製造業を高度にデジタル化する事により 製造業の様相を根本的に変え マスカスタマイゼーションを可能とし 製造コストを大幅に削減することを主眼に置いた取り組みである 全ての機器がインターネットによってつながり またビッグデータを駆使しながら 機械同士が連携して動く事はもとより 機械と人とが連携して動くことにより 製造現場が最適化されると想定している 現在ドイツの電子機器メーカーや自動車メーカー IT 通信企業が中心となり スマートファクトリー つまり 自ら考える工場 を目指して機器の開発やビッグデータの扱い 標準化について取り組んでいる 工場を中心にインターネットを通じてあらゆるモノやサービスが連携することで 新しい価値やビジネスモデルの創出を目指した取り組みであり ドイツに限らず 北米や日本にもその考え方が波及しており 米国では インダストリアルインターネット として同様の取り組みがなされている ( ウィキぺディアより引用 ) 5

6 オートメーションの未来 機械は必ず制御を必要とする システムの 統合化 IT 技術との連動 さらに徹底化した自動化と最適化 人口減少をターゲットにした技術の創出 自動運転 人工知能 セキュリティーの問題 ウェアラブルコンピュータ MEMS クリーンエネルギー DMA 操作植物 動物先進的防災 ありとあらゆる領域の革新 交通, 運輸, 通信, 流通, 金融, エネルギー, 医療, 福祉, 警備, サービス業, 農林水産業, 資源開発, 創薬 6

7 最適制御の源流 最適化 ある評価基準 のもとで 最も良い手段を見つけること A 最適化問題の定式化 オペレーションズリサーチ ( 作戦の研究 ) 第二次世界大戦中 イギリス 様々な最適化手法を生み出した B 最大原理 最適制御の体系的な理論を構築 与えられた 2 点 A,B を滑らかな曲線で結び, 重力のもとで A から出発した球が B に最短時間で到達するようにせよ ポントリャーギンのグループ 旧ソ連の数学者 評価基準は到達時間 微分方程式で記述されたダイナミカルなシステムをある状態から別の状態に移す最適な操作入力求めるための理論 サイクロイドと呼ばれる曲線が最短到達曲線になる オペレーションズリサーチで発展した最適化手法をダイナミックなシステムに拡張したもの 7

8 現代制御理論の誕生 ウィーナーフィルターは定常性を仮定し 過去のデータが完全に分かっている場合には有効だ スタンレー シュミット ( 当時 33 歳 ) が NASA( アメリカ航空宇宙局 ) に呼び出されたのは 1959 年秋のこと 彼に課された研究課題はただ一つ 月探査ロケットを制御するために その位置を正確に測定するにはどうすればいいか? しかし 月探査ロケットは途中でジェットを使って姿勢制御をすることがあるから定常性を仮定できないし データも不完全にしか得られないことが多い だから ウィーナーフィルターは使えない Norbert Wiener ルドルフ カルマン ( Rudolf Emil Kalman 1930 年 5 月 19 日 - ) はハンガリー系アメリカ人の工学者である 彼は電気技術者として教育を受た後 カルマンフィルターの研究で名を馳せた 1960 年の秋, カルマン ( 当時 30 歳 ) が NASA に招聘された Rudolf Emil Kalman こういった問題では 真の位置を推定しても 必ず実際の位置とはズレが出てしまいます 推定した値と 実際に観測した値の差を 予測誤差 と呼びます その予測誤差に値 K を掛けることによって改善された推定値が得られます 式で書くこんな形です 改善された 真の位置の推定値 = 改善される前の 真の位置の推定値 +K ( 予測誤差 ) カルマンはその値 K をいかに適切に計算するかを彼の論文で導出していた. カルマンフィルタはアポロ計画においてロケットの軌道を推定する手法として利用され, 計画を成功に導いた カルマンフィルタは, 現在, 航空宇宙工学, 制御工学, 通信工学を初め, 情報工学, 土木工学, 医学, 社会経済学など様々な分野に幅広く応用されている 現在ではその K のことを カルマンゲイン と呼ぶ カルマンフィルターの利点は この式を繰り返し用いて 新しい観測データが得られるたびに推定値を修正するという繰り返し計算をするため ウィーナー コルモゴロフフィルターのように事前に過去のデータが完全に得られている必要がない点にある 8

9 2.2 制御の条件 規格化 合わせる制御 制御のもっとも基本的な機能規格に合う部品を製造することは, 産業の効率に欠かせないもの作りのために必要とされる技術位置をあわせる, 標的に合わせる技術 定常化 保つ制御 あらゆる物理量を一定に保つことは, ものづくりの成否を握る鍵 生物の体の恒常性 ( ホメオスタシス ) も保つ制御と見ることができる 自動化 省く制御 人手を省く 制御のためのエネルギーやパワーを省く ( 省エネ エコロジー ) 9

10 2.2 制御の条件 目的と手段を決める 制御には必ず 目的 がある制御の 目的 は, ある量に望ましい振る舞いをさせること望ましい振る舞いをさせたい量 = 制御したい量 ( 制御量 ) 制御量に影響を与えるために操作する量を操作量とよぶ 制御量の望ましい振る舞い を定量的に表したもの= 基準量 制御とは : 操作量を用いて制御量と基準量との差をなるべく小さくする事 10