教育・講義資料

 制御工学の基礎となる制御理論や制御系設計論を中心に、関連する周辺技術などで大学教育に携わっています。学生諸君向けに制御工学について簡単に整理をしてみました。また、講義関連の資料を掲載しましたので、参考にして下さい。徐々に追加したいと考えています。

 

現代社会における制御工学の意義について

 自動制御技術は今日のハイテク社会を支える基盤技術であり、コンピュータの進歩と共に発展を続けています。さらに、制御工学は従来からの理論に知識・知能化技術が加わり多様化が進んでいます。その教育内容にも益々専門性が要求されていますが、技術立国を支えるには当然のことであり、関連する技術も含めてしっかりと学び、思考力を養う必要があります。

 

制御と自動制御

              

制御の意味は目的に合うように対象に操作を加えること、つまり対象を思う通りに動かすことであります。私たちが写真を撮るとき、マニュアルで焦点を合わせる場合とカメラ任せの自動で撮影する場合とがあります。マニュアルフォーカス撮影は人手による操作を介すので手動制御といえます。オートフォーカス撮影は光学センサにより焦点合わせや露出調節を自動的に行うので自動制御であります。また、水洗トイレのタンクは浮子により水位を検出し自動制御を行っています。さらにオーディオ・ビジュアル製品のメディアディスクの回転速度やヘッドの移動においても速度および位置センサを用いた自動制御が行われています。カメラの合焦操作や水洗トイレの水位制御は手動制御でも実施できますが、オーディオ・ビジュアル製品のような高速かつ高精度の制御は手動制御では困難であります。

 

なくては困る自動制御

         

 産業分野のどんな業種においても自動制御が実施されています。たとえば自動車の組立てラインのロボットによる一連の作業なども位置センサ等を用いて自動制御が行われています。制御が機能しないロボットは単なる鉄くずにすぎません。例をあげるときりがありませんのでやめておきますが、今日の産業は“制御技術なくしてはもはや立ち行かない”と言っても言い過ぎではないでしょう。ここで取り上げた自動制御システムは図のようになります。制御システムの中枢(頭脳)はコントローラと呼ばれ、通常コンピュータが使用されています。

 

制御理論の役割

 自動制御の基礎となる制御理論の役割は大きく分けると2つあります。最初の1つは制御対象の特性を調べてそれを明確に定式化することです。もう1つは定式化した制御対象に対して適切なコントローラ(制御器)を配置し、制御仕様を満たすようなフィードバック制御システムを設計することです。すなわち、自動制御システムの頭脳部分であるコントローラを設計することであります。

 

コンピュータによるフィードバック制御システムの主要な要素

       

 制御すべき対象は数え切れないほどありますが、頭脳部分であるコントローラは共通しており、コンピュータがこれを受持ちます。次に、人間の手足に相当するアクチュエータ(駆動部分)は、機械ならばモータ、車ならエンジンなど様々あります。したがって、この対象の駆動部が重要な要素になります。また、制御したい物理量もたくさんあり、ロボットなら関節の角度や力、自動車ならばスピード、車体の操舵角などが上げられます。センサ(検出部)は人間の五感に相当し、物理量をコンピュータに取込めるような電気信号に変換する要素になります。その他、コンピュータとアクチュエータ間、センサとコンピュータ間の信号処理をコンピュータの入出力インタフェース部が受持つことになります。図はロボットアーム制御システムの一例です。ほんの一例でフィードバック制御を理解することは困難かもしれません。また、制御用ソフトの部分は具体的に表面には出ていません。人間と同様に内面は見えないのですが、実は制御で一番大切な部分がこの中にあることを忘れてはいけないと思います。制御システムを通し、広い視野で物事を見る眼を養うことが大切です。

 

自動化社会を支えるシーケンス制御

  

 フィードバック制御に対し、あらかじめ決められた動作順序(シーケンス)に従って制御が進められるシーケンス制御があります。身近な例ではエレベータシステムや切符の券売機などが上げられます。シーケンス制御の基礎は論理数学であり、実際の計装にはPLC(プログラマブルコントローラ)やディジタル回路の技術が中心となり、前述のアクチュエータ(パワーエレクトロニクス)やセンサ等が共に構成要素として使用され、今日の自動化社会を支えています。

 

講義関連資料

旧:基礎ディジタル回路

順序回路の動作(PDF:169KB) 、 順序回路の設計(PDF:82KB)

旧:基礎ディジタル回路 回路シミュレーションソフトhttp://babbage.cs.qc.edu/courses/cs343/Circuit Maker/
旧:基礎ディジタル回路 回路シミュレーションソフトCircuit Makerインストール説明(Comment.zip:2KB)
システムの数学・同演習 計算機支援ソフトhttp://sourceforge.net/project/showfiles.php?group_id=2888&package_id=40078&release_id=404493
システムの数学・同演習 計算機支援ソフトOctaveインストール説明(Comment2.zip:2KB)
大学院/旧:システム同定 逐次最小2乗法による推定シミュレーションソフト(RLS.zip:185KB) 、使用例と説明(PDF:685KB)
大学院/旧:システム同定 逐次補助変数法による推定シミュレーションソフト(RIV.zip:187KB)
大学院/旧:システム同定 実測データ推定(Rivdat.zip:180KB
大学院/旧:システム同定 推定ソフトパッケージ(Estimate.zip:1526KB
大学院/旧:システム同定 レポート(Sys_ident_report.zip:22KB)
大学院/旧:適応制御 適応極配置制御シミュレーションソフト(Dfapx.zip:181KB)、使用例と説明(PDF:375KB)
大学院/旧:適応制御 積分適応極配置制御シミュレーションソフト(Intapx.zip:182KB
大学院/旧:適応制御 モデル規範適応制御シミュレーションソフト(Mrac.zip:177KB
大学院/旧:適応制御 適応制御ソフトパッケージ(Adapt_Control.zip:1139KB
大学院/計算機応用特論 PCIバスドライバ(インタフェース社ボード用)(PDF:191KB
大学院/計算機応用特論 PCIバスドライバ(インタフェース社ボード用)(PDF:429KB
大学院/計算機応用特論 ISAバスドライバ(手作りボード用)(PDF:294KB
基礎制御理論・同演習 実習資料2013年度(2013practice.zip:896KB
基礎制御理論・同演習 GNU Octaveによる標準2次系のステップ応答(PDF:187KB)
基礎制御理論・同演習 GNU Octaveによる標準2次系の過渡応答諸量(PDF:143KB)
基礎制御理論・同演習 GNU OctaveによるBode線図とVector軌跡(PDF:160KB)
基礎制御理論・同演習 GNU Octaveによる標準2次系の周波数特性諸量(PDF:204KB)
基礎制御理論・同演習 GNU Octaveによる位相進み補償(PDF:299KB)
基礎制御理論・同演習 GNU Octaveによる位相遅れ補償(PDF:273KB)
基礎制御理論・同演習 OP.アンプによる補償回路(PDF:162KB)
基礎制御理論・同演習 GNU Octaveによる根軌跡(PDF:361KB)
システム開発演習 開発環境インストールファイル(Install.zip:131KB)
システム開発演習 実習資料(PDF:1296KB)
システム開発演習 実習資料(Application.zip:360KB)
システム開発演習 レポート(PDF:545KB)
システム開発演習 レポート例(Ipd_report.zip:370KB
システム開発演習 アニメ作品(PDF:215KB)   (PDF:194KB)
システム開発演習 2010年度資料(Web_sysdev.zip:1234KB)
システム開発演習 2013年度資料(sys_dev2013.zip:6751KB)

制御系設計

DCモータ制御系の設計(PDF:112KB) 、 英語版(PDF:71KB)

旧:機械運動学・同演習 数値シミュレーション追加資料(Machine1.zip:737KB)
旧:ダイナミックス 前科目担当者 穴吹先生講義資料(PDF:785KB)
旧:シミュレーション工学 計算機室環境設定1(Simu_start1.zip:9615KB
旧:シミュレーション工学 自宅PC環境設定2(Simu_start2.zip:9615KB
旧:シミュレーション工学 講義資料1(Lec1.zip:1858KB)
旧:シミュレーション工学 講義資料2(Lec2.zip:1444KB)
旧:シミュレーション工学 講義資料3(Lec3.zip:1835KB)
旧:シミュレーション工学 講義資料4(Lec4.zip:174KB)
旧:シミュレーション工学 課題2010report(PDF:29KB)
旧:シミュレーション工学 前科目担当者 穴吹先生講義資料(PDF:959KB)