実践的に制御理論を学ぶための教材とカリキュラム開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K02949
• Research Institution: Maizuru National College of Technology
• Principal Investigator: 川田 昌克 舞鶴工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (90311042)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 制御工学 / カリキュラム開発 / 教材開発 / Arduino / LEGO / MATLAB/Simulink

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，難解な「制御工学」を実践的に学習するための教材開発を行っている．しかし，計画当初に利用を想定していた LEGO MINDSTORMS EV3 やサードパーティの LEGO 用センサの製造が令和 3 年 7 月に終了したため，方針を変更する必要が生じた．
そこで，LEGO MINDSTORMS EV3 インテリジェントブロック（マイコン）の代わりに，Arduino 互換ボードとシールドを組み合わせた MinSegMEGA Shield M2V5 を利用し，また，LEGO 用のモータやセンサの代わりに，汎用のモータやセンサを利用することを検討してきた．
学習用教材としては「回転型倒立振子」の開発を行った．この教材は，振子を上下のいずれで安定化させるかによって，制御の難易度を変更することができる．また，コンパクトな構造であるため広いスペースを必要とせず，個人での実機実験に適している．さらに，マイコンの環境は「制御工学」の分野で標準的なソフトウェアである MATLAB/Simulink に対応しているという利点がある．
提案する教材の開発について考慮したのは，誰でも簡単に製作が可能であるという点である．そのために，「回転型倒立振子」の筐体は LEGO 部品を利用し，汎用のモータやセンサとはネジで取り付けできるようにした．また，提案する教材が「パラメータ同定」，「古典制御」（PID 制御やローパスフィルタなど），「現代制御」（最適レギュレータやオブザーバなど），「アドアンスト制御」（FRIT によるデータ駆動制御や量子化制御など）といった内容を効果的に学習できることを確認した．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

令和 2 年度に引き続き，申請者は所属機関における新型コロナウイルス感染症対策本部のメンバーを務めており，研究時間が大幅に削られてしまい，研究を遂行することができなかった．ただし，令和 3 年度後半から，少しずつ研究をする時間ができつつあり，事業期間延長の申請を行い，令和 4 年度内での研究完成を目指している．

Strategy for Future Research Activity

開発した「回転型倒立振子」の製作手順や，実験等を行うための MATLAB/Simulink ファイルについては，web での公開を目指して準備を進めている．また，提案する教材を利用した学習内容については，令和 4 年 5 月に開催される SCI'22 にて発表する予定である．
さらに，得られた知見を活かし，拙書「MATLAB/Simulink によるわかりやすい制御工学」の改訂版を令和 4 年秋頃に出版する予定である．

Causes of Carryover

申請者は所属機関における新型コロナウイルス感染症対策本部のメンバーを務めており，研究時間が大幅に削られてしまい，研究が進まなかった．そのため，教材製作のための物品の購入をほとんど行えていない．また，学会や情報収集を学外で行うことができなかったので，旅費を計上していない．令和 4 年度は繰り越した研究費を用いて遅れている研究内容を進めていきたい．