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2023 年度 実施状況報告書

制御工学を実践的に学ぶことができる実験教材とカリキュラムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K02779
研究機関北九州工業高等専門学校

研究代表者

川田 昌克  北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 教授 (90311042)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
キーワード制御工学 / カリキュラム開発 / 教材開発 / Arduino / MATLAB/Simulink
研究実績の概要

本研究では,実践的に難解な『制御工学』を学ぶために,安価で操作性の良い教材を開発し,これを利用したカリキュラムを提案する.そのために,以下の工夫を行った.
(1) 本体の製作には LEGO 部品およびその互換部品を利用した.このことにより,レーザーカッターや 3D プリンタを利用せずに実験装置を製作することができるようにした.
(2) モータやエンコーダとしては LEGO 部品にネジ類で簡単に取り付けることが可能な汎用のものを選定した.
(3) マイコンは汎用の Arduino Mega を使用し,実装には『制御工学』分野で標準的なソフトウェア MATLAB/Simulink を利用した.このことにより,Simulinkブロックを結線するだけで簡単に実機実験を行なったり,リアルタイムでの信号観測,データの取得ができるようになった.
(4) マイコンには誰でも簡単に結線することが可能なモータシールドの自作方法を提案し,コストを下げることを可能にした.
本年度は,「回転型倒立振子」や「アーム型倒立振子」を製作する手順を示した.また,これら教材を利用してモデリング,PID 制御,状態フィードバック制御といった基本事項に加えて,外乱オブザーバや量子化制御などのアドバンストな事項を学習させるためのカリキュラムを構築した.提案した内容は,学術論文や解説論文に掲載され,WEB 上に組み立て手順や MATLAB/Simulink ファイルを広く一般に公開した.さらに,「アーム型倒立振子」の振子を取り外した「鉛直面を回転するアーム系」を利用した PID 制御の講習を企業で行ない,その有効性を確認した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は 2 種類の教材「回転型倒立振子」,「アーム型倒立振子」とそれを利用したカリキュラムを提案することができた.そして,計測自動制御学会やシステム制御情報学会の学会誌に学術論文,解説論文が掲載され,WEB で広く一般に公開することができた.また,「回転型倒立振子」については,他のいくつかの教育機関で実際に実験科目やオープンキャンパスなどで利用されているなど,本教材が普及する足がかりとなっている.さらに,教材「鉛直面を回転するアーム系」を利用した PID 制御の講習を実施し,アンケート結果から有用性を確認できた.
以上の進捗を鑑みて,全体として当初の計画以上に進展していると評価する.

今後の研究の推進方策

「アーム型倒立振子」については,アームが真下近傍での動作しか実現できていない.これは,小型のギヤ付モータを利用していることが要因のひとつであると考えられるので,別のモータを選定して,アームが真上近傍での動作も可能であるように改良する予定である.また,「慣性ロータによる倒立振子」など,別の教材開発も行なっていきたい.
同時に,高専での授業に本教材を展開し,その効果を検証していく予定である.

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた電子部品が品切れであり,年度内に購入することが困難であったため,次年度使用額が生じた.2024 年度は電子部品を購入し,教材の試作を進めていく予定である.

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 3件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] モデル誤差抑制された PID 制御系の FRIT を利用したパラメータ調整と LEGO 教材による実験的検証2024

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 雑誌名

      システム制御情報学会論文誌

      巻: 37 ページ: 31-33

    • DOI

      10.5687/iscie.37.31

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 零点と不安定極をもたない 2 次系に対する外乱オブザーバとモデル誤差抑制補償器の関係について2024

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 雑誌名

      計測自動制御学会論文集

      巻: 60 ページ: 101-103

    • DOI

      10.9746/sicetr.60.101

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 制御工学を実践的に学ぶことができるアーム型 LEGO 倒立振子の開発2024

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 雑誌名

      計測自動制御学会論文集

      巻: 60 ページ: 141-150

    • DOI

      10.9746/sicetr.60.141

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Arduino/LEGO教材を利用したPID制御の教育事例 - 経験則,モデルマッチングからデータ駆動制御,外乱補償まで -2024

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 雑誌名

      計測と制御

      巻: 63 ページ: 185-189

    • DOI

      10.11499/sicejl.63.185

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] LEGO 部品と Arduino を利用した「倒立振子」の開発レシピ - やっぱりモノを動かしてみたいでしょ!2024

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 雑誌名

      システム/制御/情報

      巻: 68 ページ: 84-89

    • DOI

      10.11509/isciesci.68.3_84

    • オープンアクセス
  • [学会発表] Arduino と Simulink を利用した制御工学の教材開発2024

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 学会等名
      第11回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] 『制御工学』を学習するための LEGO 倒立振子の開発 - やっぱり数式を追いかけるだけでなくモノを動かしてみたいでしょ!-2023

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 学会等名
      次世代制御理論研究会(RACOT 研究会)
    • 招待講演
  • [学会発表] PID制御の基本2023

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 学会等名
      日本テクノセンターセミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] PID制御の基礎2023

    • 著者名/発表者名
      川田昌克
    • 学会等名
      日本テクノセンターセミナー
    • 招待講演
  • [備考] 『LEGO 部品と Arduino を利用した「倒立振子」の開発レシピ』のサポートページ

    • URL

      https://qiita.com/Carter/items/f64d6236005be6d9d931

  • [備考] Simulink と Arduino Mega で『制御工学』を学ぶ、はじめの一歩

    • URL

      https://qiita.com/Carter/items/5526a72d05f90d073377

  • [備考] 外乱相殺仕事人!! - MEC と外乱オブザーバ

    • URL

      https://qiita.com/Carter/items/ee86bd061108dc9d25bb

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公開日: 2024-12-25  

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