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制御実験で学ぶ PID制御の基礎とモデルベース設計による制御性能向上のポイント
舞鶴工業高等専門学校電子制御工学科
川田 昌克 kawata@maizuru-ct.ac.jp
到達目標1. PID 制御の基礎理論の習得
2. モデルベース開発での PID 制御の設計プロセスの理解
3. 現代制御の概要と設計プロセスの理解
講義の内容 実験装置の概要
PID 制御の基礎
P, I, D 動作の役割
角度制御実験による効果の確認
ON/OFF 制御
講義の内容 経験則による PID コントローラの設計法
限界感度法
ステップ応答法
CHR 法
モデルに基づいた PID コントローラの設計法
モータ駆動系のモデリング
モデルマッチング
講義の内容 回転型倒立振子のモデリング
回転型クレーン/倒立振子の制御
モデリング
同定実験
極配置
最適レギュレータ
実験装置の概要
ハードウェアについて
ソフトウェアについて
本講義で使用する実験装置
LEGO MINDSTORMS
LEGO 社 MIT
http://shop.lego.com/
LEGO MINDSTORMS NXT
テクニックパーツ
ポッチ付パーツ
ギア タイヤ
ビームなど ペグ
コネクタ
LEGO MINDSTORMS NXT
センサ
サーボモータ
(角度センサ内蔵)
光センサ
タッチセンサ 超音波センサ
サウンドセンサ
マイコン
(モータ駆動回路等を内蔵)
LEGO MINDSTORMS NXT
センサ
アクチュエータ(DC モータ)
コントローラ(マイコン)目標とする
状態
現在の状態
NXT モータ (サーボモータ)
ロータリエンコーダ(ディジタル角度センサ)
3 スロット DC モータ
関節軸
NXT モータ (サーボモータ)
32
20 13 10
20 10
27 9
40 30 10
DC モータ
10 歯
30 歯上段：40 歯下段： 9 歯
上段：10 歯下段：27 歯
20 歯
13 歯
上段：20 歯下段：10 歯
モータ軸
関節軸エンコーダ軸
回転円板(32 歯，12スリット)
ロータリエンコーダ (ディジタル角度センサ)
通過
遮断
A B
A B
発光部 (LED)
回転円板
スリット
受光部 (フォトトランジスタ)
軸
1/4ピッチ
上面図
A
B
１ ピッチ
A B受光部
発光部 側面図
回転円板
軸
ロータリエンコーダ (ディジタル角度センサ)
ボール式マウス
発光部(LED)
受光部 (フォトトランジスタ)
http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/
http://blog.livedoor.jp/remsy/
動画：1302-2-A.wmv
ロータリエンコーダ (ディジタル角度センサ)
GND
GND
遮断
通過
通過
遮断
A 信号
B 信号
ロータリエンコーダ (ディジタル角度センサ)
正転
逆転
A 信号
B 信号
H
L
H
L
A 信号
B 信号
H
L
H
L
１逓倍ていばい
ロータリエンコーダ (ディジタル角度センサ)
正転
逆転
A 信号
B 信号
H
L
H
L
A 信号
B 信号
H
L
H
L
２逓倍
ロータリエンコーダ (ディジタル角度センサ)
正転
逆転
A 信号
B 信号
H
L
H
L
A 信号
B 信号
H
L
H
L
４逓倍
汎用の DC サーボモータ
DCモータ
ギヤ(減速機)
ロータリエンコーダ
https://www.hds.co.jp/
NXT モータ (サーボモータ)
多段の平歯車を用いて減速しているので，遊びが大きい
形がいびつで使いづらい
ロータリエンコーダを内蔵
PF-XL モータ
ロータリエンコーダを内蔵していない
遊星歯車で減速しているので遊びが小さい
遊星歯車
https://ja.wikipedia.org/wiki/遊星歯車機構#/media/File:Planeetwielmechanisme.gif
LEGO Power Functions
http://powerfunctions.lego.com/
LEGO Power Functions
8883 M Motor
8882 XL motor
9670E Motor
88003 L Motor
88004 Servo Motor
http://powerfunctions.lego.com/
PF-XL モータ + GlideWheel-M
PF-XL モータ GlideWheel-M(ロータリエンコーダ)
サーボモータ
回転円板
発光部(LED)
受光部 (フォトトランジスタ)
http://www.legomindstormsrobots.com/
実験装置の概要
ハードウェアについて
ソフトウェアについて
本講義で使用する実験装置
LEGO MINDSTORMS NXT (ソフトウェア)
グラフィカル言語 記述式言語
NXT-G ROBOTC
初心者向き 上級者向き
複雑な操作の実現は困難 複雑な操作も実現可能
LEGO MINDSTORMS NXT (ソフトウェア)
舞鶴高専 1 年生 (NXT-G) 舞鶴高専 3 年生 (ROBOTC)動画：2012_1S_1_semifinal.wmv 動画：2011_3s.wmv
動画：Thailand_tracer.wmv
Simulink サポートパッケージ (NXT 用)
制御工学の分野で標準のソフトウェア
コントローラの実装や信号計測にも利用可能
LEGO MINDSTORMS NXTのサポートパッケージは無償
R2013a 以降のバージョン
Simulink サポートパッケージ (NXT 用)
D/A 変換 カウンタ
PI-Dコントローラ
実験装置の概要
ハードウェアについて
ソフトウェアについて
本講義で使用する実験装置
角度制御実験装置
NXT モータ(エンコーダ付ギヤードモータ)
NXT インテリジェントブロック(マイコン，バッテリー，制御回路等)
回転型倒立振子/クレーン実験装置
PF-XLモータ
NXTマイコン
GlideWheel-M(振子用エンコーダ)
GlideWheel-M(アーム用エンコーダ)
おっとっと
・・・
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