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学習支援計画書(シラバス) 検索システム
専門教育課程 ロボティクス学科
授業科目区分 科目名 単位数 科目コード 開講時期 履修方法
専門教育課程
専門科目
専門
シミュレーション工学
Modeling and Simulation in Robotics
2 E226-01 2023年度
5期(前学期)
修学規程第4条を参照
担当教員名
*印は、実務経験のある教員を示しています。
授業科目の学習・教育目標
キーワード 学習・教育目標
1.力学系モデル 2.伝達関数 3.過渡応答 4.周波数応答 5.制御系設計 動的システムのモデル化,解析手法,制御方法を制御系設計CADを用いてシミュレーション する方法を学習する.伝達関数表現されたモデルに対する過渡応答特性や周波数応答特性の 解析手法とともに,制御系設計のためのシミュレーション方法の修得を目的とする.
授業の概要および学習上の助言
ロボットマニピュレータを中心に,モデル化から制御系設計までの一連の過程をシミュレーションにより実現する方法を学習 する. 1. 制御系設計CAD(MATLAB)の基本的な使い方を学習する. 2. 動的システムを表現するモデルを学習し,1自由度のロボットアームや簡単なシステムをモデル化する. 3. ロボットアームの動特性を解析する. 4. 伝達関数の過渡特性と定常特性を復習し,インパルス応答やステップ応答のシミュレーションを行う. 5. 伝達関数の周波数特性を復習し,ボード線図,ナイキスト軌跡を描く. 6. PID制御によりロボットアームの制御系設計・解析を行う.
教科書および参考書・リザーブドブック
教科書:MATLAB/Simulinkによるわかりやすい制御工学 第2版[森北出版] 参考書:基礎制御工学 増補版[共立出版] リザーブドブック:指定なし
履修に必要な予備知識や技能
制御工学入門と制御工学Ⅰおよび制御工学Ⅱの内容を制御系設計CADであるMATLABを用いてシミュレーションするため,制御 工学入門と制御工学Ⅰおよび制御工学Ⅱ(同時期に開講)を受講していることが強く望まれる.講義にはMATLABがインストー ルされたノートパソコンを持参すること.なお,MATLABのインストールについてはeシラバスにて連絡する.
学生が達成すべき行動目標
No. 学科教育目標
(記号表記)
L 制御系設計CADの基本的な使い方がわかる
L 動的システムのモデルを導出し,過渡応答,周波数応答をシミュレーションできる
L ベクトル軌跡やナイキスト軌跡を利用して,制御系の安定性や特性を読み取ることができる
L ボード線図を利用して,制御系の安定性や特性を読み取ることができる
L 簡単な動的システムの制御系設計や解析ができる
達成度評価
評価方法
試験 クイズ
小テスト
レポート 成果発表
(口頭・実技)
作品 ポートフォリオ その他 合計
総合評価割合 40 40 20 0 0 0 0 100
指標と評価割合 総合評価割合 40 40 20 0 0 0 0 100
総合力指標 知識を取り込む力 20 30 0 0 0 0 0 50
思考・推論・創造する力 20 10 10 0 0 0 0 40
コラボレーションと
リーダーシップ
0 0 0 0 0 0 0 0
発表・表現・伝達する力 0 0 0 0 0 0 0 0
学習に取組む姿勢・意欲 0 0 10 0 0 0 0 10
※総合力指標で示す数値内訳、授業運営上のおおよその目安を示したものです。
評価の要点
評価方法 行動目標 評価の実施方法と注意点
試験 制御系設計CAD(MATLAB)が使用できることを前提に,期末期までの学習事項(時間応答特性と周波数応答 特性)を中心とした期末試験を実施する.
クイズ
小テスト
制御系設計CAD(MATLAB)が使用できることを前提に,中間期までの学習事項(時間応答特性)を中心とし た中間テストを実施する.また,理解度を確認するために2回程度クイズを実施する.
レポート 学習内容を確認し理解を深めるために,4回程度レポート課題を実施する.
成果発表
(口頭・実技)
作品
ポートフォリオ
その他
具体的な達成の目安
理想的な達成レベルの目安 標準的な達成レベルの目安
動的システムを数学的にモデル化し,過渡応答特性や周波数応 答特性の解析手法を理解したうえで,制御系設計CADを用いた 解析ができる.シミュレーション上で,過渡応答や周波数応答 の変化を読み取り,設計仕様を満たすように制御系設計ができ る. 与えられたモデルを理解したうえで,制御系設計CADを用いて 過渡応答特性や周波数応答特性の解析ができる.シミュレーシ ョン上で制御系設計し,過渡応答や周波数応答の変化を読み取 ることができる.
CLIP学習プロセスについて
一般に、授業あるいは課外での学習では:「知識などを取り込む」→「知識などをいろいろな角度から、場合によってはチーム活動として、考え、推論し、創造する」→「修得した内容を表現、発表、伝達する」→「総合的に評価を受ける、GoodWork!」:のようなプロセス(一部あるいは全体)を繰り返し行いながら、応用力のある知識やスキルを身につけていくことが重要です。このような学習プロセスを大事に行動してください。
※学習課題の時間欄には、指定された学習課題に要する標準的な時間を記載してあります。日々の自学自習時間全体としては、各授業に応じた時間(例えば2単位科目の場合、予習2時間・復習2時間/週)を取るよう努めてください。詳しくは教員の指導に従って下さい。
授業明細
回数 学習内容 授業の運営方法 学習課題 予習・復習 時間:分※
1回 MATLABの基本的な使用方法を線形代数の例を通じて習 得する. 講義と質疑 MATLABを使用した線形代数の 演習(プログラムの実行) 予習:MATLABのインストールおよ びWeb上で配布するMATLABに関す るPDF資料の一読 復習:MATLABにて線形代数の計算 を実行する 60 60
2回 動的システムのモデリングとして,システムを伝達関 数として表現する.インパルス応答やステップ応答な どの時間応答を理解する. 講義と質疑 MATLABを使用した時間応答の 演習(プログラムの作成と実 行) 予習:Web上で配布する時間応答 に関するPPT資料の一読 復習:MATLABにてステップ応答を 描画する 30 60
3回 1次遅れ系と2次遅れ系の過渡特性と定常特性について 学習する.極と安定性,極および零点と過渡応答の関 係について理解する. 講義と質疑 MATLABを使用した1次遅れ系 と2次遅れ系の時間応答の演 習(プログラムの実行) 予習:Web上で配布する1次遅れ系 と2次遅れ系に関するPPT資料の一 読 復習:MATLABにて2次遅れ系の時 間応答を描画する 30 60
4回 内部安定性,目標値追従特性と入力外乱抑制特性につ いて学習する. 講義と質疑 MATLABを使用した目標値追従 特性と入力外乱抑制特性の演 習(プログラムの実行) 予習:Web上で配布する目標値追 従特性と入力外乱抑制特性に関す るPPT資料の一読 復習:MATLABにて目標値追従特性 と入力外乱抑制特性を計算する 30 60
5回 PID制御の設計法を学習し,P制御,PD制御,PI制御お よびPID制御における応答の違いを理解する.垂直駆 動アームのPID制御の設計を行う.また,設計法の違 いによる応答の違いを理解する. 講義と質疑 MATLABを使用したPID制御設 計の演習(プログラムの実行 ) 予習:Web上で配布するPID制御に 関するPPT資料の一読 復習:MATLABにてPID制御を設計 し,時間応答を描画する 30 90
6回 総合演習 与えられたモデルにおける制御系設計と時間応答によ る解析 総合演習 MATLABを使用したプログラム 作成・実行による演習 予習:Web上で配布した過去のPPT 資料の確認 復習:MATLABにて制御系を設計し ,時間応答を描画する 60 60
7回 中間テストおよび演習 小テストおよび総合演習 学習内容の復習 180
8回 中間テストの振り返り 総合演習 予習:中間テストで解けなかった 問題の確認 復習:中間テストで解けなかった 問題を再度解く 30 90
9回 周波数伝達関数とゲイン,位相差の関係を理解する. 周波数特性を理解し,ベクトル軌跡による表示をでき るようにする. 講義と質疑 MATLABを使用した周波数応答 の演習(プログラムの作成と 実行) 予習:Web上で配布するベクトル 軌跡に関するPPT資料の一読 復習:MATLABにてベクトル軌跡を 描画する 30 60
10回 ボード線図を用いて,周波数特性を図式的に表すこと ができるようにする. 講義と質疑 MATLABを使用した周波数応答 の演習(プログラムの作成と 実行) 予習:Web上で配布するボード線 図に関するPPT資料の一読 復習:MATLABにてボード線図を描 画する 30 60
11回 ナイキストの安定判別法を理解し,フィードバック制 御系の安定性を判定できるようになる.安定性の程度 を評価するゲイン余裕や位相余裕について理解する. 講義と質疑 MATLABを使用した安定性解析 の演習(プログラムの作成と 実行) 予習:Web上で配布する安定判別 法に関するPPT資料の一読 復習:MATLABにて安定余裕を計算 する 30 30
12回 PID制御の周波数特性を理解する.フィードバック特 性と周波数整形について理解する. 講義と質疑 MATLABを使用したPID制御の 周波数応答の演習(プログラ ムの作成と実行) 予習:Web上で配布するPID制御の 周波数特性に関するPPT資料の一 読 復習:MATLABにてPID制御の周波 数応答を描画する 30 60
13回 総合演習 総合演習 MATLABを使用したプログラム 作成・実行による演習 予習:Web上で配布した過去のPPT 資料の確認 復習:MATLABにて制御系を設計し ,周波数応答を描画する 60 60
14回 期末試験および演習 試験および総合演習 学習内容の復習 180
15回 期末試験の振り返り 総合演習