概要:
アクチュエータとパワーエレクトロニクスに関して、単なる知識というよりも、なるべく実用上の観点からなるべく多くの数理的モデルを導いて用いることに重点を置く科目である。
本科目は、機械分野・電気電子分野・情報分野とそれぞれを関連づける制御分野の内容を満遍なく履修する本学科ならではの、特に最終学年に向けた授業であるから、電磁気学、流体力学、機械力学、材料力学、制御工学、電気回路、電子回路など、今までの履修内容を復習して卒業するための科目としても位置づけられる。
授業の進め方・方法:
原則は、独自のテキストに従って講義形式で授業を進め、各章の終わりごとに課題に取り組む。
試験は通年で4回行う。
注意点:
毎回の課題はできる限り自力で解いて出すこと。さもないと、ありのままで向上せず（しばしば不安定な開ループシステムのままで）、合格の評価を得ることは困難となり、結果的に将来苦労する羽目になる。
わからない箇所や疑問点などあれば、積極的に質問すること。
|
|
週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
【第1章】アクチュエータ概論
○ アクチュエータ
○ エネルギーの種類
○ 制御系におけるアクチュエータ
○ アクチュエータの分類
○ アクチュエータの選択と性能評価
|
□ アクチュエータのおおよその分類について説明することができる。
|
| 2週 |
○ 伝達機構
○ 摩擦と非線形特性
○ システムの評価方法と2次系 |
□ 代表的な非線形特性について、具体例を挙げて説明することができる。
|
| 3週 |
○ ラグランジュの方程式
☆ 課題（アクチュエータ概論） |
□ ラグランジュの方程式を用いて、2重振り子などの基礎的な数理モデルを求めることができる。
|
| 4週 |
【第2章】パワーエレクトロニクス
○ 概要
○ 受動素子
○ 能動素子 |
□ パワーエレクトロニクスにおいて用いられる能動素子と受動素子について基礎的な特性や用途の違いを説明することができる。
|
| 5週 |
○ 直流と交流の変換器
○ AC-AC変換器（変圧器）
○ AC-DC変換器（整流回路）
|
□ 理想変圧器と実際の変圧器（変圧器の等価回路）の違いについて説明することができる。
□ ダイオードやサイリスタを用いた半波・全波整流回路について、積分を用いて出力電圧の平均値を求めることができる。
|
| 6週 |
○ DC-DC変換器（昇圧・降圧回路）
|
□ 基礎的な降圧チョッパ回路、昇圧チョッパ回路、昇降圧チョッパ回路の動作の仕組みを説明することができ、出力電圧を求めることができる。
|
| 7週 |
○ DC-AC変換器（インバータ）
○ パワーエレクトロニクスの応用
☆ 課題（パワーエレクトロニクス） |
□ 基本的なインバータの種類と動作の違いについて説明することができる。
□ サイリスタを用いた他励インバータの点弧角を求めることができる。
□ パワーエレクトロニクス（電力の変換）が身近に使われている用途を少なくとも2, 3挙げることができる。
|
| 8週 |
前期中間試験 |
|
| 2ndQ |
| 9週 |
【第3章】電動アクチュエータ
○ 電動システムの基本構成
○ 基本的動作原理
○ 電磁ソレノイド |
□ 電磁気学で学習した磁気回路や磁気エネルギーの考えを利用して、電磁ソレノイドの吸引力特性の数式モデルを求める過程を、資料に基づいて説明することができる。
|
| 10週 |
○ トルクモータ
○ ムービングコイル
○ 直流サーボモータ |
□ トルクモータやムービングコイルの動作の仕組みを説明できる。
|
| 11週 |
○ 直流サーボモータ
○ ブラシレスDCモータ
|
□ いままでに学習した諸定理を分野横断的に用いて、直流サーボモータの伝達関数を求めることができる。
|
| 12週 |
○ 同期モータ |
□ 同期モータについて動作原理と特徴を説明することができる。
□ 同期モータについて定常的なトルクと回転数について計算を行うことができる。
|
| 13週 |
○ 誘導モータ |
□ 誘導モータについて動作原理と特徴を説明することができる。
□ 誘導モータについてすべり角の計算を行うことができる。
□ 直流モータ、同期モータ、誘導モータの違いを説明することができる。
|
| 14週 |
○ ステッピングモータ
☆ 課題（電動アクチュエータ） |
□ ステッピングモータの種類、駆動方法、基本的特性について説明することができる。
|
| 15週 |
前期定期試験 |
|
| 16週 |
試験の返却
解答の解説 |
|
| 後期 |
| 3rdQ |
| 1週 |
【第4章】油圧アクチュエータ
○ 油圧システムの基本構成
○ 油圧シリンダ |
□ 油の圧縮や漏れを考慮してシリンダの数理モデルを導出する過程を理解し、油圧シリンダの移動速度と推力を計算することができる。
|
| 2週 |
○ 油圧モータ
○ 揺動形油圧アクチュエータ
○ 油圧ポンプ
|
□ 油圧モータや油圧ポンプについて、容積効率、トルク効率、全効率の違いを説明することができる。
|
| 3週 |
○ 油圧制御弁
|
□ ノズル・フラッパ機構を用いたサーボ弁の動作を説明することができる。
□ ゼロラップ形・アンダラップ形のスプール弁の流量特性を計算することができる。
|
| 4週 |
○ 油圧アクチュエータの制御
☆ 課題（油圧アクチュエータ） |
□ 油圧アクチュエータを用いたシステムの基本的な制御方法の構成を説明することができる。
|
| 5週 |
【第5章】空気圧アクチュエータ
○ 空気圧システムの基本構成
○ 空気圧シリンダ
|
□ 油圧アクチュエータと空気圧アクチュエータの大きな相違点を2つ挙げ、それぞれの適した用途を考えることができる。
|
| 6週 |
○ 空気圧モータ
○ 絞り部を通る空気の流量特性
○ 空気圧制御弁
|
□ 絶対圧とゲージ圧の違いを説明することができる。
□ 絞り部を通る空気の流量特性を計算することができる。
|
| 7週 |
○ 空気圧アクチュエータの制御
☆ 課題（空気圧アクチュエータ） |
□ 空気圧アクチュエータを用いたシステムの基本的な制御方法の構成を説明することができる。
|
| 8週 |
後期中間試験 |
|
| 4thQ |
| 9週 |
【第6章】その他のアクチュエータ
○ エネルギー源と固体の変形現象
○ 圧電アクチュエータ
○ 超音波モータ
○ 電歪アクチュエータ
○ 静電アクチュエータ
|
□ 圧電効果、逆圧電効果、電歪効果、磁歪効果、熱膨張などの固体の変形現象の違いを説明することができる。
□ バイモルフ形と積層形の圧電素子の構成・特性・用途の違いを説明することができる。
|
| 10週 |
○ 電気粘性流体アクチュエータ
○ 電界共役流体アクチュエータ
○ 超磁歪アクチュエータ
○ 磁性粘性流体アクチュエータ
○ 空気圧人工筋アクチュエータ
○ フレキシブルマイクロアクチュエータ
○ 形状記憶合金アクチュエータ
○ 水素貯蔵合金アクチュエータ
○ 光アクチュエータ
○ レーザ光アクチュエータ
○ 高分子アクチュエータ
|
□ 電動アクチュエータ・油圧アクチュエータ・空気圧アクチュエータ以外のアクチュエータについて2, 3例を挙げて説明することができる。
|
| 11週 |
【第7章】アクチュエータシステムの設計と制御
☆ 課題（アクチュエータシステムの設計と制御）
○ アクチュエータの制御方法の分類と違い
|
□ アクチュエータの制御方法について今一度俯瞰的に捉え、適切な方法を選択する意思がある。
|
| 12週 |
○ ディジタルPID制御
|
□ ディジタルPID制御の方法と比例・積分・微分ゲインの効果について説明することができる。
|
| 13週 |
○ アクチュエータシステムの模擬的な設計と制御の発表 |
□ アクチュエータを用いたシステムの設計と制御の過程について、級友の設計も参考にしながら、失敗を擬似的に体験できる。
|
| 14週 |
【第8章】分野の枠を超えた情報セキュリティ
○ 機械系・電気電子系・情報系のケーススタディ
○ ワークシートの記入（各個人）
○ ペア・トーク
○ チーム・ディスカッション
○ チーム発表
|
□ 本学科の学習を通して分野の枠にとらわれない専門意識を持つだけではなく、分野の枠にとらわれないセキュリティの意識ができる。
|
| 15週 |
後期定期試験 |
|
| 16週 |
試験の返却
解答の解説
今までの学修生活の振り返り |
|
| 分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
| 専門的能力 | 分野別の専門工学 | 機械系 | 力学 | エネルギーの意味と種類、エネルギー保存の法則を説明できる。 | 3 | 前8 |
| 位置エネルギーと運動エネルギーを計算できる。 | 3 | 前8 |
| 動力の意味を理解し、計算できる。 | 3 | 前8 |
| すべり摩擦の意味を理解し、摩擦力と摩擦係数の関係を説明できる。 | 3 | 前8 |
| 剛体の回転運動を運動方程式で表すことができる。 | 3 | 前8 |
| 熱流体 | 圧縮性流体と非圧縮性流体の違いを説明できる。 | 3 | 後8 |
| ニュートンの粘性法則、ニュートン流体、非ニュートン流体を説明できる。 | 1 | 後8 |
| 絶対圧力およびゲージ圧力を説明できる。 | 3 | 後8 |
| 計測制御 | 自動制御の定義と種類を説明できる。 | 3 | 後16 |
| フィードバック制御の概念と構成要素を説明できる。 | 3 | 後16 |
| 基本的な関数のラプラス変換と逆ラプラス変換を求めることができる。 | 3 | 後8 |
| ラプラス変換と逆ラプラス変換を用いて微分方程式を解くことができる。 | 3 | 後8 |
| 伝達関数を説明できる。 | 3 | 後8 |
| ブロック線図を用いて制御系を表現できる。 | 3 | 後8 |
| 制御系の過渡特性について説明できる。 | 2 | 後8 |
| 制御系の定常特性について説明できる。 | 2 | 後8 |
| 制御系の周波数特性について説明できる。 | 2 | 後8 |
| 電気・電子系 | 電気回路 | 電荷と電流、電圧を説明できる。 | 3 | 前8 |
| オームの法則を説明し、電流・電圧・抵抗の計算ができる。 | 3 | 前8 |
| 電力量と電力を説明し、これらを計算できる。 | 3 | 前16 |
| 正弦波交流の特徴を説明し、周波数や位相などを計算できる。 | 3 | 前16 |
| 平均値と実効値を説明し、これらを計算できる。 | 3 | 前16 |
| 理想変成器を説明できる。 | 3 | 前8 |
| 電磁気 | 電流に作用する力やローレンツ力を説明できる。 | 3 | 前16 |
| 電子回路 | ダイオードの特徴を説明できる。 | 3 | 前8 |
| バイポーラトランジスタの特徴と等価回路を説明できる。 | 2 | 前8 |
| FETの特徴と等価回路を説明できる。 | 2 | 前8 |
| 電力 | 直流機の原理と構造を説明できる。 | 4 | 前16 |
| 誘導機の原理と構造を説明できる。 | 3 | 前16 |
| 同期機の原理と構造を説明できる。 | 4 | 前16 |
| 変圧器の原理、構造、特性を説明でき、その等価回路が理解できる。 | 4 | 前8 |
| 半導体電力変換装置の原理と働きについて説明できる。 | 4 | 前8 |
| 制御 | 伝達関数を用いたシステムの入出力表現ができる。 | 3 | 後8 |
| ブロック線図を用いたシステムの表現方法が理解できる。 | 3 | 後8 |