到達目標
1. システムの状態方程式を導出することができる.状態方程式と伝達関数との関係を理解し,相互に変換することができる.システムの可制御性と可観測性を判別することができる.システムの時間応答を求めることができ,システムが安定であるための必要十分条件を説明することができる.
2. 状態フィードバックの構成を理解し,状態フィードバックゲインを設計することができる.最適制御に用いる評価関数の意味を説明することができる.状態オブザーバの必要性について理解し,オブザーバゲインの設計することができる.コンピュータを用いて制御系を設計することができる.
ルーブリック
| 理想的な到達レベルの目安 | 標準的な到達レベルの目安 | 未到達レベルの目安 |
評価項目1 | システムの運動方程式を状態方程式で表現することができる.状態方程式と伝達関数との関係を理解し,相互に変換することができる.可制御性と可観測性の概念を理解し,可制御性と可観測性を判別することができる.システムの時間応答が零入力応答と零状態応答の和で表されることを導出することができ,システムが安定であるための必要十分条件との関係について説明することができる. | システムの運動方程式を状態方程式で表現することができる.状態方程式と伝達関数を相互に変換することができる.システムの可制御性と可観測性を判別することができる.システムの時間応答を求めることができる.システムの安定性を判別することができる. | システムの運動方程式を状態方程式で表現することができない. |
評価項目2 | 状態フィードバックの構成を理解し,状態フィードバックゲインを設計することができる.最適制御に用いる評価関数の意味を説明することができる.状態オブザーバの必要性について理解し,オブザーバゲインの設計することができる.コンピュータを用いて制御系を設計することができる. | 状態フィードバックゲインを設計することができる.オブザーバゲインの設計することができる.コンピュータを用いて制御系を設計することができる. | 状態フィードバックゲインおよびオブザーバゲインの設計ができない. |
学科の到達目標項目との関係
準学士課程(本科1〜5年)学習教育目標 (2)
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JABEE基準 (d-1)
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JABEE基準 (d-2a)
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システム創成工学教育プログラム学習・教育目標 B-2
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システム創成工学教育プログラム学習・教育目標 D-1
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教育方法等
概要:
制御工学で学ぶ古典制御ではシステムの伝達関数表現を用いるのに対し,現代制御では,システムの内部状態を記述する状態方程式を用いる.本講義では状態方程式に基づく制御系解析・設計論について学習する.物理法則から状態空間表現を導くことから始め,安定性や可制御・可観測性の判別法などの解析論,極配置問題,最適制御問題,状態オブザーバなどの設計論を簡単な具体例を通じて学ぶ.
授業の進め方・方法:
座学による講義が中心である.講義項目ごとに演習問題およびコンピュータを用いた演習に取り組み,各自の理解度を確認する.また,定期試験返却時に解説を行い,理解が不十分な点を解消する.
注意点:
関連科目
制御工学,振動工学などとの関連が深い.
学習指針
数学的な取り扱いが多いが,各自の様々な経験や身近な体験を通して説明できるまで理解することが重要である.
自己学習
到達目標を達成するためには,授業以外にも教科書の例題や演習問題を解き理解を深める必要がある.関連する図書も参考にして自学・自習をすること.また,講義に用いるソフトウェアScilab(http://www.scilab.org/)の使い方についても各自で学習しておくこと.
授業計画
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
後期 |
3rdQ |
1週 |
現代制御理論の概要 |
古典制御理論と現代制御理論の違い,制御目的について説明することができる.
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2週 |
状態方程式の導出 |
物理法則から導出した運動方程式を状態方程式で表現することができる.
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3週 |
状態方程式と伝達関数 |
状態方程式と伝達関数との関係を理解し,相互に変換することができる.
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4週 |
可制御性と可観測性 |
可制御性および可観測性の意味を理解し,可制御性および可観測性を判別することができる.
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5週 |
システムの時間応答 |
状態方程式の解および遷移行列を求めることができる.
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6週 |
システムの安定性 |
状態方程式で記述されるシステムが安定であるための必要十分条件を理解し,システムの安定性を調べることができる.
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7週 |
状態フィードバック |
極配置を用いて状態フィードバックゲインを求めることができる.
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8週 |
後期中間試験 |
授業内容を理解し,試験問題に対して正しく解答することができる.
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4thQ |
9週 |
試験返却・解答 |
試験問題を見直し,理解が不十分な点を解消する.
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10週 |
最適制御(1) |
評価関数に基づく状態フィードバックゲインの設計方法について説明することができる.
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11週 |
最適制御(2) |
評価関数を最小化する状態フィードバックゲインを設計することができる.
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12週 |
同一次元オブザーバ |
同一次元オブザーバの構成を理解し,オブザーバゲインを設計することができる.
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13週 |
オブザーバベースコントローラ |
状態オブザーバで推定された状態変数を用いた状態フィードバック制御について説明することができる.
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14週 |
コンピュータを用いた制御系設計(1) |
Scilabを用いて制御系の設計を行うことができる.
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15週 |
コンピュータを用いた制御系設計(2) |
Scilabを用いて制御系の設計を行うことができる.
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16週 |
学年末試験 |
授業内容を理解し,試験問題に対して正しく解答することができる.
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モデルコアカリキュラムの学習内容と到達目標
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 | 機械系分野 | 熱流体 | 熱力学で用いられる各種物理量の定義と単位を説明できる。 | 4 | |
閉じた系と開いた系、系の平衡、状態量などの意味を説明できる。 | 4 | |
熱力学の第一法則を説明できる。 | 4 | |
閉じた系と開いた系について、エネルギー式を用いて、熱、仕事、内部エネルギー、エンタルピーを計算できる。 | 4 | |
閉じた系および開いた系が外界にする仕事をp-V線図で説明できる。 | 4 | |
理想気体の圧力、体積、温度の関係を、状態方程式を用いて説明できる。 | 4 | |
定積比熱、定圧比熱、比熱比および気体定数の相互関係を説明できる。 | 4 | |
内部エネルギーやエンタルピーの変化量と温度の関係を説明できる。 | 4 | |
等圧変化、等積変化、等温変化、断熱変化、ポリトロープ変化の意味を理解し、状態量、熱、仕事を計算できる。 | 4 | |
熱力学の第二法則を説明できる。 | 4 | |
サイクルの意味を理解し、熱機関の熱効率を計算できる。 | 4 | |
カルノーサイクルの状態変化を理解し、熱効率を計算できる。 | 4 | |
エントロピーの定義を理解し、可逆変化および不可逆変化におけるエントロピーの変化を説明できる。 | 4 | |
サイクルをT-s線図で表現できる。 | 4 | |
評価割合
| 試験 | 演習・レポート | 合計 |
総合評価割合 | 60 | 40 | 100 |
基礎的能力 | 0 | 0 | 0 |
専門的能力 | 60 | 40 | 100 |