Monday, 16 September 2013

3年生冬学期実験課題 No. 17 制御系設計と運動制御 (コントロールラボ担当 2013/09/24改訂)

堀教授および古関教授が共同で担当する課題17では、電気―機械系の相互作用で生ずる運動制御を通じ、講義で学んだ制御理論、特に、フィードバック制御を、外乱の影響や機械的振動の抑制を体験することで実践的に学びます。そして、制御系設計法を実践的スキルとして体得することを目的とします。
 本課題の履修者は、動的な物理現象への技術者としての関わり方、制御理論の基礎的な考え方を身につけることができます。同時に、ロボット、工作機械や搬送装置などのための産業用ドライブ、車両駆動など、広い範囲の実務に臨む際の有力な武器となる技術的素養を、この経験を通じて体得することが期待されます。

重要: 初日に自分の使用するノートPCを必ず演習会場に持ってきてください!


演習および実験の場所
[1] 10/03-10/17 前半の演習@413教室   後半の実験@3号館電力実験室
[2] 10/21-10/31  前半の演習@413教室   後半の実験@3号館電力実験室
[3] 11/05-11/18 前半の演習@413教室   後半の実験@3号館電力実験室


MATLAB, Simulinkの使用法については、関連の参考書web上の説明(例)などを見てください。
英文ですが、Matlab入門として基本的なことが書かれているのはこれです。その他「Matlab 基本 初心者」などのキーワードで検索をすると、親切な解説を日本語で書いている方もいらっしゃります。
最も早いのは適切な入門的参考書を一冊購入することだと思います。


 また、学生版を自分で購入する方は、このページから、あるいは大学生協などを通じて申し込みができると思います。フリーソフトSciLabの入手はこちらから。
 その他、Octaveというフリーソフトは、よりMatlabに似た使用環境を与えてくれます。Octave, Scailabともに、UbuntuなどのLinux上のソフトとしても使用可能です。


演習、実験に必要なテキストおよびファイルを以下から事前にダウンロードしてよくお読みください。
使用ソフトのリンク情報は暗号化されています。その内容を見るためのパスワードは演習初日に個別にお伝えします。

------------演習/実験の内容の解説と必要ファイル----------------
(リンクを右クリックで「新しいタブで開く」として、ファイルを閲覧あるいはダウンロードください。)

(1) 制御CAD演習テキスト (2013年度版 重要)

(2) 数値計算ツール  (暗号化されています。PWと注意事項は会場で伝えます。)

----実験課題----
(3) 一軸ロボット実験指導書(堀教授 2013年度版)   


--------------------------------------
ここに、Matlabで記述した演習問題のサンプルファイルを置きますので、必要に応じてご参照ください。
(本当は ##.mというMファイル形式がよいのですが、ここでは表示の容易さのために sample.txtとしています。)

提出レポートについての具体的指示

<親レポートとして出す人>
演習問題の中で赤で書かれたもの(できるだけ網羅的に)
+実験(結果と考察を中心に) 考察課題 (2)+(5)+(7) +α

<子レポートとして出す人>
実験(結果の簡単なまとめ)+ 考察課題 2つを選んで提出


Electric Engineering for Transport System (Revised on 2014/01/11)

Electric Engineering for Transport System
(Takafumi KOSEKI)

Friday 08:40-10:20

This lecture shall be held in English for foreign students, (possibly except for some invited Japanese lectures in Japanese), if there are.

Foreign students in the school of engineering, as well as in school of frontier sciences and the school of information science and technology are cordially welcome!!

------------
[01] 11 October: Opening of the lecture: General introduction
    Please download the first weekly report to be submitted on the 25th October.
    Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 2.7MB)


[02] 18 October: Special lecture by Prof. T. Eastham
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 3.5MB)

[03] 25 October: Electric railway (1): Traction control
    Please download the second weekly report to be submitted on the 01st November.
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 4.9MB)

[04] 01 November: Electric railway (2): Traction control_ctnd and high speed ground transportation
     Please download the third weekly report to be submitted on the 8th November.
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 1.9MB)

[05] 08 November: Special lecture by Mr. M. Marschollek from Germany on European railway network
(A copy of his slide  shall be uploaded after KOSEKI's receiving his file, but it  has not been sent to Tokyo yet; on the 13th November. )

[06] 15 November: Electric railway (3): HGST cntd., and planning of railway railway operation
     Please download the 4th weekly report to be submitted on the 22nd November.
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 1.9MB)

   
[07] 22 November: Electric railway (4): Signalling and safety system cntd.
      Please download the 5th weekly report to be submitted on the 29th November.
      Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 1.3MB)

[08] 29 November: Electric railway (5): Application of linear drives and maglev to rail-guided transportation
     Please download the 6th weekly report to be submitted on the 6th December.
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 2.3MB)
 
[09] 06 December: Electric railway (6): Electric energy supply
     Please download the 7th weekly report to be submitted on the 13th December.
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 2.7MB)

[10] 13 December: Electric railway (7): ICT services in public transportation
     Please download the 8th weekly report to be submitted on the 20th December.

     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 2.1MB)

[11] 20 December: Electric railway (8): Other guided transports, e.g., elevator, cable cars and new transportation systems
     Please download the 9th weekly report to be submitted on the 10th January.
     Please download a copy of slides here. (Encrypted, approx. 2.1MB)

[12] 10 January: Electric automobile and its traction control/Intelligent Transportation System
      Please download the 10th weekly report to be submitted on the 17th January.
       (This is the final weekly report in this semester.)
      Please download a copy of the slides-1  and the slides-2 here. (Encrypted files approx.  a,7 MB and 1.0MB, respectively.)
    
[13] 17 January: Final special lecture by Dr. Salvucci: Bio-inspired robotic motion

[14] 24  January: No lectures any more

Lecture policy/Examination: weekly and semester reports

Semester report
(1)Subject: from keywords from the lectures;
(2)Original summary by yourself (A4 3-5pages);
(3)No identical subjects from a laboratory; and
(4)Examples of possible subjects have been announced here.

レポート提出場所と期限(重要)
Dead time and place of submission
By e-mail


with Subject: eetrs13_Report_YourName
(example eetrs13_Report_TakafumiKOSEKI)


Requests:

具体的条件
1.締切日は2014年02月08日(土) 23:59
Deadline: at 23:59 on the 08th February 2014
2.締切後、数日内に受領確認の返信をします!
Koseki will send you acknowledgment in several days after your submission.  
3.ファイル形式はpdfの添付書類とする
Please send your report in pdf.
4.ファイル容量は大きくとも約3MB未満におさめてください。
The file shall be smaller than 3MB.


「英語講義」ではなく「バイリンガル講義」なので、日本語のほうが書きやすい学生は、レポートを日本語で書いてもよい。(日本語で書いたからといって、採点上不利になることは無い!)


------------------------------------
Official textbook: None
Files of weekly reports and hand-outs: Links shall be on this page: Click them!


-----------
Recommended books: 

1. E. Aoki, etal: "A History of Japanese Railways 1972-1999," East Japan Railway Culture
Foundation, March 2000, ISBN4-330-67901-9
2. Joachim Fiedler "Bahnwesen" 4. Auflage, Werner Verlag
3. 持永: 電気鉄道技術入門 オーム社
4. 「電気工学ハンドブック」オーム社・電気学会
5. 曽根、小谷、向殿編「図解 電気の百科」オーム社
6. 丸山弘志ほか(鉄道総研)「電気・電子技術者のための鉄道工学」丸善
7. 電気学会(電気鉄道における教育調査専門委員会)編「最新鉄道工学」コロナ社
8. 久保田 「鉄道工学ハンドブック」グランプリ出版
9. 機械学会「機械工学便覧 交通」
10. 土木工学協会「土木工学ハンドブック」 技報堂
11. 鎌田・藤岡他「自動車プロジェクト開発工学」技報堂

定期刊行物 Journals:
12. IEEE Transactions VT, ITS, IAS, IE, PES, ...
13. Railway Gazette International
14. Elektrische Bahnen
15. 電気学会雑誌、産業応用部門誌
16. 計測と制御
17. 電気学会 交通・電気鉄道研究会資料、ITS研究会資料
18. 電気学会 産業応用部門全国大会講演論文集、全国大会講演論文集(特にシンポジウム)
19. 電気学会技術報告
20. RRR, 各社技報, 鉄道車両と技術(レールアンドテック社)、各種鉄道協会誌、
21. Web site http://www/rtri.or.jp など

中央大学理工学部 2013年度冬学期科目 「電気機器」(2014/01/16 改訂)

「電気機器」
冬学期 木曜1時限目 (09:00-10:30)

[1] 履修条件
高校および大学の理系の教養課程で物理学の基礎としての
  力学(剛体の力学を含む)および
  電磁気学を習得していること
<==昨年度の学生さんからのフィードバックとカリキュラム調査でこの前提条件が満たされていないことが判明しました。電磁気の学習は並行して進むと思いますが、剛体の力学を万が一どこでも習った経験の無い方は自分自身で努力して学ぶ必要があります。
 ☆お奨めの参考書はこちら(古関もこれで学びました!)

複素インピーダンスを用いた交流回路計算法を含む基礎的な電気回路理論を習得していること
複素数、三角関数、簡単な定係数線形微分方程式やラブラス変換を用いた簡単な計算ができる数学的基礎を有すること
インターネットを通じた定期的情報取得が可能な環境とPCリテラシィを有していること

[2] 授業概要
電力システムの発変電の基本、電気自動車、鉄道車両や工作機械、ロボットなどの運動制御の基礎となる電気-機械エネルギー変換の基本的な仕組みと理論を学ぶ。
また、電気機械の理解を通じて、複雑な物理現象の本質を簡易に扱う「電気技術者の思考テクニックとしての等価回路に基づく考え方を修得する。

[3] 授業計画
初回2013/09/26は講師が海外出張中のため休講
1) 2013/10/03 はじめに
講義/学習の進め方
電気-機械エネルギー変換、交流と直流、多相交流
電気-機械エネルギー変換技術の社会的役割とその重要性
電気機械の種類、静止器と回転機、エレクトロニクスとパワー

10/10の最初に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。
第1回目の講義で示したスライドはこちらにてご覧ください。
(暗号化ファイル約5.1MB、講義で示したパスワードを入れてご覧ください。)

2) 2013/10/10  交流における電気エネルギー変換・電気機械エネルギー変換入門
古典力学と電磁気の復習: 電気機器学の学問としての位置づけ

10/17の講義の最初に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。

3) 2013/10/17 電力の計算と交流回路、単相電力と三相電力の考え方 アンペールの法則と磁気回路の基礎
  
10/24の講義の最初に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。

4) 2013/10/24 三相交流と電力、三相交流と回転磁界 変圧器
(基本構成、機能と理想変圧器) 

10/31の講義の最初に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。

5) 2013/10/31
変圧器:理想変圧器
電気材料 (鉄非線形性と鉄損について)

11/07の講義の最初に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。

6) 2013/11/07 変圧器
実在の変圧器の等価回路表現と基本的測定法 
変圧器の性能(百分率インピーダンス、電圧変動率、効率など)

11/14の講義の09:00前後に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。

7) 2013/11/14
変圧器 補足: 三相結線 V結線 
誘導機 I: 誘導機の原理と特長 +鳳・テブナンの定理の復習
誘導機の構成、変圧器と誘導電動機
誘導電動機の原理と特性表現法(=T型、π型等価回路)


11/21の講義の09:00前後に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。

8) 2013/11/21 誘導機 II: 
交流回転機の基礎: 三相交流の書き方、回転磁界
トルク-速度特性(Torque-speed curve)との関係 


11/28の講義の09:00前後に提出していただくレポート課題をこちらから御入手ください。
なお、第8回目のレポートの中でHさんが講義に関する意見を書いてくれました。意見ありがとうございました。これについては、11/28の講義冒頭に古関の考えをお答えしたいと思います。

9) 2013/11/28 誘導機 III:
回転機の基礎続き: 
  空間高調波とトルクリップルの低減法:スキュー、巻線係数(短節巻、分布巻)

鳳-テブナン定理を用いた誘導機等価回路(T-type equivalent circuit of an induction motor ) の計算法

→ 誘導機の等価回路の導出に関する詳細な数式展開の説明はこちらをご参照ください。
(ただし、複雑な大学院レベルの数式展開なので本当に興味のある方のみで結構かと思います。)


12/05の講義の09:00前後に提出していただくレポート課題をこちらからご入手ください。

10) 2013/12/05
誘導機続き(補足的説明)
 比例推移特性(proportional shifting)
 誘導機の種類とエネルギーの流れ、誘導機の始動法
 モデル同定のための測定法
 (空間高潮波とゲルゲス現象などの諸注意、単相誘導機(小型誘導機))

直流機概論
 直流機と同期機入門: 同期機の特殊形としての(他励)直流機

12/12の講義の最後に提出していただくレポート課題をこちらからご入手ください。


11) 2013/12/12 直流機概論
 直流電動機と発電機
 エネルギー保存則とモータ定数
  運動制御のアクチュエータとしてのモータの特性とその基礎モデルとしての電機子の回路方程式

期末試験予備アナウンス 期末試験 1/30 限 90分
 白いA4の紙表裏一枚に、任意の手書きメモを作成したものを持ち込み可能
 出題の内容はほぼ週レポートとその解説に準拠しているものと考えてよい。

(12/12の口頭説明では 60分と言ってしまったようですが、正式に試験時間は90分です。  ←平沼さん、重要な御指摘ありがとうございました!)

12/19の講義の最後に提出していただくレポート課題をこちらからご入手ください。

12) 2013/12/19 同期機I:
機能上の分類と構造上の分類
同期発電機
回転数と周波数/界磁と電機子/フェーザダイアグラムの勘所

01/09の講義の際に提出していただくレポート課題をこちらからご入手ください.

13) 2014/01/09 同期機 II:
同期発電機:
電機子巻線誘導起電力/漏れ磁束/フェーザ図と同期機の等価回路(円筒機/突極機)/同期発電機の特性
単位法、短絡比同期発電機の出力特性

 
説明の不備のお詫びと、教科書の訂正について:
講義後、直ちにご指摘をいただきましたので以下のことを修正し、お詫びを申し上げます。

[1] 短絡比: SCRと銅機械、鉄機械との関係
(A) 短絡比が小さい = 同期インピーダンスが大きい =負荷電流に対する電圧変動が大きい
 すなわち、機械内部の磁気エネルギーの蓄積が小さい: 銅機械 火力発電機などSCR=0.6程度

(B) 短絡比が大きい = 同期インピーダンスが小さい =負荷電流に対する電圧変動が小さい
 すなわち、機械内部の磁気エネルギーの蓄積が大きい: 鉄機械 水力発電機などSCR0.8-1.2程度

 <====すなわち、 教科書p80の記述が正しく、1/9の古関の板書/説明に誤記がありました!お詫びして訂正します。


[2] 教科書 p80 の図4.7 図4.8について

電気子電流I_aによる「リアクタンス電圧降下」は、当然I_aと直交するフェーザとして表現できます。したがって、この2つの図の直角マークの場所は誤りで、-jxI_aと直交するのは E_tではなくI_aです。これは教科書の図に誤りがありますのでご注意ください!

(<==これについては出版社にも連絡をしておきます。また、この誤った記述に基づき発生した1/9のレポートの誤解答は減点しませんのでご安心ください。これについては1/16の講義で再度説明をいたします。)

ご指摘をいただきました皆様、ありがとうございました!

01/16の講義の際に提出していただくレポート課題をこちらからご入手ください.


14) 2014/01/16 (講義最終日) 同期機 III:
同期電動機 
等価回路/出力/V特性
+期末テストに関するアナウンス
 これまでの演習問題で、誤答の多かった問題に関する解説

これまでのご聴講ありがとうございました。
期末テスト頑張ってください!

期末試験準備のポイントとなるキーワード

(1)同期機: 界磁電流と、電機子電流の力率の関係 同期電動機のV特性 同期機の電力 突極機のトルク特にリラクタンストルク
(2)誘導機: 鳳テブナンの定理を用いた単相等価回路の計算と回路定数の物理的な意味、特に二次電力とトルクのすべり特性計算
(3)変圧器: T型等価回路とその意味 基本特性測定法
(4)直流機: 整流子 同期機の特殊な形としての直流機の意味
(5)その他: 回転機の一般的常識 直流機と交流機の関係



[4] 評価方法
(インターネット経由で講義後毎週出題する)小レポートの講義開始時の毎週の提出(40%)と期末テスト(60%)

[5] テキスト 参考文献など

---教科書指定---
仁田・古関: 電気機器学基礎 (数理工学社 新・電気システム工学 \2500)
補遺や一部の演習問題解答はこちらでご覧ください

---推薦参考書----

<入門書として初学者に読みやすいもの>
「エレクトリックマシーン & パワーエレクトロニクス」
エレクトリックマシーン&パワーエレクトロニクス編集委員会 編/森北出版
藤田:「電気機器」 森北出版
森北出版 松井「電気機器 (基礎からの電気・電子工学)」
電気学会 多田隈他:「電気機器学基礎論」

<一般的なもの>
電気学会 「電気機械工学」「電動機制御工学」

<専門性の高いもの>
本ブログでも詳しく紹介した電磁気と制御の応用を統一的に解説した優れた参考書
(必ずしも電気機器学の伝統的な構成にそって記述されているものではありません。)
坂本哲三 著 「電気機器の電気力学と制御」 森北出版

[6] 授業外の学習活動 特に無し

[7] そのほかの特記事項 特に無し

[8] 参考URL
古関のブログ:講義に関する情報、補足資料やレポート課題をここから御入手願います。
http://www.takafumikoseki.blogspot.com/

[9] 参考資料
上記のリンクから適宜入手してください。

[10] 履修者の皆様への備考
本ページは演習の出題なども含め、適宜更新されますので注意深く頻繁にご覧ください!

2013年度冬学期 「制御工学第二」月曜日1限 @242教室 (2014/01/19 改訂)

制御工学第II
 (月曜日第一限 242教室)

古関隆章・堀 洋一
Ext. 26676, takafumikoseki @ ieee.org


 ---制御工学第二講義予定 ---
(01) 10/07(Mon) 開講日: 状態空間におけるシステムの取扱(1):夏学期の復習、講義の構成など導入的説明、状態変数と状態方程式I
*(02) 10/15(Tue) 居村先生特別講義 非接触電力伝送とその制御技術
(03) 10/21(Mon) 状態空間におけるシステムの取扱(2): 状態変数と状態方程式II、 実現問題
(04) 10/28(Mon) 状態空間におけるシステムの取扱(3):状態遷移行列の導出と性質
(05) 11/05(Tue) 状態空間におけるシステムの取扱(4): 状態遷移行列と時間応答シミュレーション、可制御性と可観測性
(06) 11/11(Mon)
状態フィードバック 
多項式法による極配置の提案、
状態FB制御系の設計の考え方:多項式法と最適制御(LQR)における評価関数の直感的理解について

12/02に提出をお願いする第1回目の演習問題をこちらからご入手ください。(ヒントを参照し、この機会に数値計算の練習にも積極的に挑戦してみてください!)

(07) 11/18(Mon)  LQRの解の最適性の証明

(08) 11/25(Mon)   一次元 時不変 線形系のリカッチ方程式と最適制御の例題
         状態推定の基礎
 11/25は図らずも講義が長引いてしまってすみませんでした。

(09) 12/02(Mon)  状態推定と定常カルマンフィルタ
 指令値追従形制御への拡大系の構成(状態FBの補足事項)
 ディジタル制御 頭出し?

(10) 12/09(Mon) ディジタル制御(1): 空間量子化と時間量子化サンプリング動作の数学的表現、サンプリングを含む系の取扱とZ変換、ディジタル系安定性判別

01/27に提出をお願いする第2回目演習問題の出題をこちらからご入手ください。

ディジタル制御に関する補足の資料はこちらからご入手ください。

(11) 12/16(Mon) ディジタル制御(2): 標本化定理とエイリアス現象 ディジタル制御系の設計

**(12) 01/15(Wed) 藤本先生特別講義 最高精度を求める制御技術の研究(仮題)

***(13) 01/20(Mon) 堀教授 非線形制御入門

期末テストの朝に試験会場で提出をお願いする第3回目の演習問題をこちらからご入手ください。

(14) 01/27(Mon) ディジタル制御(3): 連続系の制御器と離散系の制御器の対応関係とディジタル系のアナログ近似(ディジタル再設計)

(15) 02/03  08:30-11:30 期末テスト
(好きなことを書いたA4の紙1枚を持ち込み可とします。)

-----------------
制御工学第一の内容(復習)
1.序論
1.1  制御工学とは何か
1.2  制御システムの例,分類
1.3  閉ループ制御と開ループ制御
1.4  制御工学の歴史


2.システム動特性の表現
2.1  信号伝達と状態遷移
2.2  動作点まわりの線形化
2.3  線形システムの表現
(2.4  ラプラス変換法の基礎)
2.5  ブロック図とその合成
2.6  特性の計測法


3.制御システムの安定性
3.1  線形システムの安定性
3.2  ラウスの安定判別法
3.3  ナイキストの安定判別法
3.4  フィードバック系の安定度指標


4.フィードバック制御系の基本特性
4.1  入力追従特性と外乱抑圧特性
4.2  定常誤差と誤差係数
4.3  2次系の過渡応答
4.4  2次系の周波数応答
4.5  高次系の代表根


5.線形フィードバック系の補償
5.1  フィードバック制御系設計の基本指針
5.2  直列補償とフィードバック補償
5.3  ニコルズ線図を用いた制御系設計
5.4  根軌跡を用いた制御系設計
5.5  直列補償とPID調節計
5.6  フィードバック補償


制御工学第二から制御工学第一への移行
古典的制御の復習と状態空間法との関係(フィードバック制御と多項式法など)
状態空間におけるシステム序論:連続量と離散量


---

2. 教科書・参考書
新: 制御理論の基礎 昭晃堂 (これは生協などで購入可能と思われる。)

(堀・大西: 応用制御工学  丸善
ただし、この本は現在書店で入手できない。図書室にはあるはず。堀教授にお願いし、制御工学第一のときと同様に原稿のpdf版をここにいただいた。ただし、講義初回で示したPW付。)

いずれにしても、上記は教科書指定ではなく、推薦参考書なので、授業では該当ページを示すのみで板書の内容と一対一の対応にはなっていない。主として、自宅 学習や演習問題を解く際の参考として活用してほしい。具体的にはいろいろと探してみて自分に合うと思う本を買って学ぶのが良い。

平井・羽根田・北村: システム制御工学  森北出版
金原・黒須: ディジタル制御入門  日刊工業新聞社
小郷・美多: システム制御理論入門 実教出版社
前田・杉江: アドバンスト制御のためのシステム制御理論  システム制御情報学会編 朝倉書店
正田: 制御工学  培風館 

MATLAB: SimuLink, Control tool boxなど
計測制御学会誌、電気学会雑誌、論文誌など

3. 授業の受け方

式を自分で追ってみる-------演習問題。
学生実験課題17で体験する演習のように、SCILABなどを用いたシミュレーションもできると良い。
(このブログにある実験課題17の解説を参照されたい。)
演習問題のレポートをすべて期限内に提出することを、期末試験を受ける条件とする。

A4の方眼紙をノートとせよ: 授業は基本的に板書を中心に行う。
色鉛筆を用意する-------作図の理解に便利。

################################################

位相面軌跡と記述関数法を堀教授が1月に丁寧に解説してくれるが、非線形制御の解説は一般に手薄になりがち。参考書の相当部分を自主的に読んで自分でも実務的な手法を学ぶべく努めてほしい。

本資料の更新版をはじめ、講義中の資料は必要に応じて、http://takafumikoseki.blogspot.com/ から入手可能なようにアップロードします。

Wednesday, 4 September 2013

2013/09/03 工学院大学エクステンション・センター鉄道講座(古関担当分) 配布資料

講義名「リニアモータと磁気浮上技術を応用した軌道系交通〜リニア新幹線と将来への期待〜」
 拙い講義の御聴講と御議論、ありがとうございました。
 講義で使用した資料をここからご入手ください。講義時にお示ししたPW付きです。ファイル容量は約5.5MBです。