Arduinoで学ぶPI制御：タコメーターと波形の見方

PI制御の入門には、モーターを回し、その回転に対応する電圧を読み戻す実験が役立ちます。入力と出力の関係を、実際の動きと波形で観察できます。見るべきなのは「回ったか」だけでなく、「目標を変えた後、測定値がどう近づいたか」です。

大学教材として作った構成

2015年2月の資料はArduino Mega 2560、2台の小型モーター、電界効果トランジスタ（FET）を用いた大学教材の記録です。一方を駆動し、連結したもう一方をタコメーターとして使って電圧を取得します。MATLAB 2014bとSimulinkを使い、Scope画面で、目標値と出力の波形を表示しました。元資料：スライド2〜7

三つの値を混同しない

誤差はe = r − yです。比例項は今の誤差、積分項は誤差の蓄積に応じます。目標値と、制御器が出す駆動指令は同じものではありません。元資料の信号説明は、この区別を補って読むと分かりやすくなります。

グラフから何を読むか

元資料にはステップ状に目標値を変えた波形があり、出力が追従する様子が示されています。ただし、整定時間や誤差率を数値で評価した資料ではありません。授業で観察するなら、目標到達までの時間、行き過ぎ、振動、最終的に残る差をそれぞれ記録すると、ゲイン変更の影響を比較できます。

新しく比較する場合は、目標値とサンプリング間隔をそろえ、まず一つのゲインだけを変えます。モーターが出せる範囲を超えた指令が続くときは、積分項の蓄積や出力制限も確認対象になります。これらは、記事化にあたって加えた観察のポイントです。

ソフト以外でつまずいた点

元資料のQ&Aでは、モーターをぶれないように固定することが大変だったと記録しています。制御ゲインだけでなく、機械的な固定も再現性に関係します。また、タコメーター電圧をそのまま回転数と呼ぶには、電圧と回転数の対応付けが必要です。

Arduino Megaのパルス幅変調（PWM）出力を使う場合、analogWriteは一定の直流電圧を直接出す処理ではなく、パルス幅を変える出力です。「アナログ電圧」と「PWM」を区別して回路を読みます。モーターは汎用入出力端子（GPIO）から直接駆動せず、適切な駆動回路を介します。Arduino：analogWrite

教材として活用するには

教材の構成を考える、制御波形を読む練習をする、機械・電気・ソフトの切り分けを学ぶ用途に向きます。元資料の価格、対応環境、配線例は2015年当時のものです。掲載回路の一部は参考書を出典としているため、この記事では図を転載せず、元資料の参照先を残しています。

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