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このページはこのサイトの管理者の覚書として作成しています。 専門家の指摘などを受けながら誤りを訂正をくり返し、徐々に更新していますので、参考程度にして下さい。 |
■コンピュータで制御するって、どういうこと？
◆制御とは●JISの定義◆制御システムの構成「ある目的に適合するように、対象になっているものに所要の操作を加えること」。
●簡単に言うと「制御対象を思うがままに動かすこと」●制御される「制御対象」と「制御装置」に大別される。◆コンピュータ制御とは
●制御装置は「比較部」「調節部」「検出部」「操作部」から構成される。
・検出部、操作部を制御装置にも制御対象にも含めない場合がある。
●制御対象は、ＬＥＤやモータ、ヒータなどを使った機器が考えられる。
●制御対象をコンピュータを含む制御装置で制御すること。◆計測・制御システムとは
●制御対象のスイッチのon-offなどをコンピュータで制御すること。
※スイッチのon-off以外には、トランジスタの入力信号を制御して電圧を変えることなどがある。
※パソコンによる制御とマイコンによる制御・それぞれを「パソコン制御」、「マイコン制御」と呼ぶケースも一般にはある。
・ヒダピオシステムでは「パソコンによる制御」「マイコンによる制御」と表記することにする。（2012.1より）
●検出部から取り込んだ情報を総合的に判断し、機器を思いのままに動作させるシステムのこと
※コンピュータによる計測・制御システムのブロック線図の例（フィードバック制御）
・検出部、操作部を制御装置に含める場合がある。
・検出部、操作部を制御装置にも制御対象にも含めない場合がある。
●学習指導要領解説では計測・制御システムは，センサ，コンピュータ，アクチュエータなどの要素で構成されている※開隆堂の教科書では「計測する部分（センサ）」「情報を判断・命令する部分（コンピュータ）」「仕事をする部分（アクチュエータ）」の三つで構成※東書の教科書では「センサ」「コンピュータ」「アクチュエータ」などの要素で構成
●計測と観測、検出の違い
計測とは「特定の目的をもって、事物を量的にとらえるための方法・手段を考究し、実施し、その結果を用いて所期の目的を達成すること。」JISZ8103
検出とは「測定量を信号として取り出すこと」JISZ8103
観測とは対象となる現象の変化や移り変わりを、装置、機器（実験装置、実験機器）などを用いて量的に測ること
◆制御対象および操作部●アクチュエータとは、・一般的な制御関連の記述では、電気などのエネルギーを運動エネルギーに変換するモータや油圧シリンダなどの装置をさし、光エネルギーや熱エネルギー、音エネルギーに変換するLEDやヒータ、ブザーなどは含めないとする場合が多い。
アクチュエータの詳しい説明
●学習指導要領の解説では「計測・制御システムは，センサ，コンピュータ，アクチュエータなどの要素で構成されている」※開隆堂の教科書では「仕事をする部分（アクチュエータ）」としてモータ、LED、電子ブザーを例示※東書の教科書では「アクチュエータ（電気信号によって駆動する装置や機器）」としてモータ、ヒータ、電磁石を例示
※「操作部」という日本語で適切な言葉があるのに、指導要領の解説の中で誤解しやすい「アクチュエータ」という語句を使用したのは何故なのだろうか？
●中学校段階でのアクチュエータの指導では、
・本来は
入力されたエネルギーを運動エネルギーへと変換するもので、モータや油圧シリンダなどをさします
・中学校の計測・制御の学習では
「制御対象」全てをアクチュエータとして広義にとらえ、ＬＥＤやヒータ、電子ブザーも含めて取り扱います。
と指導するのが生徒にとって誤解なく理解させやすいのでしょう。
◆検出部●センサとは・測定量によって直接に影響を受ける、計器又は測定装置の連鎖の素子。
備考：検出器と同じ意味に用いることがある。JISZ8103
・検出器とは有る現象の存在を検出する器具又は物質。
必ずしも関連する量の値を与えるものではない。
・音、光、温度、圧力、流量など、計測の対象となる物理量を検知し、処理しやすい信号に変換する素子。または、その装置をいう。
・状態（温度や明るさなど）の変化によって電気的特性が大きく変化するものや、わずかに変化するものなどがある。
・CdSセル（光を感知する）やマイクロスイッチ（導通を感知する）など多くの種類がある。
センサの種類
※学習指導要領解説では「人間の目や耳の代わりに機械や環境の状態を計測している部分」としています。※開隆堂の教科書では「計測する部分（センサ）」とし、フォトトランジスタ、赤外線センサを例示しています。（味覚センサ、においセンサも脚注に例示）※東書の教科書では「センサ」とし、赤外線センサ、温度センサを例示しています。
◆インタフェース
●コンピュータとセンサ、またはコンピュータと操作部（アクチュエータ）の間の信号を変換する必要があり、これを行う機器をインタフェースという。
◆制御の種類●シーケンス制御とオープンループ制御とフィードバック制御がある。
・シーケンス制御…あらかじめ定められた手順に従って工程を進めて行く制御
・オープンループ制御…目標値に近づけるようにする制御
・フィードバック制御…センサから得られた測定値を目標値に近づけるようにする制御
（オープンループ制御に対して、クローズドループ制御ともいう）
制御について知ろう※外部リンク
※シーケンス制御の例（エレベータ）外の行き先ボタンを押すと、 押した階へエレベータが移動し、ドアを開ける。人が乗り、中の行き先ボタンを押せば、ドアが閉まり、行き先の階までエレベータが移動し、到着すればドアが開く。※シーケンス制御とシーケンシャル制御Sequence control。Sequential Control。語句の意味は、同じで使われる。ＪＩＳではC0401 に「シーケンス制御」と定義されているので、教科書ではそれにならっている。基礎から始めるシーケンス制御講座（外部リンク）
●実際使われている制御の多くは、シーケンス制御、オープンループ制御、フィードバック制御が組み合わされて使われていることが多い。
※全自動洗濯機の例
（１）スタートボタンを押す（２）洗い（３）すすぎ（４）脱水（５）終了という決められた手順でシーケンス制御されている。
しかし、例えば「すすぎ」の工程の中では、汚れセンサでにごりの測定値を得て、一定の目標値に近づけるまですすぎを繰り返すフィードバック制御が行われている。
■何を学ばせたら良いのですか？
◆学習指導要領やその解説から
学習指導要領と解説
１．コンピュータを用いた計測・制御の基本的な仕組みを知る
・計測・制御システムの要素（センサ、コンパイル、アクチュエータ）
・プログラムによる処理
・各要素間の信号の伝達
アナログ信号とディジタル信号
インタフェースの役割（電気信号の変換）
２．情報処理の手順を知る
・情報処理の手順（順次，分岐，反復）
３．情報処理の手順を工夫する能力の育成
・フローチャートの活用
自分の考えを整理する
よりよいアイディアを生み出す
４．計測・制御のための簡単なプログラムの作成ができる
・計測・制御に関する技術の目的を意識した実習
処理の手順を考えさせる＞命令語の意味を覚えさせる
◆１．コンピュータを用いた計測・制御の基本的な仕組みを知るとは
●電気信号を変換しながら、コンピュータを使って制御対象を制御するしくみや、計測・制御システムのそれぞれの機器の役割を学ぶこと。
●センサが状態の情報を電気のアナログ信号に変え、インタフェースでディジタル信号（１と０で表される情報）として変換し、コンピュータに判断させ、制御対象である電気機器にディジタル信号（電圧のある、なし）を送り、スイッチまたはリレーをON−OFFなどして制御しているのが基本的な仕組みです。
●「電気エネルギーの利用」で学んだ回路（電源、負荷、スイッチ、導線）の学習の発展として、コンピュータを用いた計測・制御の仕組みを学ぶことが大切です。そのために、制御の入門者の多くは、まずＬＥＤの点滅実験を通して計測・制御の際の信号の動きが制御対象のスイッチのON-OFFになることを学んでいます。
※学習指導要領解説計測・制御システムは，センサ，コンピュータ，アクチュエータなどの要素で構成されていること※開隆堂の教科書・「電圧の高低とディジタルのしくみ」でスイッチのON-OFFに触れられています。※東書の教科書
・計測・制御のところでは、「センサが電気信号に変換するはたらき」「インターフェースにはアナログ信号をデジタル信号に、ディジタル信号をアナログ信号に変えるはたらき」との記述しかありません。
・スイッチのON-OFFに触れられているところはありません。
・計測・制御のところでは、炊飯器でのヒータの加熱のグラフなどがありますが、説明はありません。
※センサからアナログ信号が出されて、インタフェースを経てデジタル信号に変えられ、コンピュータを経て、モータやヒータなどのスイッチをON-OFFする。このことについては教科書ではほとんど触れられていないのです。これで「計測・制御の基本的なしくみ」を学習したことになるのでしょうか。
※スイッチをON-OFFする以外の制御方法。
トランジスタなどを利用して、電圧調整を行う方法がある。
◆２．情報処理の手順を知るとは
●問題解決の手順
●情報処理の手順
※学習指導要領解説順次，分岐，反復の方法がある。※開隆堂の教科書順次処理、条件くり返し、条件分岐という基本的な仕事の流れ※東書の教科書一つ一つ順番に処理する順次、条件によって処理を選択する分岐、１つの処理を回数や条件を満たすまで繰り返す反復
●フローチャートで示す情報処理の手順（順次，分岐，反復）
フローチャートの詳しい説明
※学習指導要領解説情報処理の手順を考える際に，自分の考えを整理するとともに，よりよいアイディアが生み出せるよう，フローチャートなどを適切に用いることについて指導する。※開隆堂の教科書・仕事の手順を分かりやすく図式化する。基本的な仕事の流れをフローチャート（流れ図）で示した〜。※東書の教科書
・コーヒーを入れることを条件くり返しで例示
・朝起きてから家を出るまでを条件分岐で例示
・（例）早打ちキーボードゲーム、数あてゲーム
・「目的の処理を達成するまでの、ひとつひとつの情報処理の手順をフローチャートなどで表現します。」
・自動販売機の情報処理の手順を例示
・センサカーの情報処理の手順を例示
・水耕栽培における情報処理の手順を例示
◆計測・制御のための簡単なプログラムの作成とは（書きかけです）
●プログラミング言語は何でも構いません。しかし、簡単であっても計測・制御のためのプログラムを作成することが要求されています。測定値を入力値として取り込み、判断し、出力値をだすプログラムが最低限できることを要求されていると解釈できます。
For i=1 T0 100
If pinD.0=1 Then
portB=1,300
Else
portB=2,300
End If
Next i
End
For i=1 To 100 （１００回のくり返しの始め）
If （入力値）（分岐条件） Then
（出力１）
Else
（出力２）
End If
Next i（くり返し終わり） End（プログラム終わり）
portB=（出力値）,（出力時間）
※左のプログラムで、入力値を得て、判断し、出力値を出すまでに、順次、くり返し、分岐の情報処理の３つの手順が入っています。
●最近の傾向として、タイルを貼ってアルゴリズムを作成するソフトウェアが普及していますが、これでプログラムを作成したというのは、あまりに無理があると思います。簡易言語と称するソフトウェアもありますが、簡易言語とは、機械語やC言語に対して、BASICなどをさす言葉です。
JA制御ヒダピオでも、「簡易プログラミング」としているのは、例えば変数の定義などを簡略してプログラムを記述させることから、本来の「プログラミング」とは違う事を意味しています。
●あくまでもプログラムとはプログラム言語でかかれたものをさします。
◆何故、プログラムを書かせるのでしょうか。
Dim i As Integer
For i=1 to 100
If cells(i,2)=1 Then
cells(i,3)="男"
Else
cells(i,3)="女"
End If
Next i
End
左はエクセルのVBAのプログラムです。
２列目のセルに「１」の値があると３列目のセルに「男」を入れ、そうでなければ「女」に換えることを、１行目から１００行目まで瞬時に行うプログラムです。
これを、例えばコマンドボタンを押すと動作するようにして記述するのですが、よく見ると、前のJA制御ヒダピオのプログラムとそっくりです。
プログラムを作ることは将来的はないから、一般の中学生にプログラム言語を理解させる必要はないと言われますが、これぐらいのプログラムならば、中学生にも十分理解できます。理解した中学生は、さらに複雑なデータの加工ができていきます。
●「のこぎりびき」を初めてさせる時に、いきなりジグを使って切らせるのでしょうか。上手な人（大工さん）はジグがなくても上手く切ることができます。しかし初心者は上手くいきません。ならばジグを用いれば．．．．という手順でしょう。
プログラムによる計測・制御でも、同じ事が言えないでしょうか。プログラミング言語でプログラムを書く。これを一度抑えることが大切なのです。その上で、タイルを貼ってフローチャートの用にプログラムをしていくなどに意味があると思うのです。
※学習指導要領解説プログラムの命令語の意味を覚えさせるよりも，課題の解決のために処理の手順を考えさせることに重点を置くなど，コンピュータを用いた計測・制御に関する技術の目的を意識した実習となるよう指導する。※開隆堂の教科書※東書の教科書
◆なぜコンパイルという概念を教えないのだろうか
●コンパイルという事を教えなくてもよいという考え方があります。しかし、難しい処理も、それを簡単に見せるソフトウェアがあり、その役割を教えることはとても大きな意味があります。
●例えば、「JA制御ヒダピオ」は簡単にプログラムできるソフトウェアですが、これは間にPascal系のソフトウェアが動いて、それが機械語に換え、パソコンが動作しています。このようなことは世の中にはとても多く存在している技術で、とても大切な技術でしょう。
◆何を制御するのがよいのだろうか？
●コンピュータを用いた計測・制御と一口に言っても、いろんな制御があります。それこそＬＥＤの点滅という簡単な制御から、ロボットなどの高等でマニアックな制御まで多種多様です。
●工業系の高校や大学では、入門編としてライントレースを数ヶ月から１年ほどかけて行っています。中学校ではCdSセルやマイクロスイッチをセンサにして、ＬＥＤや模型用モータの制御ができたら十分だと考えます。
●ロボコンブームもあって、ライントレースを目標にしている取り組みが多いのですが、果たしてよいのでしょうか？
・見栄えの良さや、発表の派手さの裏に、制御の基本的な考え方を省略している傾向が顕著です。教科書でも、モータを制御する基本的なスイッチのON-OFFに付いては一切触れられていないことは、それをすれば、とても取り組めるような時間数が確保できない事の裏返しです。
・モータを制御することは、不確定要素が相当増えます。まして、ロボットカーでは電池の電圧や、ギアのかみ合わせ、走らせる場所など、メンテナンスに割かれる時間が相当になります。
・工業系の高校や大学の授業では、１０〜１５名程度に一人の先生がついて対応しています。中学校では倍以上の生徒が対象です。
■参考
●制御
・JISの定義「ある目的に適合するように、対象になっているものに所要の操作を加えること」。Controlの訳。・制御の構成制御される「制御対象（Controlled System）」と「制御装置（Controller）」に大別され、さらに制御装置は「比較部」と「調節部」（「検出部」、「操作部」も含めることがある）から構成される。
・アクチュエータ（Actuator）…電気・油圧・空圧などのエネルギーを、回転運動・直進運動などのシンプルな機械的動きに変換する為の機械的要素のことをいう。一般的にアクチュエータといえば、モータやエアシリンダ、油圧シリンダなど、動力を発生する装置を指す。
「アクチュエータとはモータやエンジンを除く」とする狭義の記述があったり、LEDも含めた制御される操作部全てをアクチュエータとする広義の立場を取る場合も稀に見られる。
【ウィキペディア】アクチュエータ(Actuator)は、入力されたエネルギーを物理的運動に変換するものであり、機械・電気回路を構成する機械要素である。能動的に作動または駆動するもの。
【IT用語辞典】アクチュエータとは、入力されたエネルギーを物理的な運動へと変換する機構のことである。コンピュータの関連では特にハードディスクの磁気ヘッド部分を動作させる機構を指すことが多い。
【自動車用語辞典】機械などを作動させるものという意味で、モーター、油圧シリンダーなどの装置を動かすものの総称。アクチュエータは元来「動作させるもの」という意味の英語であり、モーターやシリンダーなどで広く採用されている。一般的にアクチュエータといえば、電気エネルギーを運動に変換する装置を指すが、油圧や空気圧、磁力などを運動量へ変換するアクチュエータなども多く存在する。光エネルギーを運動へと変換する光アクチュエータなども開発が進められている。アクチュエータは家電や航空機産業、人工筋肉の研究などに広く用いられている。
●制御の種類
・フィードバック制御（Feedback Control）…「フィードバックによって制御量を目標値と比較し，それらを一致させるように操作量を生成する制御」。目標値と制御した結果を比較して、目標値と結果が一致するように反復して制御を繰り返す制御。
・シーケンス制御（Sequence Control）…「あらかじめ定められた順序又は手続きに従って制御の各段階を逐次進めていく制御」（例）信号機・自動販売機
※実際使われている制御の多くは、シーケンス制御とフィードバック制御の両方が複雑に組み合わされて使われています。
●コンピュータの分類
パソコン、マイコン以外に、大型の汎用コンピュータやスーパーコンピュータ（スパコン）、オフィスコンピュータ（オフコン）、ミニコンピュータ（ミニコン）、ワークステーションなどがある。（分類するのに判断が難しい場合も少なくない） また携帯電話、電子手帳、電卓、家庭用ゲーム機などもコンピュータの一種としてとらえることもできる。
・ＰＩＣ早くから開発され、比較的利用者が多いマイコン。書籍やWebページも多いが、操作がやや難しい。・ＡＶＲＰＩＣより遅れて開発されたこともあり、利用者はまだまだ少なく、書籍やWebページも少数。特にAttiny2313は、操作が簡単で、価格もかなり安く入手することが可能。
●プログラミング言語プログラムの目的によって色々あるが、コンピュータが直接理解できる言語は機械語と呼ばれる言語だけである。
・ＢＡＳＩＣ（ﾍﾞｰｼｯｸ）初心者向けの言語として開発されたが、現在は広くプログラマに使われている。・C（ｼｰ）
Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Codeの略。アマチュアからプロのエンジニアまで、プログラマ人口が多い汎用性が高い言語。・機械語「マシン語」ともいい、２進数（０と１）で表された言語。実行速度が速いが，人間（プログラマ）には内容がわかりにくい。
・コンパイル各種のプログラミング言語で書かれたプログラムを、コンピュータが理解可能な機械語のプログラムに変換すること※学習指導要領と解説では・プログラミング言語の指定は特にありません。※「JA制御ヒダピオシステム」では、
・コンパイルについては触れられていません。・ＢＡＳＩＣを採用しています。 ・コンパイルについては、プログラミング言語の関係性を理解させる上では必要と考えています。
●フローチャート(flow chart)工程解析をする場合に用いられる流れ図のこと。処理の手順を理解するために用いられる。
●センサの分類
センサの種類は無数にある。分類方法も色々である。・リードスイッチ
・マイクロスイッチ
・水位・降雨センサ
・モーションセンサ
・マイク
・タッチセンサ
・照度センサ
・光センサ（光電素子）
CdS( ｼｰﾃﾞｨｰｴｽ）セルCadmium Sulfide Cell。明るくなると抵抗が小さくなり、暗くなると大きくなるように作り出された硫化カドミウムの化合物半導体。街路灯や自転車用ライトの自動点滅器などに多く使われる。応答速度があまりよくないという欠点がある。フォトセンサ…光エネルギを電気エネルギに変換する。高速に動作する。
フォトインタラプタ（透過型とアクチュエータ型）、フォトリフレクタ（反射型）
フォトダイオード
赤外線センサ（熱起電力効果型、焦電型）赤外線は目には見えない光で、テレビのリモコンなどに使われる。また人や動物の発する赤外線を検出して、有無を関知したりする。・イメージセンサ
CCD…ビデオカメラに使用されているセンサで多くのフォトダイオードなどから構成される
CMOSイメージセンサ
・磁気センサ
渦電流式近接センサ…金属探知器などに使用される。近くに金属があると電流の流れ方が変化する。
磁気ヘッド…VTRやカセットテープで使用る。テープ上の磁気信号を電気信号に変換する。
・視覚センサ
・嗅覚センサ
匂いセンサ、油臭センサ
・味覚センサ
コクセンサ、キレセンサ
・温度センサ
サーミスタ…温度の変化で抵抗が変化する。
焦電型温度センサ…遠くから温度を検知するができる。としても使用されることがあります． 熱電対、バイメタル
・温湿度センサ
・圧力センサ
まげセンサ
ひずみゲージ…ひずみにより抵抗が変化する
触覚センサ、圧電素子（ピエゾ）
・超音波センサ
・加速度センサ
・振動センサ
・傾斜/回転センサ
傾斜スイッチ、転倒スイッチ
ジャイロセンサ、 ロータリーエンコーダ
・位置角度センサ
変位センサ、 測長センサ、 リニアスケール、エンコーダ、ポテンショメータ
・液面センサ
レベルセンサ、漏液・水検出センサ 漏液・水検出センサ
・流量センサ
・レーザーセンサ
・ガスセンサ
・バイオセンサ
・その他センサ（検知センサなど）
顔認識センサ、ID/指紋センサ、人感センサ、近接センサ、安全センサ
●計測する物理量の例
音、衝撃●電気的な特性の処理方法
光、明るさ、色の変化
温度や湿度の変化
圧力の変化
長さや角度の変化
電磁気の変化
・電圧変化…そのまま電圧として処理する。
・電流変化…電圧に変換してから処理する。
・抵抗変化…電圧に変換してから処理する。
・容量変化…電荷を詰めておいて、電圧が変化し、容量が変わる。もしくは、周波数の変化として取り出す。
・パルス出力…回転などに比例した数のパルス、もしくは比例した時間幅のパルスを処理する。
●操作部
・LED（ｴﾙｲｰﾃﾞｨｰ）…Light Emitting Diode。電気を流すと発光する半導体。発光ダイオードとも呼ばれる。
・ブザー
・モータ
・発熱体
●ＰＴＣサーミスタ
・温度上昇に伴い抵抗値が上昇するサーミスタ。positive temperature coefficient thermistor。ポリマーPTC、セラミックPTCがある。
・ある温度を超えると急激に抵抗が上昇するような非線形の動作をするものは、ヒューズを置き換える回路保護素子として利用される。
