制御工学は，機械などを意のままに操り，自律的な動作の実現を可能にする方法論です．例えば，ロボットの制御，航空機や船舶の自動航行，自動車の自動車間制御や燃料噴射装置の電子制御，HDDやDVDヘッドの精密位置決め制御，人工衛星の制御，などが有り，私たちの生活には自動制御工学が広く活用されています．

自動制御を行うためには，制御する対象の状態を観測することが必要です．その上で，外力などを対象に加えることによって，所望の状態になるよう制御します．対象物の状態を観測する機器は「センサ」と言い，対象に外力等を加える機器は「アクチュエータ」と呼ばれます．自動制御の仕組みを知るために，「倒立振子（とうりつしんし）」の自動制御について説明します．

皆さんは，小学生の頃，掃除用の箒を手のひらの上に立てて遊んだことは有りませんか．倒立振子とは，手のひらの上に棒を鉛直に立てる動作を機械に行わせるものです．図の様に，モーターによって左右に走行可能な台車の上に，自由に回転可能な棒を搭載しています．棒と台車はフリージョイントで結合されているので，棒だけを回して立てることはできず，台車を左右に動かすことによって棒を鉛直に立てます．

◆マニュアル操作による倒立◆

ジョイスティックを使って，台車を左右に動かし，棒を立てることにチャレンジしましたが，上手く立てることはなかなか難しい．

倒立振子マニュアル操作の動画

◆自動制御による倒立◆

自動制御工学を利用して台車の動きを制御すると，いとも簡単に棒を倒立させることができます．

倒立振子自動制御の動画

では，どのようにして自動的に棒を立てることができるのでしょうか．まず，棒の傾き角度をセンサ（エンコーダ）によって調べます．また，台車の位置も同じようにセンサによって観測します．その傾き角度に基づいて，棒を鉛直に立たせるためのモーターの出力を適切に決め，モーターを動かします．この処理を０．０１[秒]ごとに繰り返すことによって，倒立振子を立たせることに成功しています．人間が手のひらの上で棒を立てる動作と対比させると，センサは人の目，台車のモーターは手のひらの動きに対応します．そして，センサ情報に基づいてモーターを「適切に」動かす量を決めている部分が制御アルゴリズムであり，人の頭脳に対応しています．つまり，制御工学は機械を自律的に動かすための頭脳に相当します．したがって，制御工学は機械の自動化，自律化に不可欠な技術なのです．