制御に関する理論

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

制御の考え方、仕組みを理解する。また、フィードバック制御、フィードフォワード制御など、各種制御の考え方、仕組みを理解する。

用語例:リアルタイムOS、MPUアーキテクチャ、オープンループ、応答特性、制御安定性、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御

制御

制御とは、計測によって得られた入力値を元に、出力値を調整することです。

入力や出力に使われるものは、電圧、電流、圧力、温度、音量、音程などアナログ信号が使われます。

これに対して、入力された値をコンピュータ処理する際には、デジタル信号で扱われますので、必要に応じてA/D変換、D/A変換が行われます。

制御システム

制御システムとは、「制御」機能により、他の機器やシステムを管理し、制御するシステムです。

例えば、「バケツに水を汲む」という行動を例に取ってみます。

私たちがバケツに水を汲み場合、当然ながらバケツに入って水の量を見ていて、ちょうどよいところで水を止めます。「制御」とはまさしくこのような機能です。制御をせずに水をくんだ場合、単純に一定時間水を出して止めるという処理になってしまうので、出て来る水の量が外的要因で変わってしまった場合、「ちょうどよい量」の水を組めなくなってしまいます。

つまり、制御システムは外的要因にどう対処するか、がポイントになります。

制御システムにはフィードバック制御、フィードフォワード制御、オープンループ制御などがあります。

センサとアクチュエータ

センサは検知・監視装置であり、外的要因を信号に変換する機能を持ちます。電子的な温度計や、湿度計、回転計などが当てはまります。

アクチュエータは信号を動作に変換する機能を持つ機器です。制御可能なモータ、油圧装置、ヒータ、エンジンのガゾリン噴射装置などが当てはまります。

フィードバック制御

フィードバック制御とは、制御した出力の結果を入力側に戻し、目標値と比較して次の制御に反映させる制御方法です。

例えばエアコンの場合、室温と設定温度の差を計測してエアコンから出る風の温度と風量に反映していきます。

フィードバック制御では、常にセンサを用いて対象(エアコンの場合室温)を監視しています。

そのため、エアコンの場合は窓を開けるなどして室温が急に高くなった場合でもその変化を計測し、エアコンの風量などに反映することが出来ます。

フィードバック制御は変化が起きてから制御量の修正をするため、影響が現れてから修正するという後追いの修正となります。

フィードフォワード制御

フィードフォワード制御は、制御を乱す外的要因が発生する場合に、その影響が出る前に必要な修正を行う制御方法です。

例えばエアコンの場合、室内温度に変化はないけれど、外の気温が下がってきたので、冷房を弱める、といった制御を行うことが出来ます。しかし、室内温度と設定温度が等しくなるとは限りません。

通常は、フィードバック制御と組合せて用いられます。

オープンループ制御

制御量の入力値のみを計算する制御方式です。したがって、出力に対してのフィードバックや外乱などのデータは一切考慮しません。

単純に負荷のかかっていないモータの回転数などを入力電圧だけで制御する場合などに適しています。

クローズドループ制御

モータに対する負荷が変化するような場合、負荷により回転数が変化するので、回転数を一定に保つためには、オープンループ制御ではなく、フィードバック制御が必要になります。

このようなフィードバックや外乱を考慮して入力値を制御する方式をクローズドループ制御といいます。

リアルタイムOS

このような制御システムのコンピュータの制御では、リアルタイムOSが利用されることがあります。

リアルタイムOSとは、リアルタイム処理(=処理に対する応答時間が一定の範囲内であること)が保証されているオペレーティングシステムです。

利用者にとっての利便性よりもデータの処理速度を優先しているのが特徴です。