制御の種類とは？
ここでは、制御の種類とその概要について説明いたします。
そもそも、これには人の介入がほとんど無いかもしくは全く無いものと、ほとんどもしくは全てにおいて人が介入するものとがあります。
前者を「自動制御」、後者を「手動制御」と呼び、このサイトにおいては原則として前者について説明を進めます。
自動制御は大まかに２つに分類できます。以下の２種類です。
①定性的制御
②定量的制御
１．定性的制御
「定性的制御」なる単語がいきなり出てきました。筆者も電気のことを学習し始めたころ、突然飛び出す専門用語には悩まされた記憶が多々あります。
さて、この「定性的制御」とはというところですが、前の記事で出てきたような全自動洗濯機を思い浮かべていただければ結構です。他にも自動販売機など、ガソリンスタンドで見かける洗車機なんかもそうかもしれませんね。
これらに共通するのは制御全体を細かな「工程」で分けることができるというところです。
例えば自動販売機なら以下のような工程に分けられます。
①ジュースを飲みたい人が自動販売機のところまで来る(人間の動作)
②自動販売機に欲しいジュースの金額分(以上)のお金を投入(人間の動作)
③販売価格分(以上)のお金が投入されたことを認識
【工程1】
④購入可能なジュースに対応したランプ付きスイッチのランプを全て点灯させる
【工程2】
⑤欲しいジュースに対応したボタンを押す(人間の動作)
⑥押されたボタンが購入可能なジュースのものであれば商品を受け取り口に運び出す
【工程3】
⑦おつりを計算し対応した金額分のおつりをつり銭専用の受け取り口に運び出す
【工程4】
かなり大まかなくくりですが、これが自動販売機の動きになります。
人との対話形式ではありますがその中で人の要求に対して応えるように工程化された制御がはたらいています。これが終われば次はこれ、その次はこれ、といった具合に進んでいますね。
これを定性的制御の代表例である「シーケンス制御」といいます。上記の内容を自動販売機内の機械ユニットレベルで細かくみると、もっと工程を細分化できます。
まずは定性的制御について概要はご理解いただけたでしょうか。
２．定量的制御
次に「定量的制御」について説明いたします。
先ほどの定性的制御とは漢字1文字違うだけですが、その内容はガラッと変わってしまいます。上のイラストのような機器たちはこれをイメージするのにぴったりではないでしょうか。
そのイメージの通り、定量的制御ではある設定がなされた値に制御対象を一致させることが目的です。
イラストの機器はすべて温度というファクター(要素)で設定値が与えられ、それに沿うように制御がはたらきます。
例えばエアコンの場合をとりあげます。
時期は夏、当然冷房(冷却方向であり加熱方向ではない)で運転開始！設定を25[℃]とします。
運転開始時点ではおそらく制御対象となる部屋の温度は高いでしょう。
以降、エアコンは頑張って室内を目標として設定された温度に向けて冷やし始めます。途中、冷やしすぎて動作(出力)を弱めたり弱めすぎて再び少し頑張ったりを繰り返し設定温度に合わせます。
以下が、上記の内容を「温度」対「時間」でグラフ化したものです。
運転開始直後のエアコンの頑張りと途中の人の出入りによる室温の乱れ(これを外乱といいます)の後、さらなるエアコンの頑張りが表現されています。このように設定値に対して制御対象を合わせこむことを定量的制御といいます。
詳しくはPIDによるものなど、高度な数学の知識を要する部分ではありますが、ここではそういうものがある、ということのみご理解いただければ問題ありません。
さらに、これには時間が経過しても目標となる設定値が一定でありそこに制御対象を一致させる定置制御と時間経過に伴い目標値が時々刻々変化し、それに制御対象を一致させる追従制御があります。
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知見
ここで、筆者の知見を述べさせていただきます。
上記に制御の種類とその概略を説明いたしましたが、これらは各個別々に存在し各々が単一の機器に実装されるわけではないようです。つまり、上記のような各種制御がいわば協力し合い一つの機器動作を成り立たせているのが一般的と言えるでしょう。
例えば、先の自動販売機では商品となる飲料を一定温度に保ちながら販売動作を行っています。エアコンでも設定温度を保つ動作をしながらフィンの向きを条件に応じて変化させるといった動作をしています。
これが、化学物質などを製造する工場においては温度や圧力等を一定に保ちつつ、時間の経過等をきっかけにバルブやポンプを作動させ次の工程へ移行するという動作を行っています。
このように各種制御は手を取り合い協力し、一つの目的を達成するようにできていると考えられるでしょう。人間が逆に見習うべきところもあるのでしょうか（笑）。
以上、制御にはどのような種類があるかを説明いたしました。
「へぇ～～～！」と思っていただけたら幸いです。
制御について学びたいけど何から手をつけていけばよいのかわからないという方のために、自動制御の代表であるシーケンス制御についてどのように習得していけばよいかという視点から、現在筆者が最も有効であろうと考える手段を以下の記事にまとめました。このサイトの制御の項目で基礎的なことをおさえたならば、さらなる飛躍として一気に実用レベルへ引き上げるための有効な手段は何かについて記事で説明しています。
