質問: サーボバルブなどで周波数という言 葉をよく聞きます、周波数応答とか 周波数特性とか...。 そもそもなぜサーボバルブは周波数 に関係があるんですか? 周波数とは波ですよね、波が機械と どう関係 があるんですか? どんな参考書を読んでも大まかな関 係性が分かりません。 サーボバルブに信号を与える、信号 を受けてサーボバルブは動く、動い ただけの信号をフィードバックさせ る、フィードバックした信号を演算 してまたサーボバルブに信号を与え る。大まかに言えばその繰返しです よね? なんで周波数という言葉がでるので すか? 教えて下さい!
回答: サーボバルブは、流量や圧力をコントロールするためのものですよね? 流量や圧力は、のったりと定常状態で動くものばかりではなく、脈動や振動的な変動、突発的な変動を伴うのが一般的です。これを、いかに「上手く」制御するか、というのが制御工学・制御理論の目的です。「上手く」とは、いろいろな変動・外乱に対して、「すばやく、精度よく、安定的に」ということです。 制御方式に「PID制御」というものがあるのは、制御の超入門ですので、ご存知ですよね。(P:比例、I:積分、D:微分) たとえば、電気炉で100°Cに制御しようとした場合、外気温を20°Cと仮定して、100°Cで10アンペアの電流、90°Cに下がったら12アンペア、110°Cに上がったら8アンペアと制御するようにしたのが「P」比例制御です。(制御変数である温度に対して、次の一次式で制御) 流す電流 = 10 + (100 - T)×0.2 アンペア ところが、外気温が0°Cに下がると、この制御では炉の中が100°Cより低い温度になってしまいます。逆に、外気温が30°Cを超えると、100°Cより高い温度で整定してしまいます。外気温によって、2アンペア/10°Cの比例定数が変わってしまうためです。 この欠点を補うため、「I」(積分)、「D」(微分)という要素を加えます。 上の例で言えば、実際に制御したい目標である「100°C」と実際の温度との偏差を積分して、電流値を加える(あるいは減じる)ことで、ピッタリ100°Cに制御しようというのが「PI制御」です。目標との偏差の積分が「I」(積分)要素です。 (偏差があるとじわりじわりゲインが上がってくる=目標値100°Cとの偏差を積分したものが比例定数0.2に乗じられる、というイメージ) また、急激な温度変化に対して、応答を早くするために「D」(微分)要素を加えることもあります。「変化率」に応じた制御ですので、応答性が良くなります。 通常、この3種を組み合わせた「PID制御」とするのが一般的です。 ここで「積分」「微分」が出てきたことからお分かりのように、制御方式の中に時間要素が入ります。 これを「D」(微分)動作で、「ちょっと上がったからすぐ下げろ」「あらら、下がったから今度は上げろ」とやっていると、「発振」という現象が起こりやすくなります。また、いわゆる「オーバーシュート」「アンダーシュート」(行き過ぎ)が起こりやすくなります。つまり、「D」(微分)動作を大きく効かせると、応答性が良くなる半面、不安定で発振しやすくなります。 逆に、「I」(積分)動作を大きくすると、目標値への整定精度は向上しますが、応答は遅くなります。 この「P」「I」「D」の比率=応答特性を適切に決めることが、制御系設計のポイントとなるわけです。 一般に、制御対象(流量や圧力、電流など)には、いろいろな外乱が入ります。その外乱は、そのままフィードバック量に入り込みます。また、制御として加えた操作(サーボバルブの開閉など)に対して、ある時間特性で制御対象(流量や圧力、電流など)が応答します。従って、制御される側の機械・流体プロセスなどにも時間特性が存在します。 これらの時間特性には、「速いもの」「遅いもの」がいろいろ混じっているわけで、それを「周波数」で表現すると一般化できるわけです。(速いもの=周波数が高い、遅いもの=周波数が低い) いろいろな周波数成分の外乱に対して制御特性がどうなるか、機械・プロセスの応答性も含めてどのような周波数特性の制御が最も「すばやく、精度よく、安定的」に制御できるか、ということが、制御系にとって非常に重要なのです。 ということで、「周波数」の議論が必要になるわけです。