制御システム
制御システム(せいぎょしすてむ、英語: control system)または制御系(せいぎょけい)は、他の機器やシステムを管理し制御するための機器、あるいは機器群である。制御システムは大まかに、論理制御(逐次制御)とフィードバック制御(線型制御)に分類され、これらの組合せや派生によってさらに分類される。また、論理制御の設計の単純さと線型制御の扱いやすさを組み合わせたファジィ論理制御もある。ある種の機器やシステムは、本質的に制御不能である。
制御系という用語は、本質的に手動の制御にも適用される。例えば、操作者がプレス機を開閉するとき、論理では監視人が適切な場所にいない限り、開閉できないとされる。自動逐次制御システムは、一連の機械式アクチュエータが正しい順序で機能することでタスクを実行する。線型フィードバックシステムには、センサと制御アルゴリズムとアクチュエータから成る「制御ループ」があり、何らかの変数が標準値になるよう制御する。PID制御はフィードバックシステムの一種であり、炉の温度を一定に保つなどの用途に使われる。オープンループ制御では、フィードバックを直接使うことはなく、事前に設定された方法で動作する。
微分制御は、誤差の単位時間当たりの変化率を用いる。測定値が設定値に素早く近づいている場合、設定値に滑らかに近づけるためにアクチュエータを早めに緩める必要がある。逆に測定値が設定値から素早く離れている場合、その速さに比例して対処する必要がある。
微分制御を備えた制御システムは、より知的に振舞う。炉の温度制御システムや車載の銃やカメラなどの重い機器を動かす制御システムなどで、よくチューニングされたPDI制御システムの微分制御は、熟練した人間の操作者以上に効果的に設定値を維持できる。
微分制御が効きすぎると、やはり振動が発生する。例えば、温度が SP に向かって素早く上昇しているとき、微分制御が効きすぎると SP に到達する前に一旦上昇が止まり、そこから再度上昇するというような動きを示す。
線型制御システムは線型な負のフィードバックを使って、数学的には別の変数に基づいた制御信号を発生させる。それによって、制御対象が許容範囲内で動作するよう維持する。
電気炉の例で、温度の設定値が最大定格電力の50%で安定状態として維持できる温度となっていて、現在、温度がそこに向かって上がっているとする。温度がそれより低い状態では、最大定格電力の100%の電力が適用される。MV が SP と10度差の温度になったら、比例制御が働き始め、電力が低減される。つまり、SP を中心とした20度の範囲が比例帯(proportional band)となっていて、100% から 0% まで線形に変化する。設定値に到達すると50%の電力が適用されるが、加熱システムに蓄積された余熱があるため、炉内温度はさらに上がっていく。SP より10度高い温度になると、比例帯の上限に達し、加熱用電力は供給されなくなる。それでもさらに炉内温度はある程度上がっていくだろう。MV が比例帯に戻ってくると、加熱が再開されるが、今度は加熱システムが冷えすぎているため、再び上昇するまでしばらく温度が下がり続けるだろう。このようにして温度変化が振動するような曲線を描いて変化し続けることになる。