オンオフ制御コントローラ：とは何か？（動作原理）

オンオフコントローラとは何ですか？

時には、制御要素は完全に閉じたか、または完全に開いたかのどちらかの位置しかありません。この制御要素は部分的に開いたり閉じたりする中間位置では動作しません。このような要素を制御するために作られた制御システムは、オンオフ制御理論として知られています。この制御システムでは、プロセス変数が一定の設定値を超えると、システムの出力値が突然完全に開き、100％の出力を与えます。

一般的に、オンオフ制御システムでは、出力によってプロセス変数が変化します。そのため、出力の効果により、プロセス変数は逆方向に再び変化し始めます。

この変化中に、プロセス変数が一定の予め設定されたレベルを超えると、システムの出力値はすぐに閉じられ、出力は突然0％になります。

出力がないため、プロセス変数は再び通常の方向に変化し始めます。それが設定レベルを超えると、システムの出力バルブは再び完全に開き、100％の出力を与えます。この出力バルブの閉鎖と開放のサイクルは、指定されたオンオフ制御システムが動作している限り続きます。

オンオフ制御理論の非常に一般的な例は、トランスフォーマ冷却システムのファン制御方式です。トランスフォーマがそのような負荷で動作すると、温度が予め設定された値を超えると、冷却ファンが全容量で回転を開始します。

冷却ファンが動作すると、強制空気（冷却システムの出力）によってトランスフォーマの温度が下がります。温度（プロセス変数）が設定値以下になると、ファンの制御スイッチがトリップし、ファンはトランスフォーマへの強制空気供給を停止します。

その後、ファンによる冷却効果がないため、負荷によりトランスフォーマの温度が再び上昇し始めます。再度上昇中に温度が設定値を超えると、ファンは再び冷却のために回転を開始します。

理論的には、制御装置には遅延がないと仮定しています。つまり、制御装置のオンオフ操作には時間遅れがないということです。この仮定に基づいて、理想的なオンオフ制御システムの一連の操作を描くと、以下のグラフを得ることができます。

しかし、実際のオンオフ制御では、コントローラ要素の閉鎖と開放動作には常にゼロではない時間遅延があります。

この時間遅延はデッドタイムと呼ばれています。この時間遅延により、実際の応答曲線は上述の理想的な応答曲線と異なります。

実際にオンオフ制御システムの応答曲線を描いてみましょう。

例えば、時間T Oでトランスフォーマの温度が上昇し始めるとします。温度の測定器具は即座に反応せず、温度センサーの水銀が膨張するのに時間がかかるため、瞬間T1から温度計の針が上昇し始めます。

この上昇は指数関数的です。点Aでコントローラシステムが冷却ファンのスイッチングオンを開始し、最終的にT2期間後にファンが全容量で強制空気を供給し始めます。その後、トランスフォーマの温度は指数関数的に減少します。

点Bでコントローラシステムが冷却ファンのスイッチングオフを開始し、最終的にT3期間後にファンが強制空気の供給を停止します。その後、トランスフォーマの温度は同じように指数関数的に上昇し始めます。

注: この操作中、我々は電力トランスフォーマの負荷条件、周囲温度、および周囲の他のすべての条件が固定かつ一定であると仮定しました。

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