制御システムとは何か？（オープンループとクローズドループ制御システムの例）

制御システムとは

制御システムとは、他のデバイスやシステムの動作を管理、コマンド、指示、または制御して所望の結果を達成するデバイスのシステムです。制御システムは、プロセス変数を所定の設定点に保つように設計された制御ループを通じてこれを達成します。

つまり、制御システムの定義は、他のシステムを制御するシステムとして単純化することができます。人間の文明が日々近代化されるにつれて、自動化の需要も増加しています。自動化には、相互作用するデバイスのシステムの制御が必要です。

近年、制御システムは現代技術と文明の発展において中心的な役割を果たしています。私たちの日常生活のほぼすべての側面は、何らかの形の制御システムによって影響を受けます。

日常で見られる制御システムの例としては、エアコン、冷蔵庫、トイレタンク、自動アイロン、クルーズコントロールなどがあります。

産業環境では、製品の品質管理、兵器システム、輸送システム、電力システム、宇宙技術、ロボット工学などに制御システムを見ることができます。

制御理論の原理は、エンジニアリング分野だけでなく非エンジニアリング分野にも適用可能です。IEE-Businessの制御システムのMCQを学ぶことで、制御システムについてさらに学ぶことができます。

制御システムの特徴

制御システムの主な特徴は、システムの入力と出力の間に明確な数学的関係があることです。

システムの入力と出力の関係が線形比例性で表される場合、そのシステムは線形制御システムと呼ばれます。

また、入力と出力の関係が単一の線形比例性で表すことができず、入力と出力が非線形の関係にある場合、そのシステムは非線形制御システムと呼ばれます。

優れた制御システムの要件

精度：精度は、測定器具の許容誤差であり、通常の使用条件下での誤差の限界を定義します。

フィードバック要素を使用することで精度を向上させることができます。任意の制御システムの精度を向上させるためには、エラーディテクターが制御システム内に存在する必要があります。

感度：制御システムのパラメータは、周囲条件の変化、内部の干渉、または他のパラメータの変化とともに常に変化します。

この変化は感度という観点で表現できます。任意の制御システムは、このようなパラメータに対して不感であるべきですが、入力信号に対してのみ敏感であるべきです。

ノイズ：不要な入力信号はノイズと呼ばれています。優れた制御システムは、ノイズ効果を減らし、より良い性能を実現する必要があります。

安定性：これは制御システムの重要な特性です。有界入力信号に対して出力が有界であれば、そして入力がゼロならば出力もゼロであれば、そのような制御システムは安定したシステムと言えます。

帯域幅：制御システムの帯域幅は、動作周波数範囲によって決定されます。優れた制御システムの周波数応答のために、帯域幅は可能な限り広いことが望ましいです。

速度：これは制御システムが安定した出力を達成するためにかかる時間です。優れた制御システムは高速を備えています。そのようなシステムの過渡期間は非常に短いです。

振動：出力の小さな振動または一定の振動は、システムが安定していることを示しています。

制御システムの種類

様々な制御システムの種類がありますが、全てのシステムは出力を制御するために作られています。位置、速度、加速度、温度、圧力、電圧、電流などを制御するシステムは、制御システムの例です。

部屋の簡単な温度制御器の例を考えてみましょう。あるヒーターがあり、電源がオンになっている限り暖まり続けます。

ヒーターの電源スイッチがオンになっている限り、部屋の温度は上昇し、所定の温度に達したら電源がオフになります。

その後、周囲の温度により部屋の温度が下がると、再び手動でヒーターをオンにして所定の温度に戻します。このようにして、手動で部屋の温度を所定のレベルに制御することができます。これが手動制御システムの例です。

このシステムは、タイマーによる電源のオン・オフ切り替えを用いて改善することができます。これにより、予め設定された時間間隔で電源がオン・オフされ、部屋の所定の温度を達成することができます。

さらに、別の改良方法として、センサーが実際の温度と所定の温度の差を測定します。

それらの間に差がある場合、ヒーターが機能して差を縮小し、差が予め設定されたレベル以下になるとヒーターが停止します。