基礎理論 - 1.基礎理論 - 5.計測・制御に関する理論 - 2.制御に関する理論

Last Update : April 12 2018 10:48:12

     

1 制御の仕組み

a. 制御とは

制御とは、制御対象の動作・外的な要因を計測し、目標値に合うように制御対象をコントロールすることをいう。
制御の種類には以下の2つがある。

  1. フィードバック制御
    クローズドループ制御とも呼ばれる。
    現在の対象物の状態を常に確認して、目標値と比較しながら対象を制御する方法。

    フィードバック制御は、対象物の現在の状態を検出してから出力量を決定するという方法で制御を行いますので、制御を乱すような外的な作用(外乱)が生じても、その影響が変化として計測できれば、ただちにフィードバックされて適切に修正するように動作することができます。

  2. フィードフォワード制御
    オープンループ制御とも呼ばれる。
    目標値に達するまでの期間では対象物の状態を計測せず、スタート時の状態で目標値までの制御情報を指示する方法。
    または、対象に加えられた外からの変更動作に対して、変更後の対象物の状態を計測して制御するのではなく、加えられた変更動作の大きさを計測して、その変動量を計算して対象物に先に指示を与えておく制御方法。

    フィードフォワード制御は、外乱などによる影響が現れる前に、前もってその影響を極力抑えるように修正動作を行う制御方式であるため、
    • 外乱を事前に検知する手段
    • 外乱検知時の適切な修正量の決定

    が必要となります。

    外乱検知時の適切な修正量とは、”どういう外乱”が入力され、その結果”どのような影響が現れるか”を把握し、この影響を抑えるためにはどのような修正量が適切かを検討して決定します。
    どのような外乱なのか、または、”制御対象の性質に変化が生じた”ことによる外乱なのかを把握し、さらに、この外乱の影響がどういうメカニズムで制御を乱すかを解析した上で適切な修正量の決定を行います。


シーケンス制御
あらかじめ決められた手順で処理を制御する方法

PWM制御
電源をON・OFFすることで電流や電圧を制御する方法。パルス幅変調方式ともいう。
電源をON・OFFを繰り返す電気信号をパルス信号といい、主にモーターの回転速度の制御に使われる。


2 センサ・アクチュエータの種類と動作特性


b. 制御の仕組み

コンピュータ制御では、制御対象の光、温度、圧力などのさまざまな状態をセンサで検出し、コンピュータが判断して、アクチュエータを通じて電動、油圧、水圧、空気圧などの機械的な動作に変換し、制御対象を一定の状態に保つ事を行っている。

センサ
制御対象の光、温度、圧力などの状態をセンサで検出し、電気信号として制御機構に伝達します。

コントローラ
制御機構とも呼ばれる。
コントローラは、リアルタイムOSで機能するコンピュータによって、制御状態の把握・制御の指示等を行う。リアルタイムに処理を実行するための応答特性や処理を安定して動作させるための制御安定性が重要になる。

アクチェータ
制御機構が計算した状態が電気信号で出力される。アクチェータはその電気信号を電圧・空気圧・油圧・磁力・光エネルギーなどの機械的な動きに変換し制御対象の動作を調整する。

光学センサ
人間の目で見ることができる可視光線と、それより波長の長い近赤外線や短波長赤外線、熱赤外線領域までの光をレンズで集め、対象物の形状などを画像データとして取得する受動型センサのこと。
光によって物の大きさや、長さなどの物理量、位置や段差、変位、外観を検知する機器です。
検知する方法で、光を透過させる透過型フォトセンサーと、光を反射する反射型フォトセンサーにわけられます。

赤外線センサ
赤外領域の光を受光し電気信号に変換して, 必要な情報を取り出して応用する技術。人間の視覚を刺激しないでものを見られる、対象物の温度を遠くから非接触で瞬時に測定できる特徴を持つ。
素子温度の上昇によって変化する電気的性質を検知する熱型赤外線センサと、光エネルギーによって起こる電気現象を検知する量子型赤外線センサの2種類がある。

磁気センサ
磁場(磁界)の大きさ・方向を計測することを目的としたセンサ。
磁気センサでは,磁束密度の変化に応じて出力電圧が変わる仕組みを利用する。現在製品化されている磁気センサの実現技術は,大きく二つに分かれる。一つは,ホール効果という磁場と電流の相互作用によって起電力が発生する素子(ホール素子)を利用したもの。もう一つは,磁界の強さに応じて電気抵抗値が変化する各種の磁気抵抗(MR:magnetoresistive)素子を用いてホイートストン・ブリッジを構成したセンサである。
ノート・パソコンのパネルや冷蔵庫のドアの開閉検知,エアコンのファンの制御,自動車のタイヤ圧検知,ペダルやトランスミッションの位置検知など使われる。

加速度センサ
物体の加速度(速度の変化率)を計測するための装置。一定時間の間に速度がどれだけ変化したかを計測する。
ロボットの姿勢制御や、エアバッグのための衝突検知に使われる。

ジャイロセンサ
ジャイロセンサは角度や角速度(単位時間あたりの回転角)を検出するもの。ジャイロスコープとも呼ばれる。
ロケット・ロボットの制御、カメラ・双眼鏡の手ぶれ補正、カーナビ、自動車の横すべり防止システム等で使われる。

超音波センサ
送波器により超音波を対象物に向け発信し、その反射波を受波器で 受信することにより、対象物の有無や対象物までの距離を検出するセンサ

ひずみゲージ
ひずみゲージは、物体のひずみを測定するためのセンサです。薄い絶縁体上にジグザグ形状にレイアウトされた金属の抵抗体(金属箔)が取り付けられた構造をしており、変形による電気抵抗の変化を測定することによりひずみ量に換算します。

サーミスタ
サーミスタは、温度の測定に使用されるセンサです。


  [ 例題 ] 
  1. 平成21年度秋期 問04  シーケンス制御
  2. 平成22年度春期 問04  フィードバック制御


     

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