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自動制御 序論

1. 制御とは

制御…ある目的に適合するように，制御対象（機械，プロセス，プラントなどの全体又

は一部）に所要の操作を加えること．

脳 手

目

操縦桿 航空機

高度計

希望高度

dH

人間

フィードバック

ed

外乱

高度H

図 1 手動制御の例

制御系…制御のために制御対象に制御装置を結合して構成された系．

自動制御…制御系を構成して自動的に行われる制御．（手動制御）

電圧変換器 増幅器 操縦サーボ 航空機

高度計

設定高度

dH e

d

外乱

高度H

HV

HdV+-

He

図 2 自動制御の例

フィードバック…作用又は信号の伝達の下流側から上流側へ信号を戻すこと．

フィードバック制御（閉ループ制御）…フィードバックによって制御量を目標値と比較

し，それらを一致させるように操作量を生成する制御．自動制御というとフィードバック

制御のみをさすことが多い．

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制御部 制御対象

検出部

外乱

制御量

+-

操作量偏差目標値

図 3 フィードバック制御

フィードフォワード制御（開ループ制御）…フィードバックループがなく，目標値に基

づいて，制御量を考慮せずに操作量を決定する制御．

制御部 制御対象

外乱

制御量操作量目標値

図 4 フィードフォワード制御

シーケンス制御…あらかじめ定められた順序または手続きに従って制御の各段階を逐次

進めていく制御．

2. 制御の歴史

18 世紀 ジェームズ・ワット「産業革命の父」＋「制御工学の生みの親」

機関の出力を一定に保つための制御装置「遠心調速器」（governor）を考案

1868 年 Maxwell の遠心調速器の安定性に関する研究 → 制御理論

電気通信技術（電信，電話）の発展によるフィードバック制御

サーボ機構

プロセス制御

ウィナーによるサイバネティクスの提唱

古典制御理論（～1950） 伝達関数，周波数応答

現代制御理論（1950～） 状態空間モデル

ポスト現代制御理論（1980～） ロバスト制御，適応制御，ファジィ，ニューロ，…

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3. 自動制御の分類

(1) 目標値の時間的経過

定値制御…目標値が一定の制御．

追従制御（追値制御）…変化する目標値に追従させる制御．

(2) 制御動作が連続か間欠的か

連続制御…制御系の伝達信号が連続的信号で処理される制御．

サンプル値制御…制御系の一部にサンプリングによって得られた間欠的な信号を用いる

制御．

(3) 実装方法

アナログ制御…目標値，制御量などを電流や電圧のアナログ信号に変化し，それを回路

素子によって信号処理する連続制御．

デジタル制御…マイコンなどのデジタル IC を使い，デジタル量として表される目標値，

制御量などをデジタル演算処理するサンプル値制御．

(4) 補助エネルギーの有無

自力制御…制御対象からのエネルギーで制御装置を駆動する制御．

他力制御…補助エネルギーで制御装置を駆動する制御．通常は他力制御．

(5) 応用

サーボ機構（サーボ系）…物体の位置，方位，姿勢，力などの力学量を制御量とし，目

標値の任意の変化に追従するように構成された制御系（追従制御）．

プロセス制御…工業プロセスの状態量（温度，圧力，流量等）を制御量とする自動制御．

ワットの蒸気機関

ジェームズ・ワット（1736‐1819）

ヘロンの蒸気機関

アレクサンドリアのヘロン（紀元前）

遠心調速器（governor）

http://i.imgur.com/chNklxM.gif

機関の出力を一定に保つフィードバック制御器

風車と遠心調速機

石臼の間隔を一定に保つ風の向きによって風車の方向を変える

遠心調速器のハンチング現象

回転数

時間

振子が開くバルブが閉じる蒸気流量が減る

振子が閉じるバルブが開く蒸気流量が増える

ハンチング

Maxwellの安定性解析

1868年

遠心調速器のメインシャフトの回転角に関する微分方程式を導出（モデル化）し，その解が安定になるための必要条件を導いた．

James Clerk Maxwell（1831－1879）

・・・動的システムの安定理論→ 制御理論

サーボ機構

リンケのサーボ機構

制御対象（航空機，船，自動車，工作機械，ロボットなど）の装置のある位置，速度，加速度などを命令どおりに自動追従させる機構（追従制御）

図解入門よくわかる機械制御の基本とメカニズム

自動操縦自走式魚雷の開発

• ロバート・ホワイトヘッド（1868，イギリス）による自動操舵

• ジョン・アダムス・ハウエル（米国）によるジャイロスコープ利用による方向制御

• 誘導魚雷（有線魚雷）の開発手動による誘導（有線）からソナーによる誘導へ

http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope

自動操縦ライト・フライヤーによる人類初の動力飛行（1903）

スペリー親子（米国）による自動操縦装置エマリー・スペリー（父） ジャイロスコープ機構による機体の姿勢保持ローレンス・スペリー（息子） 1914年パリで手放し飛行を披露．

翼の上を歩いて見せる．

飛行操舵方法の確立しかし，機体は不安定．

自動操縦ロケット，ミサイルの誘導制御

• ヴェルナー・フォン・ブラウンによるV‐1，V‐2ジャイロスコープ機構による自動制御装置

自動操縦

航法Navigation

誘導Guidance

制御Control

飛行運動

位置，速度 目標姿勢目標速度

目標軌道，目標速度

舵角，スロットル

姿勢，速度

有人機が備える自動化技術• オートパイロット：指示された高度，速度，方位を自動操縦• FMS： ウェイポイントを設定して自動飛行• 自動着陸: ILS，MLS，GPSベースシステム（GBAS，SBAS）• TCAS： 衝突防止警報装置（警報まで）• GPWS： 地上接近警報装置（警報まで．一部自動go‐around）• ウィンドシア警報装置：警報まで．一部自動go‐around

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Kinetics（動力学）

Kinematics（運動学）

プロセス制御ハーバー・ボッシュ法に基づくプラントによるアンモニア合成（1913，ドイツ）

石油工業，セメント工業のように，種々の原料から物理的あるいは化学的な処理操作によって製品を生み出す過程をプロセスという．プロセス制御はプロセスの組成，流量，温度，圧力，湿度，濃度などをそれぞれの目的に応じた条件に保つ（定値制御）ことによって行われる． （日本大百科全書）

図解入門よくわかる機械制御の基本とメカニズム

古典制御の成立制御工学のための数学

• ラプラス変換，伝達関数電気通信技術（電信，電話）の発展（AT&Tベル研）

周波数領域におけるフィードバック制御の解析法• フィードバック増幅器• ナイキストの安定判別法（1932）• ボード線図，ボードの定理（1940）

サーボ機構プロセス制御

• PID制御ノーバート・ウィーナー

• サイバネティクスを提唱

サイバネティクスノーバート・ウィーナー（1894‐1964）

“Cybernetics: Control and Communication in the Animal and the Machine” (1948)「サイバネティックス: 動物と機械における制御と通信」

人間機械論人間，動物の行動は機械と同じフィードバック制御によるもの．

制御理論の変遷

古典制御理論（～1950）

• 伝達関数，周波数応答に基づく解析・設計• 主として1入力1出力

現代制御理論（1950～）

• デジタル計算機の登場• 状態空間モデルに基づく解析・設計• 多入力多出力• 最適制御，非線形制御など

ポスト現代制御理論（1980～）

• ロバスト制御（H∞最適制御），適応制御，ファジィ制御，ニューロ制御など

国土交通省 第2回オートパイロットシステムに関する検討会（2012） 配布資料

国土交通省 第2回オートパイロットシステムに関する検討会（2012） 配布資料

失敗データベース http://www.sozogaku.com/fkd/cf/CA0000621.html