比例制御とは?

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フィードバック制御とは、検出器やセンサーからの信号を読み取り、目標値と比較しながら設備機器の運転や停止など「操作量」を制御して目標値に近づける命令です。その「操作量」を目標値と現在地との差に比例した大きさで考え、少しずつ調節する制御方法が「比例制御」と言われる方式です。このページでは、初心者の方でもわかりやすいように、「比例制御」についてやさしく解説しています。

比例制御の方式

ON-OFF制御よりも、制御結果の精度を上げる自動制御として、比例制御というものがあります。比例制御では、SV(設定値)を中心とした比例帯をもち、MV(操作量)がe(偏差)に比例する動作をします。

比例制御を行うための演算方式として、PIDという3つの動作を組み合わせて、スムーズな制御を行っています。

  • P動作:Proportinal(比例動作)
  • I動作:Integral(積分動作)
  • D動作:Differential(微分動作)

P制御:Proportinal(比例動作)

ある範囲内のMV(操作量)が、制御対象のPV(測定値)の変化に応じて0~100%の間を連続的に変化させるように考えられた制御のことです。通常、SV(設定値)は比例帯の中心に置きます。ON-OFF制御に比べて、ハンチングの小さい滑らかな制御ができます。

P制御は、ON-OFF制御に比べて徐々に制御出来るように考えられますが、実際は測定値が設定値に近づくと問題がおきます。そこで問題を解消するために考えられたのが、PI制御です。

比例制御の基本

PI制御

P制御における問題点は測定値が設定値に近づくと、操作量が小さくなりすぎて、制御出来ない状態になってしまいます。その結果として、設定値に極めて近い状態で安定してしまい、いつまでたっても「測定値=設定値」になりません。

このP制御における、測定値と設定値の差を「e(偏差)」といいます。この偏差をなくすための考えられたのが、「I動作(積分動作)」です。

積分動作は偏差を時間的に蓄積し、蓄積した量がある大きさになった所で、操作量を増やして偏差を無くすように動作させます。このようにして、比例動作に積分動作を加えた制御を「PI制御」といいます。

PI制御は、うまく制御が出来るように考えられますが、実はもう少しだけ改善の余地があります。そこでもっとうまく制御が出来るように考えられたのが、PID制御です。

PID制御

PI制御には、もう少しだけ改善の余地があると説明しましたが、その改善とは応答時間です。PI制御は「測定値=設定値」に制御できますが、応答するのに「一定の時間」が必要です。

応答するのに一定の時間が必要なので、例えば「外乱」があった時には、すばやく反応できず、制御がきかない状態に陥ってしまうことがあります。尚、外乱とは制御を乱す外的要因のことです。

そこで、改善のために考えられたのが「D動作(微分動作)」です。微分動作は、今回の偏差と前回の偏差とを比較し、偏差の大小によって操作量を機敏に反応する様にする動作です。この前回との偏差の変化差をみることを「微分動作」といいます。

このようにして、比例動作に積分動作と微分動作を加えた制御を「PID制御」といいます。PID制御は操作量を機敏に反応し、素早く「測定値=設定値」になるような制御方式といえます。

時間比例制御

時間比例制御はSV(設定値)を中心とした比例帯の中で、パルス形のON-OFF出力を一定周期で繰り返し、PV(測定値)とSV(設定値)との偏差に比例させて変えていく制御方法です。

繰り返し行われる、ON-OFF出力の1サイクル時間は一定で、仮に1サイクルを10秒とすると、PV(測定値)がSV(設定値)付近では、ON時間が5秒、OFF時間が5秒と均一なMV(操作量)を出力を行います。又、比例帯内において、PV(測定値)がSV(設定値)よりも低い場合はON時間が8秒、OFF時間が2秒とON時間の方が長くなるようにMV(操作量)の出力を行います。

尚、PV(測定値)が比例帯よりも低い場合は、出力は常にONの状態となります。逆に、PV(測定値)が比例帯よりも高い場合は、出力は常にOFFの状態となります。

時間比例制御でのMV(操作量)の出力は、オンオフパルス形の出力形態です。その方法としては、リレー出力と電圧出力があり、リレー出力では電磁開閉器と、電圧出力ではソリッドステイトリレー(SSR)と組み合わせて使用されます。

電磁開閉器を利用したリレー出力のサイクルタイムは通常10秒以上とし、SSRを利用したサイクルタイムは、1秒以下といった短い周期でも取ることができます。

以上がON-OFF制御と比例制御を組み合わせた自動制御の例となります。その他にも、4-20mA信号を常時出力するセンサーからの信号を読み取り、調節器で連続的に「操作量」を制御して目標値に近づける連続比例制御や、コントロールモータの位置をポテンションメーターを使って抵抗値として読み取り、抵抗値で開度をフィードバックするような位置比例制御などがあります。
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