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制御工学 機械工学

フィードバック制御系

制御工学では、フィードバック制御を中心に学習します

この記事では、フィードバック制御系の構成、フィードバック系の分類や欠点について解説します

 

フィードバック制御系とは

フィードバック制御系とは、ある出力(制御量)とを入力(目標値)を比較して、その値の差(誤差)を無くし、常に一致するようにするシステムです

フィードバック制御系の構成は以下のようになります

 

 

 

各信号の意味は以下の通りになります

目標値・・・外部からの命令、入力信号

操作信号・・・操作装置への支持信号

操作量・・・操作装置の出力量

外乱・・・制御対象が外部から受ける干渉

制御量・・・制御したい値、出力信号

検出量・・・制御対象から検出される値

観測雑音・・・検出装置が外部から受ける干渉

検出信号・・・検出部から得られる信号

 

フィードバック制御系の例

さきほどの説明だけだと、少し抽象的で分かりにくいかもしれませんので、例を挙げてみます

 

水槽の温度設定

熱帯魚などを飼育するための水槽の温度設定にも、フィードバック制御が使われています

目標値は、設定温度、制御装置は温度調節器、操作装置は、ヒータ、制御対象は水槽の温度、検出装置は温度検出器になります

考えられる外乱としては、外気などがあります

 

 

「温度検出器から得られた温度と目標温度の比較をし、水槽の温度を変えられるヒータの制御を行い、また温度検出器で目標温度と比較をする」という作業を繰り返すことで、常に水槽の温度を一定に保とうとしています

 

フィードバック制御の分類

フィードバック制御は、目標値、制御量、信号の種類による分類ができます

 

目標値による分類

定値制御・・・目標値が時間によって変化しない

追従制御・・・目標値が時間によって変化する

プログラム制御・・・目標値が決まった通りに変化する

 

制御量による分類

制御量がどのような物理量かによって分類する方法です

サーボ機構・・・制御量が角度、位置などのフィードバック制御系

自動調整系・・・制御量が速度、電圧などのフィードバック制御系

プロセス制御・・・制御量が温度、圧力などのフィードバック制御系

 

信号の種類による分類

アナログ制御・・・信号が連続的なフィードバック制御系

デジタル制御・・・信号が離散的なフィードバック制御系

 

フィードバック制御の欠点

フィードバック制御は、操作量に対しての結果を観察してから修正をしてくため、外乱が発生してもその影響が発生してから修正します

ですので、外乱が発生してから修正するまでにタイムラグが発生します

先ほどの例ですと、室温が変化したとしても、それが影響で水槽の温度が変化するまでは、何も修正しないということになります

よって、修正動作が後追いになってしまうため、外乱の影響をそのまま受けることになります

これがフィードバック制御の欠点です

 

フィードバック制御のこの欠点を補っている、フィードフォワード制御というものがあります

 

 

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【参考】
http://chemexblog.blogspot.com/2012/07/an-analysis-of-positive-feedback-and.html
https://e-sysnet.com/seigyo/#toc5
https://udemy.benesse.co.jp/data-science/ai/feedback-control.html

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