応用組み込み電子工学

第10章. デジタル・フィードバック制御

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デジタルフィードバック制御は、数多くの装置で使用されている。被制御装置（DUC）には、モータ、温度、サーボアクチュエータ、システム圧力、流量、その他多くのものがある。多くの制御の教科書では、工業プロセスや製造プラントで制御システムが歴史的に使用されてきたため、DUCの代わりにプロセスまたはプラントという用語を使用している。

この章に入る前に、読者は第7章、第8章、第9章をよく理解しておく必要がある。

制御システムの教科書は通常、明確に定義されたシステムモデルを用いて数学的なアプローチをとる。多くの人が、このアプローチに応用上の問題を発見している：

...制御の数学は、指数関数や三角関数のような当惑させるような品揃えを含んでおり、平均的なエンジニアは、現在の問題の解決策を得るために、それらを耕すのに必要な時間を割く余裕がない。(Ziegler & Nichols, 1942)

簡便さと設計のしやすさから、最小限の数学的アプローチが望ましい。また、"ほとんどデジタル "の制御システムは、コスト、性能の一貫性、調整のしやすさから、アナログ・メソッドよりも非常に好まれる。しかし、DUCには制御されるアナログの振る舞いがある。その結果、制御システムの設計は、アナログの振る舞いの問題に対処する必要がある。そのため、ここで使われているアプローチは、アナログ・システムのデジタル・エミュレーションと表現するのが最も適切である。

この「デジタルの箱の中のアナログ機能」というアプローチで、制御理論からいくつかの厳選された関数が提示されており、読者が安定し適切に動作するデジタルベースのコントローラを設計するために必要な基礎知識を得ることができる。

業界の実装では、厳密な数学的アプローチは避けられることが多い。その代わりに、比例積分微分（PID）コントローラは、経験的に導き出された調整規則を用いて設定されることが多い。市場の80％以上を占めるPIDメソッドは、産業用制御アプリケーションの主流であり、ほとんどの場合において満足のいく性能を提供している。

軌道制御メソッドは、原因と結果の調整プロトコルのための数学的アプローチを見送る。軌道制御の様々な形態は、高性能が要求される場合に広く使用されている。ここではPID制御と軌道制御の両方を検討する。

さらに、シーケンス制御とそこで遭遇する一般的な問題についてのセクションも含まれている。ほとんどの組込み制御機器は、システム内の機器に応じて、シーケンス制御とフィードバック制御を組み合わせて使用している。

シーケンス制御とフィードバック制御の概要

シーケンス制御は、多くの組み込み制御システムの一部である。図 10-1はその概念を示している。単純なシーケンスコントローラは、固定されたタイムスケジュールで、またはYES/NOセンサーのプロンプトに対応して、定義されたパターンで物事をオン/オフする。一例として、食器洗い機や衣類洗浄機があり、洗浄プロセスで定義されたパターンでバルブ、モーター、ポンプをオンオフする。

古いメソッドでは、スイッチ、リレー、電気機械式シーケンス装置が使われていた。現代のメソッドではデジタル・エレクトロニクスが使用されているが、電気機械式シーケンス・コントローラーは、シンプルで低コストの低速機器ではまだ使用されている。

図10-1. ...