計測・制御の基本

要点と定義

計測・制御では、センサーが対象の状態を検出し、コンピュータなどの制御部がその情報を基に判断し、アクチュエーターが対象へ働きかけます。センサーは温度や光などの物理量を検出して電気信号に変え、アクチュエーターはエネルギーを受けて、制御信号に応じた機械的な動作を生みます。たとえばモーターは回転運動を生みます。「測る」「判断する」「動かす」はそれぞれ別の役割です。

フィードバック制御は、制御した結果を測定し、目標値と比較して、その差が小さくなるよう操作量を調整する方式です。目標値と測定した制御量との差を次の制御に使うため、外乱などで結果が変化したときも、変化を測定できれば修正できます。

センサーの値から操作方向を決めるときは、センサーの特性とアクチュエーターの動作を一緒に確認します。反射型光センサーを使う例では、黒色に掛かる割合が大きいほど出力値が小さくなる特性があります。左右のセンサー出力を比較し、黒い線に対して車体がずれた側へ向きを直すには、左右のモーター速度を適切に変えます。

現実の温度などの連続的なアナログ量をコンピュータで扱うには、A/D変換でディジタル値に変換します。ディジタル値をアナログ信号に戻す処理がD/A変換です。変換後の値が段階で表される場合、連続量のすべてをそのまま表せるわけではなく、基準値への近似や境界の扱いを確認します。

数値を表示器の点灯パターンに変えるときは、各ビットがどの部分を制御するかを対応付けます。たとえば8ビットのデータで7つの表示部分と小数点を制御するなら、ビットの位置と点灯・消灯の意味を確認してからパターンを作ります。ビット列を16進数で扱う場合は、2進数へ戻して点灯する部分を確かめられます。

PID制御は、目標値と制御量との差を利用するフィードバック制御の一種です。制御の仕組みを示すだけで、学習や推論などを行うAIの利用が示されるわけではありません。

適用条件と例

フィードバック制御には、制御結果を測定して目標値と比べ、その差を操作量へ反映できることが必要です。室温を一定に保つなら、室温を測り、目標より低ければ暖房を強め、目標より高ければ弱めます。出力を測定せず、決められた順序で動作するだけでは、出力のずれを戻して補正するフィードバック制御にはなりません。外乱の影響が出力に現れる前に影響を見積もって操作する方法は、フィードフォワード制御です。

ラインに沿って走る車を考えます。左右の反射型光センサーで、黒色に掛かる割合が大きいほど値が小さくなるとします。左のセンサー値が右より大きければ、黒い線は右センサー側に近いと判断できます。車を右へ向けるには、左輪のモーターを速くし、右輪を遅くします。左のセンサー値が右より小さければ線は左側に近いので、左輪を遅くし、右輪を速くして左へ向けます。値の大小だけで曲がる方向を決めず、センサー特性と左右のモーターの対応を確認することが要点です。

温度を10℃刻みの基準値に近似する例では、ちょうど中間の温度を高い側の基準値へ割り当てます。50℃に近似される範囲は45℃以上55℃未満です。45℃は中間値なので50℃側に含まれ、55℃は次の基準値側に含まれます。また、基準値0℃から70℃までを8段階に順番に対応させるなら、A/D出力が000の段階を1として、出力が一つ増えるごとに表示レベルも一つ増えます。レベル6なら、0始まりの出力番号は5なので、2進数では101です。