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第9話:比例制御と制御方式について

●ON/OFF制御と比例制御
流体を制御する方法には、基本的に大きく分けてON/OFF制御と比例制御の2つがあります。 ON/OFF制御では、標準的な電磁弁を全閉、あるいは全開させて、流体を流す、あるいは止める、という単純な制御を行います。一方、比例制御とは、文字通り流体を「比例的」に制御するものです。比例制御弁への制御信号を変化させることで、流体の流量を0~100%の範囲で連続的に制御します。 この2つの方式の違いを、浴室内のバスタブにためる湯とシャワーの温度制御を例にとって比較してみましょう。
図1 検査方法例 バスタブにためる湯の温度を人が直接調節する方法は単純です。バスタブ内の湯の温度が低い場合は、熱水の蛇口を開け熱水を足します。バスタブ内の湯が必要以上に熱くなってしまった場合は、熱水の蛇口を閉め冷水を加えて湯の温度を下げることができます。これが2つの開閉蛇口を使ってのON/OFF制御です。ON/OFF制御ではバスタブ内の湯の温度は常に変化します。熱水を加えるたびに湯の温度は上がり、ふたたび冷水を加えると湯の温度は下がります。湯の温度変動は、バスタブ内の湯の分量と比較してどのくらい熱水や冷水を加えるかによって大きく変わります。加える熱水や冷水の量がバスタブ内の湯の量に比べて非常に少なければ、湯の温度変動は比較的小さくなります。このような場合には、ON/OFF制御が湯の温度制御に適していることになります。

シャワーの湯温については、その温度を一定に保つことはより難しくなります。ON/OFF制御の蛇口を使用すると、温度が急激に変化してしまうため、シャワーを全開と全閉しかない熱水と冷水の蛇口だけを使って温度制御するのは非常に困難です。このようなときに必要とされるのが比例制御機器です。熱水の制御に比例制御弁を使用すれば、シャワーの温度設定に応じて、冷水に混ぜる熱水の量を0~100%の範囲で制御することができます。適量の熱水が常に供給され、シャワーの温度を適温に保つことが可能です。(ただし、理論通りに比例制御できる機器は存在しません。また、すべての機器にそれぞれヒステリシスなど比例制御するうえでの制約や限界があり、理想的な温度が完全に保たれることはありません。実際には、図のグラフのとおり、比例制御される温度は理想的な温度付近を微妙に上下しています。)

 
●オープンループ制御(開ループ制御)とクローズドループ制御(閉ループ制御)

現在、一般家庭や工業におけるさまざまなケースで比例制御プロセスのパラメータが用いられています。これらの比例制御システムでは、オープンループ制御とクローズドループ制御のいずれかの方式が用いられています。

 

オープンループ制御の一例として我々がパンを焼くときの家庭用ガスオーブンを考えてみましょう。パンの焼き具合は、パン焼きの温度と時間に大きく依存しています。簡単な機能のオーブンでは、つまみを回し、設定温度(OFF, 1, 2, 3, 4... )とタイマーを設定します。このつまみを回すことで、それぞれのつまみの設定位置に合わせてあらかじめ設定されている開度に比例制御用ガスバルブが開きます。また、内部ガスバーナーへの温度はバーナーへ供給されるガスの流量にそのまま比例します。これらを我々は経験的に行い、最適な設定、例えばつまみの目盛りを3(設定温度は200℃)に合わせて35分間焼き上げることにより最も良好な状態でパンが焼きあがることを知っています。このとき、我々は簡単に測定できないオーブン内部の温度を正確に知る必要はなく、このプロセスにおいてはこの程度の温度と時間の精度で十分であると考えられています。このようにフィードバックを用いない方式をオープンループ制御(開ループ制御)といいます。

 
ところが、このオープンループ制御にはいろいろな問題点もあります。この例の場合、つまみの設定温度を変えたとき、得られるガスの流量はそのときのガスの圧力に左右されます。このため、オーブン内部の温度もガスの圧力に依存してしまいます。また、バーナーに汚れがある、オーブンのふたがきっちり閉まっていない、あるいはガス成分が変化するなどさまざまな要因によってガスの流量が影響を受け、その結果オーブンの内部の温度がさらに変化してしまいます。このような様々な要因による影響を補正しながらパンの焼き具合を最適な状態にもってゆく手段としてオーブン内部の温度を直接制御する方法があります。このように、あるファクターを常に自動制御して目的の設定値に制御する方法をクローズドループ制御(閉ループ制御)といいます。

 

今日では、数多くのオーブンが、サーモスタットを使用してオーブン内部の温度制御を行っています。これは、センサーにより温度が常に測定されている状態です。サーモスタットは既設定値とその時点の測定値を比較して常にバルブの開度を調節することにより流量を制御し、その結果、オーブン内部が常に正しい温度に保たれます。この方式を使えば、たとえばパンは195℃で30分間正確に焼くことができ、最も良い状態に焼きあがります。このプロセスが外的要因の影響を受けることなく何度も何度も繰り返されます。
このようなフィードバック機能を備えたクローズドループ制御は、次のような場面で広く採用されています。

  • ある機器の不確実な作動が、経済的、環境的、あるいは人的に大きな損害を生ずる決定的な要因となる可能性が考えられる場合。
  • プロセス制御において、より精度を求める場合。
  • 得られた結果に応じて継続的な調整を必要とする場合。

このため最近は、あらゆる機器にクローズドループ制御が用いられています。たとえば、サーモスタット制御による室内暖房、車両等の自動クルーズシステム、石油化学や発電所の自動プロセス制御、歯科ドリル、麻酔用医療機器などです。

 

日本アスコでは、オープンループ制御やクローズドループ制御を行う比例制御弁をご用意しています。空気・ガス・液体用比例制御電磁弁ポジフローシリーズや、小形で精度が高く真空制御にも対応したプレシフローシリーズ、高圧から真空まで幅広い圧力制御が可能な電空レギュレータSENTRONICシリーズ、デジタルコントローラ内蔵電空レギュレータSENTRONIC-Dシリーズ、堅牢で腐食性流体の制御も可能な比例制御エアオペレートバルブなど、お客様のご用途に合わせてお選びいただけます。

 
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