ブロック線図の基礎と制御用語（入力・出力・外乱とは）

このページでは、制御システムの基本構成・ブロック線図・制御工学の用語について解説します。

このページのまとめ

用語	文字	意味	こうも呼ばれる
制御入力	$u$	好きに操作できる入力	入力、操作量
制御出力	$y$	制御対象から得られる出力	出力、観測量
外乱	$d$	予測できない入力	ノイズ
目標値	$r$	「こうしたい」という出力の目標
誤差	$e$	目標値と制御出力の差	偏差、エラー
制御量		制御したいもの（物理量など）

※上記は全て時間の関数

ブロック線図超入門

制御工学というと、次のようなブロック線図をイメージする方が多いのではないでしょうか。

ブロック線図は、システムの構成を直感的に表すものとして、制御工学で頻繁に使われます。

ブロック線図において、ブロックはシステム、矢印は信号を表します。ブロックは実体のあるもの、矢印は実体のないもの、とイメージすればOKです。

基本的にこの世界の現象は、時間に基づいて時々刻々変化します。よって、システムの特性は微分方程式で表されます。この式は、数式モデル（または単にモデル）と呼ばれます。

ブロック線図のブロックには、システムの名前が書かれることもあれば、数式モデルが直接書かれることもあります。

システムは、時々刻々何らかの信号（入力）を受け取り、それに応じた何らかの信号（出力）を返します。次のように、あるシステムの出力が、他のシステムの入力になることが一般的です。

信号を表す矢印には、信号の名前や記号（例：$x$）を添えます。

基本的に信号は時々刻々変化するものなので、全て時間の関数です。ただし、ブロック線図上では簡単のために$x(t)$ではなく、単に$x$と表現されることがほとんどですので注意してください。

ちなみに、入出力が複数存在する場合もあります。

複数の信号をベクトルにまとめて1つの矢印にすることもあります。

それでは、車の速度制御を例に、ブロック線図を制御の観点で詳しく見ていきましょう。

上に書いたものは非常に典型的なブロック線図なので、しっかりと理解していきましょう。まず、システムの主役である制御対象に注目します。

今、制御したいもの（制御量）は車の速度で、制御対象は車です。アクセル操作（制御入力）により車が加減速され、速度（制御出力）が変化します。また、アクセル操作以外に、外からの風（外乱）も速度に影響を与えます。

用語	文字	意味	こうも呼ばれる
制御対象		制御したいシステム	プラント
制御量		制御したいもの（物理量など）
制御入力	$u$	好きに操作できる入力	入力、操作量
制御出力	$y$	制御対象から得られる出力	出力、観測量
外乱	$d$	予測できない入力	ノイズ

次に、制御の主役（制御器）であるCPUに注目しましょう。

CPUは、現在の速度と、設定速度（目標値）を比較し、設定速度と現在速度の差（誤差）を計算します。その情報に基づき、どうアクセル操作するかを判断し、実際に操作（制御入力）を与えます。

用語	文字	意味	こうも呼ばれる
制御器		制御の頭脳となるシステム	コントローラ、制御装置
目標値	$r$	「こうしたい」という出力の目標
誤差	$e$	目標値と制御出力の差	偏差、エラー