ブロック線図の基礎と制御用語(入力・出力・外乱とは)

制御工学入門

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
外乱のあるフィードバック制御システムのブロック線図
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

スポンサーリンク

ブロック線図超入門

ブロック線図の構成要素

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。

外乱のあるフィードバック制御システムのブロック線図

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。

ブロック線図におけるシステムと信号の例

システムの表現

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。

数式モデルの例

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。

ブロック線図におけるシステムの表記例

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。

一方の出力が他方の入力になるブロック線図の例

信号の表現

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。

ブロック線図における信号の例

ちなみに、入出力が複数存在する場合もあります。

入出力が複数あるブロック線図の例

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。

複数の信号が1つのベクトルで表されるブロック線図の例
スポンサーリンク

基本的なブロック線図と制御用語

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。

外乱のあるフィードバック制御システムのブロック線図の具体例

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。

制御対象ブロックの詳細

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。

制御器ブロックの詳細

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

以上の用語により一般的したブロック線図がこちらです。

外乱のあるフィードバック制御システムのブロック線図

以上、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の解説でした。それぞれの用語は学習を進めると自然と身につくと思いますが、同じ意味でも様々な呼ばれ方があることは覚えておいてくださいね。

こちらのページでは実用シーンでよく見るブロック線図を解説していますので、合わせてご覧ください。

コメント