温度制御の手引き
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 このページでは、温度制御に関する簡単な解説を行っていきます。
日頃何気なく使用している様々な機器,装置における温度制御の理解にお役にたてれば幸いに存じます。また、内容に付きましても今後さらに充実させていく予定です。何卒お付き合いの程、よろしくお願い申しあげます。

プロローグ (温度制御の概要)

1)温度制御とは?

 対象となっているものの温度を必要な温度になるように操作することを温度制御といいます。

2)温度制御の良さ

 制御対象を制御していくうえでの温度の変化の結果を、制御結果といいます。温度制御の良さとは、いかに制御結果を理想的な応答に近付けるかということになります。

3)制御対象の特性(応答)

 制御結果を良くするためには、外乱やその制御対象の温度特性等をよく知ったうえで、その対象にあった温度制御を行うことが必要です。

4)温度制御の種類

 制御の種類には、大別するとつぎの2つがあります。

  • シーケンス制御
  • フィードバック制御

5)温度制御の構成

温度制御の構成を説明するブロック図

 一般的な温度制御の構成を図に表すと上図のようになります。これはフィ−ドバック制御の構成になっています。

6)制御動作

 制御動作は、温度制御系の中の制御部の内容をいいます。制御対象の温度特性を良く知ったうえで適切な制御動作を選びましょう。主な温度制御動作には、次のようなものがあります。 

  • オンオフ動作
  • 比例(Proportional)動作
  • PID動作
  • 微分先行型PID動作
  • 比例先行型PID動作

 等々...

7)PID定数のチューニング法

 PIDの制御結果を最適なものにするためには、P(比例帯)・I(積分時間)・D(微分時間)の各定数を最適値にする必要があります。最近の温度調節計では、これらの各定数を自動的に演算する機能が備わっています。 マニュアルにて各定数を求める方法(チューニング)としては、ステップ応答法や限界感度法などがあります。

8)応用による制御方法

 各制御動作(P・PID)を応用してつぎのような制御動作が行えます。

  • カスケード制御
  • 加熱/冷却制御


身近な温度制御

温度制御の目的、操作、制御対象、計測の循環を説明する図

 私たちは、“温度を測る”という作業は日常生活の中でいろいろ体験しています。“体がだるい”とか“熱っぽい”と感じたときは、体温を測るでしょうし、また、部屋の温度が何度であるか知りたいときは、寒暖計などで温度を知ります。 それでは“温度制御”となるとどうでしょうか? “温度制御となると一転して、「工業分野のものだから日常生活には関係ないヨ」と思われがちですが、実際にはわたしたちの身のまわりでも“温度制御”は行なわれています。

 そもそも“制御”(control)とはどういったことなのでしょうか?。これは、工学書の定義によれば「ある目的に適合するように、対象となっているものに所要の操作を加えること」という抽象的な表現になります。これをもっと具体的に身近なものに置き換えてみましょう。

 ある寒〜い冬の日、外出先から自宅へ帰ってきたとします。部屋の中も冷えきっているのでガスストーブに火をつけました。はじめ寒かった部屋はだんだん暖かくなって、セータも要らなくなってきます。あまり暖かくなりすぎたのでストーブの火を弱くしてしばらくすると、今度は寒くなってきます。ストーブの火を強くしたり弱くしたりしながら適当な強さにしておくと、部屋の中は、ほぼ心地よい温度に落ちついてきます。このように、“温度制御”が行われている場合、そこには何らかの目的(部屋の温度を心地よくする)があって対象(部屋の温度)と操作(ストーブの火を強くする・弱くする)と計測(暑い・寒い)といった概念がむすびついて意味をもってきます。

手動制御と自動制御

 部屋の温度を“20℃”にしたいとか、自動車の速度を時速50qにしたいとかの“目的”を達成させるには、“操作”をするための装置が必要になります。つまり、わたしたちの手や足がこれにあたるわけです。そのようにして“対象”に、ガスの元栓を開閉したり、アクセルを踏んだりして変化をあたえます。その結果、目的に適しているかを“計測”することが必要となります。

 このような働きを“制御装置”によって自動的に行う作業をとくに自動制御(automatic control)といいます。たとえば電気コタツやエアコンの動作は自動制御といえます。
 これに対して、前に述べた室内の温度調節や自動車の速度調節は、自動ではなく人間が制御動作を行うので手動制御(manual control)といいます。


温度制御系での用語

電気コタツの温度制御の関連を示したブロック線図

 図を見てください。これは、電気コタツの温度制御の関連を図示したものです。 このように表されたものには、いろいろな用語を使って表現します。

 電気コタツなどの電気製品は、いくつかの部品から構成されています。この分割された1つ1つの部品を要素(element)といいます。どこまでを1つの要素とするかは決まっていませんが、通常、各信号の性質が変化するところのブロックを1つの要素としています。
 これらの要素が集まって相互に関係をもち、ある所定の目的を果している集団をシステム(system)とよんでいます。私たち人間のまわりにある自動車、時計などありとあらゆるものが、システムといえます。その中でとくに制御を目的としたシステムを制御系(control system)といいます。そのようなシステムにおける要素間の相互作用において“原因”となる例と“結果”となる例を区別します。そして要素に加えられる何らかの物理量、たとえば電気コタツではヒータに流れる電流などを入力(input)または入力信号(input signal)といい、入力信号が要素で変化を受けて出ていく物理量、電気コタツではコタツの温度などを出力(out put)または出力信号(output signal)といいます。それらの信号の連絡を矢印を付けて因果関係を示すのに線図を用いると、制御系全体の構成や特性を知るのに大変便利になります。 このような線図をブロック線図(block diagram)とよんでいます。


温度制御の良さとは?

(a)から(f)まで6つの温度制御結果を示したグラフ

 温度制御の理想としては、目標温度の変化(設定温度の変更・電源投入時の立ち上り)に対して制御温度が忠実に追従してくることです。図(a)のような目標温度のステップ状変化に対しての理想的な応答は、図(b)の制御となります。しかし、現実的には、制御対象や検出部・操作部などに時間遅れがあるので、調節部は、遅れて戻ってきたフィードバック信号(制御温度)に対して訂正動作が行われます。そのために制御結果は、図(c)のように“オーバシュート”をおこしたり、“サイクリング”を生じたりします。それをおそれて制御動作のゲイン(Kp)を小さくしすぎると、今度は図(d)のように目標温度への近づきかた(速応性)が悪くなります。 また、図(f)のように、サイクリングが減衰せずに、しだいに大きくなっていくこともあります。 図2の現実的な制御結果(c)、(d),(e)のうち、どれを良い応答とするかは制御の目的によって異なりますが、一般には、図(e)のように、“定常偏差”(オフセットともいいます)がなく、即応性がまあまああり、あまり振動的でないものが良いとされています。 良い制御結果を得るためには、“制御対象”や“検出器” 、“操作部”など制御系を構成する“要素”の動特性をよく知って、適切な制御動作を選ぶ必要があります。

 良い制御とは、次のようなことを考慮したものです。

1)オーバシュート,ハンティングがないこと

温度制御における行き過ぎ(オーバーシュート)および振動(ハンティング)の説明図

 実際の温度が設定値(目標温度)を通りこして、上ってしまう現象を“オーバシュート”といいます。
設定値に対して実際の温度が一致せず上下に変動する現象を“ハンティング”といいます。

2)速応性・安定性が良いこと

温度制御の応答性および安定性を説明する図

 設定値が変化すれば、その変化に応じて温度がただちに設定値に追従することを“速応性”といいます。外乱を含めて実際の温度に何らかの変化があれば、それにともなう過渡状態(ハンティング)をすみやかになくし、定常状態におちつかせることを“安定性”といいます。

3)定常偏差がないこと

温度制御における定常状態のズレ(定常偏差)を説明する図

 定常状態における実際の温度と設定値とのずれを“定常偏差”または“オフセット”といいます。

4)過渡状態、定常状態

温度制御の過渡状態と定常状態を説明する図

 外乱の影響や設定値の変更などで、実際の温度が乱れる、このはじまりの過渡時の状態を“過渡状態”といいます。 過渡時が過ぎさるとある一定値におちつきますが、この状態を“定常状態”といいます。

 これらのことは、一般的に相反することが多く、全てをなくすことは現実的に不可能です。
実際には、それぞれの内容がその制御系に対して許容できる範囲で制御するのが普通です。

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