自動制御の基礎知識

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自動制御の基礎知識

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空調機の運転や、各種数値の計測は、その多くが自動化がなされており、これらは「ビルディングオートメーション」という名称で普及しています。

制御には、人が直接操作する「手動制御」と、タイマーやリレー、電場弁などを用いて自動的に操作する「自動制御」があります。手動制御は、設備監視員が自ら目視し操作するもので、毎日毎時間、同じ動作をしなければならない電気機器に対しては、投入忘れなど、ヒューマンエラーの原因となることもあり、自動化が推奨されます。

制御する設備系統が高度かつ複雑であったり、操作に危険を伴うような場合も同様で、自動制御システムを構築し、人の手による操作を出来る限り除外することが望まれます。

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自動制御システムの重要事項

自動制御は「制御値と目標値の一致」「修正動作の即応性」「安定動作」の3項目が重要視されます。エアコンは身近でわかりやすい自動制御の一つなので、紹介します。

家庭用エアコンを自動運転にし、目標とする温度を決めた場合、エアコンは室温を計測し、設定温度にできるだけ近付けようとする運転を行います。設定温度から大きく室温が離れた場合、圧縮機に電源を供給して稼働させ、インバーターは室温を設定値に近付けようと運転を行います。

設定値に近づいた時点で、消費電力を軽減させるため、圧縮機の運転を止め、送風運転にすることで省エネルギーを図ります。以上の一連の流れは、自動制御のシステムによって成り立っており、エアコンに限らず多くの電気機器に内蔵されています。

建築設備分野の自動制御は、バルブ、センサー、ダンパーなどが、建物に応じて設計され、台数、制御方法などは建物ごとに違います。自動制御を行う場合、パナソニックやアズビル、ジョンソンコントロールなど、建築設備用に特化したメーカーが製造している中央監視装置を設け、自動制御を組み込んで利用します。

例えば、三菱電機などは、「PLC」と呼ばれるシーケンサーを提供しており、建物規模によって処理できる点数や、速度に違いがあります。どのメーカーも同様ですが、流量や電流、電圧などの「アナログ値」、電力量や給水量などの「パルス信号」の入力を受けられます。位置決め、角度制御などのパーツを組み合わせて、建物の用途に応じて設計されます。セントラル空調機があれば、インバーターやCAV・VAVといった空調機器の制御を行います。

建築設備での自動制御は、全ての建物がオリジナルとなりますので、パーツを外付けし、必要な機能を追加したり、不要な機能を削減することでコスト調整も可能で、多岐に渡る用途に適合します。設計者は、建物規模と制御対象を理解し、必要な機能を持つメーカー製品を選定し、機能を満足しつつ、過剰コストが発生しないシステムを提案しなければいけません。

自動制御の種類

自動制御は、定量的制御と定性的制御の2種類に分類されます。定性的制御とは、オンオフによる2値を用いた制御を示しています。

定性的制御は、制御対象に対して目標値を定め、結果の目標との差を検出して制御・処理をしていく方式です。上記のような制御方式は、シーケンス制御、フィードバック制御、フィードフォワード制御という名称で呼ばれています。

シーケンス制御

オンとオフ、0と無限大など、2値を利用した自動制御にシーケンス制御があります。基本要素を2値で制御するので、あらかじめ決められたステップに従って順次進める制御に適しており、前の動作から後の動作に移る要素は、「前の動作が完了したこと」「一定時間経過した後」などの情報を使用します。時間的要素、空間的要素から不連続な量の制御がなされます。扱う情報に連続性が無く、外部からの作業命令によって制御されるという特徴を持っています。

オンオフを主体とした制御では、リレーと呼ばれる電磁開閉器や、電磁弁と呼ばれる機器が使用されます。リレーは電気回路の開閉を行う接点として使用し、電磁弁(ソレノイドバルブ)は水・ガス・蒸気など気体・流体を制御するために用いられます。

ハンチング

オンオフ制御は、オンの点とオフの点を設定し、条件の合致によって制御されるため、オン点とオフ点を狭く設定すれば、頻繁にオンオフを繰り返すことで制御性が良くなります。ただし、リレーや電磁弁は開閉寿命があるため、頻繁な開閉を繰り返すと早期に寿命を迎えてしまいますし、ハンチングと呼ばれる振動状態が発生します。

簡単なハンチングの事例として、水温を40℃にしたい場合の制御を考えます。水温が41℃になった瞬間に冷却し、39℃になった瞬間に加熱するような、オン点とオフ点が極めて小さな設定で自動制御を構築すると、頻繁に加熱・冷却が繰り返されてしまい、リレーや電磁弁は開閉を繰り返し、目標の数値に落ち着く事ができません。オンオフ制御では、ハンチングの幅を小さく緩やかにすることは可能でも、完全に無くすことがは不可能です。

シーケンス制御の基本回路

シーケンス制御の基本回路は、AND、OR、NOT、NOR、NANDの5種類をベースにして構築されます。

AND回路

ANDは論理積と呼ばれ、2つの接点が直列に接続された回路です。どちらの接点も閉回路にならなければ、動作しません。これをAND回路と呼びます。

建築設備におけるAND回路の採用事例として、不活性ガス消火設備の事例を説明します。不活性ガス消火設備で警戒されている部屋の場合、火災感知の瞬間にガスを放出すると、室内に人がいた場合、ガスを吸ってしまい重篤な人的被害につながります。自動火災報知設備として設置されている感知器と、ガス消火設備として設置されている感知器の両方を感知させることで、ガス消火設備を噴出させる制御とします。これは、系統の違う2つの感知器によるAND回路と見なすことができます。

OR回路

ORは論理和と呼ばれ、2つの接点が並列に接続された回路です。どれか一つの接点が閉回路になれば動作します。これをOR回路と呼びます。

NOT回路

NOTは否定と呼ばれ、入力側の接点が閉状態のときに、出力が開となる回路です。

NAND回路

NANDは否定論理積と呼ばれ、AND回路の出力をNOTで反転させたものです。全ての入力接点が閉になっているときだけ、出力側が開となります。

NOR回路

NORは否定論理和と呼ばれ、OR回路の出力をNOTで反転させたものです。どれか一つの接点が閉になっていると、回路を開にします。

フィードバック制御

フィードバック制御は、目標値と制御値の偏差を検出して、自動制御を行う方式です。現時点での要素値を検出するための時間が必要になるため、制御には必ず遅れが伴います。偏差が検出されるまで制御系は全く動作しないという特徴があります。扱う情報は連続性を持っており、制御の回路構成は閉ループとなります。

フィードバック制御は、目標を変更した場合すぐに制御値が追従させる場合、外乱に対してその作用を打ち消す場合に採用される制御方法です。フィードバック制御の例として、比例動作(P動作)、積分動作(I動作)、微分動作(D動作)の3種類があります。比例動作は単独で使用されていますが、積分動作と微分動作は比例動作に組み合わせて使用します。

比例動作(P動作)

比例動作は、操作量をオンオフのようなの2値ではなく、0%~100%の幅で連続的に変化させる制御方式です。比例制御では、比例帯と呼ばれる制御量の変化幅を決め、その範囲内で0%~100%の制御を行います。比例帯が狭い場合、0%から若干の変化をしても大きく制御値が変化します。比例幅を小さくすればするほど、オンオフ制御に近くなります。

逆に、比例幅を広くすると、制御できる幅が小さくなりますが、制御の設定値と結果に対しての安定性が高まります。比例動作を行う場合、比例帯を適正に設定し、制御対象に合わせたシステムを構築するのが重要です。

比例制御では、温度センサーや圧力センサーなど、検出部の情報を取り込んで適正な制御値に近づける動作を行います。高温蒸気と水を用いた簡単な温度制御で考えてみます。

50% - 50℃ としている水温目標値を、75% - 75℃ に設定変更した場合、温度センサーによって水の温度検出を行い、目標の75℃に近づくまで蒸気の電磁弁を開放して温度調整します。

温度センサーが目標温度に近づくまで、蒸気が開放・閉止を繰り返し、水温がプラス・マイナス方向に何度も行き来した後、ある一定値になったことを検出部が検知して制御が完了し、以降は温度が変化するまで制御は停止状態になります。しかし、比例制御だけではどれだけ安定した状態を目標にしても、若干の偏差が残っていることが多く、これは定常偏差と呼ばれています。

比例動作では、瞬間的に発生した外乱や目標値の変更に対して、即応しようとします。目標値と制御値がいつまでも収束せず、一定の偏差が残ってしまうことになります。目標値に対し制御値が振動してしまう、持続振動状態になります。

積分動作(I動作)

積分動作は、偏差の積分値に比例した操作が可能な動作です。比例動作の限界である定常偏差をリセットし、制御を安定させることが可能です。比例動作と積分動作を組み合わせ、比例積分動作(PI動作)として利用されています。

積分制御では、比例動作で発生した偏差を足していき、時間と共に制御値を微調整し、定常偏差がゼロになるように制御する動作です。

比例積分動作では、偏差が外乱などで急激に変化したとき、即応することが困難です。偏差が発生しても、ある程度の時間が経過しなければ制御されず、即応性に欠けます。そこで、制御に微分動作を組み合わせ、偏差の急激な変化にも素早く応答し、安定した制御とする微分動作が組み合わせられます。

比例積分微分動作(PID動作)

比例積分微分動作は、線形動作でも最も安定した動作であり、比例動作が持っている定常偏差を解消しつつ、即応性のある制御が可能な制御です。微分動作は、偏差の変化率を検出し、変化率に比例した操作量で制御されます。偏差の変化率から、将来どれくらいの偏差が発生するかを予測して操作量が決められるため、微分動作を組み込むことで、偏差の変化に対しての過渡応答特性を改善でき、安定した制御が可能になります。

比例動作で現在生じている偏差を小さくし、積分動作で偏差をゼロに近づけ、微分動作で大きな偏差の変化にも安定を維持する、ということが可能になります。

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