コントロールデザイン_制御設計

前回の2件のブログ記事を読んで頂ければ、なぜコントローラが使われるのか、大体のことはお分かりいただけましたでしょうか？

次の論理的なステップは、コントローラの設計と実装の一般的なプロセスについて説明することです。ここでは、どのようなタイプのコントローラや

設計プロセスを選択しても、従うべきステップの基礎が得られることにワクワクしてます。

特に、実際のハードウェアにコントローラを実装する際には、理論的なステップのいくつかが無意味に思えることがあります。

このモジュールでは、たとえすべての答えが得られなくても、理論がなぜ重要なのかということを理解していただけると思います。

複雑なものには複雑な制御が必要で、それには多くのデザインが必要です

制御システムの設計プロセスは、一般的なエンジニアリングシステムの設計プロセスとよく似ています。

仕様と一般的な設計基準に始まり、設計の意思決定プロセス、シミュレーション、実装、チューニングを経て、検証で終わるこのプロセスは、

ほとんどの種類のエンジニアにとって馴染みのあるものです。

しかし、制御システムの設計プロセスにはいくつかの特徴があり、それが少しニュアンスを変えているようです・・

【制御システムの設計プロセス】

まずシステムに何をさせたいのか？

どのようなコントローラが適切なのかを考える。

↓

システムをモデル化し、システムモデルを使って目的を達成するためのコントローラを設計。

↓

最後に、ソフトウェアとハードウェアでテストとチューニングを行い、コントローラが正しく動作することを確認。

設計プロセスは次の①～⑥のステップに分けられ、ほとんどの制御設計作業に適用されます。

現実的には、産業用制御システムの設計には、専用のチューニング・ソフトウェアや手動のチューニング・プロセスが使用されることが多く、基本的には

設計ステップを省略してこのプロセスを簡略化しています。しかし、複雑なシステムでは、手動によるチューニングは安全ではなく、時間もかかりません。

①　仕様について　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
コントローラ設計の最初のステップは、システム全体をどのように動作させるかを決めることです。

この時点で要求される典型的な仕様は、コマンドの変更や外乱に反応する際のシステムの速度、システムの応答がどの程度オーバーシュートするか、

どの程度希望の値に近づけてもよいか、などです。通常、これらの特性は、訓練を受けたオペレーターの経験、扱うシステムの種類、あるいは以前に

コントローラーを作ろうとして失敗した経験などに基づいています。

②　アプローチ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
制御方法の選択は、通常、この段階で行われますが、設計者の経験やシステムの種類によっては、他の段階に続くこともあります。

基本的には、システムがどのように動作するかがわかっていれば、通常はこの段階で、その目標を達成するためにどのようなタイプのコントローラーを

使用すべきかがわかるはずです。正直なところ、合理的な制御方法や適した制御方法を知るには経験が必要ですが、制御に慣れていない人でも

参考になる一般論があります。例えば、ほとんどの工業プロセスではPID制御が使われていますが、特にサーボシステムをベースにしている場合には、

PID制御が使われます。

③　モデル　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
次は、物事が複雑になってくる部分です。実際のシステム上でコントローラを動作させるという力技に頼らずにコントローラを設計・テストするには、

プラントの数学的モデルが必要です。プラントの数学的モデルがあれば、プラントの動作を、どのように動作させたいかを比較することができ、

そのためのコントローラを作成することができます。また、シミュレーションプロセスの後半でモデルを使用して、すべてが計画通りに動作していることを

確認することもできます。モデルの精度は、かなり堅牢なコントローラを使用し、完成した制御システムのチューニングに少し時間をかけた場合には、

特に変化します。現実的には、どんなモデルも実世界を完全に正確に表現することはできません。妥当な時間と労力をかけて、できる限り正確に再現

したいものです。モデルの精度が高ければ高いほど、モデルの決定、ソフトウェアでの実行、シミュレーションなどが複雑になります。

④　デザイン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
いよいよ核となる設計の作業に入ります。このステップでは、システムのモデルを使って、最初のステップで見つけた仕様に合わせてコントローラの構成を

数学的に決定します。このプロセスは、いくつかの代数式を解くような単純なものもあれば、多変数最適化アルゴリズムのような複雑なものもあります。

いずれの場合も、最終的にはコントローラの理論的な設定値を得ることができます。これは、値を求めるためのアプローチと、使用するモデルの精度に

よって決まります。

⑤　現実の世界　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
このステップでは、現実の世界で何かをコントロールすることを謳っていますが、ほとんどの場合、最初にシステムを表現するためのシミュレーション

ステップが必要です。これは、高価で危険な機器を動かす前に、意図した通りにほぼ動作することを最終的に確認するためのものです。

しかし、シミュレーションの結果が得られれば、すべてのシステムが現実の世界に登場します。

この段階で気をつけなければならないのは、モデルはプラントを完全には表現できないということです。実際のハードウェアに合わせてコントローラを

最適化するためには、常にチューニングが必要になります。また、プラントがどのように動作するか、その応答をどのように測定するかという点で、

ハードウェアで考慮すべきことがありますが、これについては後のモジュールで説明します。

⑥　結果　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
最後のステップは、新しく制御されたシステムを見て、それが意図した通りに機能しているかどうかを確認することです。

最初のステップでシステムの数学的な仕様を把握したように、ここではシステムが仕様通りに機能していることを示します。

さらに、エラー状態や予期せぬ事態にも優雅に対処できることも示すことが多いでしょう。最後に、電力使用量、システムがどれだけアグレッシブに

反応するか、予想されるメンテナンススケジュールなどに基づいて、システムが時間の経過とともにどのように摩耗したり動作したりする可能性があるかを

判断するとよいでしょう。

また、このプロセスは反復的に行われることが多いことにも触れておきます。多くの問題を抱えた複雑なシステムのコントローラを設計する場合、

最終的に機能する設定を得るまでに、コントローラの設計を繰り返す必要があることがあります。例えば、最初は比例制御でスタートし、求めている定常

応答が得られない場合は積分ゲインを追加することになります。その後、重力や摩擦を補正するためにフィードフォワード項を追加して、コントローラの

動作を少し抑えたいとします。最後に、ユーザーが手動モードから自動モードに変更した場合に対処するための巻き上げ防止機能を追加するために、

最後の反復作業を行うかもしれません。

制御設計は、まずシステムの動作を定義し、プラントのモデルに基づいてコントローラを設計することから始まります。

最後に、コントローラのシミュレーションとテストを行い、意図したとおりに動作することを確認します。

しかし、最終的に完全に機能するソリューションを得るためには、これらのステップのすべてではなく、いくつかのステップを繰り返す必要がある場合もあります。

まとめると

コントローラの設計プロセスは、最初から最後まで一筋縄ではいかないということだけは確かです。

私の人生と同じですね。

やはり、制御工学のない世界は考えられませんね😆

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★お詫び★                         

Quanser社の取り扱い代理店になり、大人になってから制御工学の存在を知った者がこのブログを書いてます。

学びながらの個人ブログとなっておりますのでご理解の程お願いいたします。

ご指摘ございましたら、是非ご教授くださいませ～！　いつでもお声がけください♪

子供たちに制御工学の存在を知ってもらい、楽しんでもらう事を第一に考えております。