制御工学の重要性

質問

良くここで制御工学に関する質問をさせてもらっているのですが，
皆さんからのアドバイスのおかげで、最近ではようやく教科書の
問題なども違和感なく解けるようになってきました。
（といってもまだまだのところも沢山あるのですが．．．）

ただ，ここにきて大部制御工学というものに疑問を抱くようにな
ってきました．
というのも一般的に大学で行なわれている制御工学には古典制御
と現代制御がありますよね（ちなみに現代制御の方はちんぷんか
んぷんです．．．）
で，私は現在古典制御を重点的に勉強しているのですが，このこ
を私の知人に話したら，彼は全くの素人だったために，応答や伝
達関数，ラプラス変換などについては全く興味を示さず，「で，
一体それ（制御技術，これは古典・現代は関係ない）を使ったも
のって一体何があるの？どういうしくみになってるの？」って聞
かれてしまいました．

○どのような制御技術が既存の製品のどのような点で，一体どの
ようにして貢献しているのか．

私は彼のこの質問に真っ青になってしまいました．
数式だけといて満足してしまっていた，私に制御工学の重要性と，
上記の○に関してアドバイスしていただける方がいましたらよろ
しくお願いします．

回答No.12

tocoche · ベストアンサー

Ｎｏ．７のtococheです。
まぎらわしい書き方をしてしまってすみません。　最近、飛躍的に進歩した部分の例は「二足歩行ロボット」だけです。

［磁気吸引浮上］
もう２０年も前の話になりますが、鉄板の磁気吸引浮上の実験がありまして、基本は鉄板の浮上高さを一定とした定値制御。　鉄板の位置を光学位置センサで測って、電磁石の電流を調整する。　これだけなら簡単にできそうですが、鉄球ではなく鉄板を浮かせ、かつ複数の電磁石で水平に保つというのが研究の主旨でした。　研究者は「アナログコンピュータではうまくいくのに、デジタルではうまくいかない。これからはデジタルの時代なのになあ」と話していました。

［Ｓ字曲線］
また２０年も前の話ですが、昔のエレベータは単にモータのスイッチをオン／オフするだけだったので、起動時のラッシュで急激にトルクが発生し、停止時も急にトルクがなくなるのでガタガタと揺れました。　Ｓ字曲線制御は位置や速度が滑らかに変化するように、ダブルカスプというかそんな曲線をシーケンスの目標値として用います。（振幅と同じだけオフセットを加えた－ｃｏｓ波を１周期積分してください。　そんな曲線のグラフが描けます）
このグラフ、過渡応答の臨界制動に似ていると思い、実験したことがあります。（シーケンスの追値では無理やり目標値に合わせてドライブするというイメージがあったので、過渡の方が自然だと思った）　シミュレーションでは一見うまくいきますが、現実的ではありません。　負荷が変わると臨界制動条件から外れることと、減速を常にかけているのでエネルギーの無駄が多かったのです。（笑われるような技術ですが、そのうち何かに使えるでしょう）

［数学がいらない？］
でも実験からモデルを立てるのは、すごく手間のかかる方法ですよ。　厳密でなくても（単純化してでも）モデルを作って、数学を使って骨組み（理論値）として、現実との差を検証するのが良いでしょう。　数学がなくて実験だけだと、方程式を解けばすぐに答えの出ることを、いちいち数値を入れて結果に合っているか確かめるようなものですから。　「数学も実験も両方できなきゃだめだ」と構えなくとも、「数学で壁に当たったら実験で」「実験で壁に当たったら数学で」解決策を探るようにできれば良いと思います。（壁にぶち当たるのが楽しいマニアには、ならなくてもいいですけど）　シミュレーションを起点にして、数学と実験の両方を攻めるのも良いかもしれません。（シミュレーションは、あくまでイメージトレーニングのようなものですが）

Ｎｏ．４での補足に「現代制御は非線形？」との記述がありますが、非線形を扱うにはコンピュータでのシミュレーションが最適ということでしょう。　現代制御の定義はわかりませんが範囲は広いものと思われますし、確立するのはずっと先のことでしょう。　二足歩行ロボットも動歩行ができるようになったばかりで、ゼロモーメントポイントが足から外れる転倒歩行や、走行時のマスキングや補間，予測もこれからの課題ですから、まだまだやらなくてはならないことがたくさんあるでしょう。

回答No.14

noname#21649

>制御に関する具体的な内容を知っていましたら教えていただけないでしょうか．
現在の情報ではありませんが．マイクロマウスとかマイクロキャットなどのモデル制御関係を参考にしてください。

＞その具体的な中味というか，一体マイコン制御って何してる制御なのか
本来のシーケンシャル制御は．リレーを組んで．下手すれば３００個とか膨大な数になってしまいます。これを簡略化して．プログラマブルシーケンサーを使う制御をさす場合が最初の頃のマイコン制御です。オムロン・三菱・ナショナルなどの制御機器メーカーのサイトをさまよっていれば見つかるでしょう。

もう一つは．サンプリング制御系の話しです。自動制御の本なんでも良いですから．読むと．前半には連続系の普通のPID制御の話しが書いてあるはずです。後半に．「Z変換」なんて言葉が出てきて．サンプル制御系の話しが載っているはずです。制御機器メーカーの温度・位置・圧力自動制御部品を眺めて「デジダル」と書いてあれば．まず．サンプル制御系です。サンプル制御系は．最大応答可能周波数が決まっていますので．うまく積分要素を入れてやらないと．悲惨な状態になります。

回答No.13

notnot

直接の答えではないのですが。
回答者がいくつか例を挙げ、それに対して質問者が
もっとくわしく教えてほしいというパターンが続いていますが、
学会誌を読まれたりしてますか？
図書室でバックナンバーを数年分を斜め読みすれば、
どのような分野でどのような技術が使われているか
わかるのではないでしょうか？

回答No.11

First_Noel

安定論をやっていた友人がよく「Ｈ∞（エイチ・インフィニティ）」
「リッカチ方程式」「リヤプノフ安定」と言う言葉を用いておりました．

航空機の安定化問題等に，数年前まで頻繁に「Ｈ∞」の文字が見られました．

人工衛星の宇宙での３軸制御や，小惑星の軌道安定などでも出て来ます．

安定論に関しては，
「集中・分布システムの安定論」　国松・浜田　著　実教
「流体力学　安定性と乱流」　神部・ドレイジン　東京大学出版会
の２冊が，現在私の手元にあります．（私も現在勉強中です．．）

回答No.10

nubou

実際にこの制御技術が用いられて成功もしくは性能が向上したシステムや製品などはあるのでしょうか？

例は知りません
想像ですが余り性能は向上しないと思います
複雑な制御器は制御器そのものが演算誤差を発生させてしまう
だいたいの制御対象はロバストを必要とするほど特性がばらつかないのです
ばらつきを許す設計よりも開ループゲインの自動調整でロバスト性を確保する方が性能は向上するはずです
今は８ビット精度のａｄコンバータを１ビットａｄコンバータによって実現したり
ｐｗｍ駆動したりして構成を簡単にすることと性能を向上させることの両立を計る方が得策です

回答No.9

noname#21649

＞これらについて、システムというか製品が確立したのはどれぐらい前のことなんでしょうか？

・日米海底ケーブルのモールス通信 忘却。
・HDDのヘットの位置あわせ １９７０年頃市販品が出荷
・デジタル温度制御 １９８０年頃市販品が出荷

＞具体的にどのような制御技術がどのようにして用いられたので
＞日米海底ケーブルのモールス通信
通常の打鍵方式では．浮遊容量が大きく積分され応答しないので．異常に遅く打鍵する方式を選択することになりました。

＞HDDのヘットの位置あわせ
単に．２次後れを解いただけです。アームの振動．ヘットの重さ．ソレノイドの重さから方程式を解いて．シーク時間が０．？秒という高速の位置あわせが可能になりました。
東工大の先生の講演の別刷りを子供が見つけてきて．それを眺めただけですから．詳しいことは分かりません。

補足

ありがとうございます．

それから前回の回答で補足質問するのを忘れたのですが，
追突防止の速度制御というのはITS制御とかそんな感じの
やつでしょうか．
＃ たしか，どっかの車会社がやってたような．
制御に関する具体的な内容を知っていましたら教えてい
ただけないでしょうか．

あと，これは私が今日思い付いたことなんですが，最近
マイコン制御という言葉を良く耳にするようになったの
ですが（っていうか大部前からかもしれませんが．．．），
でも，マイコンと言われればなんとなく想像がつくものの，
その具体的な中味というか，一体マイコン制御って何し
てる制御なのか良くわかりません．
マイコン制御が応用されているものやもしくはそれにより
飛躍的な進歩を遂げた製品など知っていましたら教えてい
ただけないでしょうか．

たびたびの補足質問申し訳ありません．．．

回答No.8

nubou

キャプスタンサーボ、ターンテーブルサーボ、ピックアップのフォーカスサーボ技術というのは具体的にどのような制御技術なのでしょうか。

キャプスタンサーボとドラムサーボによってビデオトラックにヘッドが追従するようにします

ターンテーブルサーボ（スピンドルサーボ）は回転速度を信号が正常に読みとるように制御するサーボです

フォーカスサーボは信号読みとりスポットがディスク面でフォーカスする様にするサーボです

ゲイン交差周波数が数十ｈｚ以下の低速サーボにおいては現代制御が適用できるのですがゲイン交差周波数が１ｋｈｚ前後だとｐｉｄがいいのです

ｃｄを持っているなら機種によってディスク面の面ぶれに応じてピックアップレンズが上下しているのを見られるかも知れません

補足

ありがとうございます。
ピックアップレンズが上下しているのを見れるか確かめてみたいと
思います。

ところで nobou さんが回答してくれた中に、ロバスト制御、ｈむげん
大制御というものがありますが、私もこれについてはなんとなく理解
していますが、実際にこの制御技術が用いられて成功もしくは性能が
向上したシステムや製品などはあるのでしょうか？

回答No.7

tocoche

古典制御，現代制御という分類は良くわからないので、実用例を・・・

・パソコンでもテレビでも電源装置によってＡＣ入力を直流出力に変えていますが、ＡＣ入力電圧も直流出力側の負荷も変動するのに、直流電圧が一定に保たれているのは自動制御によるものです。

・発電所から家庭に電気が一定の周波数で送られてきますが、この周波数の精度が（偏差が少ないという意味で）やたらに高い。（電気時計のずれがクオーツより少ない）　家庭や会社，工場で消費される電力量に応じて火力を変えて、発電量を適正にしながら電圧と周波数を一定に保つ。　これは人間がやっても難しいのではないでしょうか。

・吸引形リニアモータカーは電磁石の磁力を調整して浮上しますが、電磁石と鉄片が近づくと引力が強くなってさらに近づき、逆に電磁石と鉄片が離れると引力が弱くなってさらに離れるという、非常に不安定なものを制御しています。（これは人間技ではない）

・昔のエレベータって始動時と停止時にガタガタと揺れたものですが、今のエレベータは非常にスムーズです。　これはＳ字曲線制御をしているからですね。（定トルク制御でもスムーズに動くのではないかって？　目標位置で止めるのが難しいですから）

・私がフィードバックという言葉を聞いたのは、まだアンプといえば真空管だった時代。　「高増幅率のアンプの出力の一部を入力側にＮＦＢ（負帰還）をかけることにより、入力信号とＮＦＢ信号の差が０になるように出力が自動的に調整される」という技術は画期的なものでした。　増幅回路自体にどんな歪みがあっても、入力に忠実な音が再生できるのです。（スピーカの動きから帰還をかけるＭＦＢなんて技術もありました）

・先尾翼機って知ってます？　飛行機の尾翼は普通後ろの方についていますが、それが前についているものです。　前にあるほうが機動性は上がりますが、本来、機体を安定させるために後ろについているので、先尾翼機の安定性は著しく劣ります。　それが自動制御により可能になったのですが、日本の戦闘機で「震電」という先尾翼機があって、人間技で操縦していたそうです。（吸引形リニアモータカーの浮上と同様の挙動ですから、戦闘機乗りの優秀さが伝説になるわけです）

＞ロボットなども厳密な制御モデルなんぞ立てなくとも，それなりに動いてしまうのが現実だと思うのですが．．．
というのはどういうことなんでしょう？　厳密でない制御モデルと現実の差は、人工知能で吸収することを前提としているのでしょうか？　ロボットは要素が複雑で、厳密な制御モデルが立てにくいですが、動きが「それなり」では困ります。　ステッピングモータを使ったオープン制御ならなおのこと、想定した動きと実際の動きの差を検出し、修正する制御が必要になってきます。（それじゃオープンじゃないって？　ロボットを調整するロボットの制御になりますね）

これは間違いなく「現代制御」でしょう。　二足歩行ロボット。（シーケンス制御のシーケンス自体を、環境やシステムに合わせて修正したり、選択したりできた時点で「現代制御」かな）　自動制御は裏方のような扱いが多いので、最近、飛躍的に進歩した部分というのはこれくらいしか見当たりませんね。　（私もわからない部分に関しては「わかりません」という投稿ができませんので、ほったらかしになりますが、御了承ください）

補足

実用例を示していただけると、こっちとしましても想像しやすいので
大変たすかります。ありがとうございます。

＞吸引形リニアモータカーは電磁石の磁力を調整して浮上・・・
＞・・・非常に不安定なものを制御しています。
不安定なものなのは分かるのですが、それを具体的にはどのような制御
手法を適用させて、どうやって制御しているのでしょうか。

＞昔のエレベータって始動時と停止時にガタガタと揺れたものですが、
＞・・・これはＳ字曲線制御をしているからですね。

もうしわけありません、昔っていつぐらいのことなのでしょうか。
また、Ｓ字曲線制御をしているから、ガタガタと揺れなくなったと書いて
くれていますが、それ以前はどのような制御手法を適用していたので
しょうか。まさかPID制御とかだったのでしょうか。
S字曲線制御につきましても、何かご存知でしたら教えて頂けないでしょ
うか。

＞最近、飛躍的に進歩した部分というのはこれくらいしか見当たりませんね。

ほんと、ありがとうございます。
ちなみに投稿してくださった内容のもの全て、最近飛躍的に進歩した部分
なのでしょうか。
それとも、最後の二足歩行ロボットについての部分がそうなんでしょうか。

ロボットを調整するロボットの制御（二足歩行ロボットの場合だと、シーケ
ンス自体を、境やシステムに合わせて修正したり、選択したりする）という
のが、現代制御・・・。
なんかずいぶんとうさんくさい様な気がしてきてしまったのは私だけでしょ
うか。
モデルを実験から立てるのであれば、数学なんていらなくなってしまうよう
な気がするのですが・・・。
ながながと書いてしまいましたが、またお時間があるときにでも御回答よろ
しくお願いいたします。

回答No.6

nubou

○どのような制御技術が既存の製品のどのような点で，一体どのようにして貢献しているのか．---->

・ｖｔｒのモータサーボ、キャプスタンサーボ
・光ディスクプレーヤ（ｍｄ，ｃｄ，ｍｏ，ｄｖｄ等）の
ターンテーブルサーボ、
信号読みとりピックアップのフォーカスサーボ、
信号読みとりピックアップのトラッキングサーボ、

倒立振り子のような定値制御にはカルマンさんの現代制御は利用できるのですが
追従制御には古典制御のｐｉｄが有力です
上記のものには現代制御を適用することはできず
ディジタルソフトウェア古典ｐｉｄ制御が適用されています
無理にオブザーバを使う人もいますがコストが上がり性能も悪いのが実体です
ロバスト、ｈむげん大を必要とするほど制御対象の素性は悪くなく
制御器の構造を余り複雑にできないこともあり
これらは道楽ではないかと思います

補足

ありがとうございます。

・vtr にはモータサーボ、キャプスタンサーボ技術が用いられている。
・光ディスクプレーヤには、ターンテーブルサーボ技術、また信号読み
とりのために、ピックアップのフォーカスサーボ、トラッキングサーボ
技術が適用されていると解釈していいのでしょうか。

モータサーボはなんとなく分かる様な気がするのですが、キャプスタン
サーボ、ターンテーブルサーボ、ピックアップのフォーカスサーボ技術
というのは具体的にどのような制御技術なのでしょうか。

何かご存知でしたらよろしくお願いします。

回答No.5

noname#21649

制御が飛躍的に進歩したのは．昭和40年代です。以前は．それらしい内容をもっともらしいへ理屈をつけて通用していた頃です（私はこの地代の人間です）。
が．このような時代に．新しい息吹を吹き込んだ方々がいました。「数学者」の方々です。かって．理論的に間違いが通用していた制御理論に対して．数学的理論体系に基づいた世界を構築してくださいました。
その結果．私や私の先生のような．へ理屈をこねていた人間は．制御工学から去りました。

温度制御とPID制御の話しを除いて．面白そうな内容というと．

日米海底ケーブルのモールス通信．積分回路で良く話題になります。
HDDのヘットの位置あわせ．２次後れ系ですね。
離散系が主体となった．デジタル温度制御（Z変換がどうのこうので今の私にはわからなくなってしまいました）
化学プラント．特に．ラジカル反応の制御は．従来の化学工学の範囲を離れて．制御工学的内容になっています。
インピーダンスがどうのこうのという世界になると．積分要素と微分要素が関係して．制御工学の亜流になるでしょう。

今思い付くのはこの程度です。最新の話題では．追突防止の速度制御とかありますね。

補足

ありがとうございます。

・日米海底ケーブルのモールス通信
・HDDのヘットの位置あわせ
・デジタル温度制御

これらについて、システムというか製品が確立したのは
どれぐらい前のことなんでしょうか？

また、特に日米海底ケーブルのモールス通信とHDDのヘットの位置あわせ
について、具体的にどのような制御技術がどのようにして用いられたので
しょうか。

詳しいことをご存知でしたらよろしくお願いします。

回答No.4

ymmasayan

昔、古典制御理論で飯を食ってました。
古典制御理論＝ＰＩＤ制御といってもいいでしょう。
ＰＩＤ制御については過去の質問に答えていますので、参考ＵＲＬの回答No.4をご覧ください。

ＰＩＤ制御と言うのはコンピュータがなかった時代の最高レベルの制御方式でした。
今でもＰＩＤ制御で充分な制御対象が数多くあります。定値制御ですね。
ところが、ＰＩＤ制御の弱点は、制御対象のプロセスの特性（モデルと言う言葉を使いましょう）の変化に弱いということです。

例えば、水槽の温度制御を考えます。水槽の水量、入り口の水温、使う水量、外気温が余り変動しないならＰＩＤのゲインの最適値は簡単に求まりますし、制御も非常にうまくいきます。

ところが、上に述べた特性のどれかが大きく変動するとＰＩＤゲインは最適値ではなくなり制御が乱れてきます。

現代制御理論と言うのは、制御されるプロセスとその入出力を数学モデルとしてとらえ、微分方程式や差分方程式などを用いて、ＰＩＤ制御よりも、より目的に合ったきめ細かい制御を目指していると思います。まさに「最適制御理論」なのですが、コンピュータがあるからこそできるといえます。

＞（エアコンの温度調節制御（これってサーボ制御ですよね？））

少し誤解があるかも知れませんので補足しておきます。ガス湯沸し器の例を取ります。お湯の温度を検出して、ガスの量を調整します。温度調節部は温度の偏差に応じて、ガスのバルブの「開度」を指示します。この開度指令を受けて規定の開度に保つのが「サーボ機構」です。温度調節の主役は「温度調節部」です。サーボモータ（サーボ機構：サーボ制御）はあくまでも補助的な役割を果たす「脇役」です。
エアコンでいえば冷却器やファンのモータの回転数の指示を受けて、一定回転数を保つ機構といえるでしょう。

最後に、これからは、現代制御理論の世界です。数式モデル、数学が主役です。
数式をこねくり回すといってもそれはあくまでも手段です。是非、モノにしてください。

参考URL：

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=272813

補足

詳しい解説ありがとうございます．
参考URLなども参考にして，今後の勉強にいかしたいと思います．

現代制御．．．，授業や自分で参考書を見ながら色々と勉強して
みようとはしたものの，なかなか理解に苦しみました．
（と言っても，まだ理解できてないのですが．．．）

現代制御とは，古典制御がシステムを線形的なものとして扱って
いたのに対し，非線形なものとして扱っていると，私は解釈して
いるのですが，これは間違っているのでしょうか．
現代制御では一体何がしたいのか，目指したいのか（yammasayan
さんは教えてくれましたが．．．）私にはどうしても良く理解で
きませんでした．
また，現代制御理論とはまだ解明されていない部分も多く，研究
途上の分野だと聞いたこともあるのですが，これはほんとなので
しょうか．

古典制御を応用したシステムあるいは製品は世に沢山あることは
なんとなく分かって来ましたが，現代制御理論により作られた製
品やシステムというのはあるのでしょうか？
下の方々にも補足として質問させて頂いているのですが，古典も
しくは現代制御理論の適用により，製品化されているものがある
ということまでは理解できたのですが（それも我々のごく身近に
），それは大部以前からあったもので，最近"ある制御技術の適用
により，飛躍した製品もしくはシステム"というのは具体的にはど
のようなものがあるのでしょうか．　　　　　　　　~~~~~

恐らくあるのでしょうが，私の知識ではその具体的な内容までは
把握することができません．．．
ymmasayan さんが何か知っていましたら教えて頂けないでしょう
か？
上記のようなことを考えれば考えるほど，制御の勉強をしなくて
はならいくせに，その意味（あるいは有効性）が分からなくなっ
ています．．．

例えば，精密機械は別として，ロボットなども厳密な制御モデル
なんぞ立てなくとも，それなりに動いてしまうのが現実だと思う
のですが．．．
数学により，システムをモデル化することが現実的にどれほど重
要な意味を持つものなのか今だ理解しきれていないのが，私の現
実でもあります．．．
（だからこそ今本気になって勉強に取り組んでるところですので
，何卒よろしくお願いします．難しいことが書いてあれば，私か
から補足として再度質問させて頂きますので，その辺に関しては
お気にせずご回答して頂けると助かります）