実務に役立つテクニックを解説――近刊『実務者のためのPID制御設計』まえがき公開
2022年3月中旬発行予定の新刊書籍、『実務者のためのPID制御設計』のご紹介です。
同書の「まえがき」を、発行に先駆けて公開します。
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まえがき
フィードバック制御系は古くから知られており、産業分野をはじめとしてさまざまな分野で適用されている。フィードバック制御系の設計においては、制御対象の動作を調べることができる数式の導出(数式モデル化)と、数式モデルを用いた制御式と制御パラメータ調整法の検討(制御設計)が必要である。
制御対象の数式モデル化には、古典制御の基礎であるラプラス変換、ブロック線図、伝達関数の知識が必要であるが、市販されている多くの参考書では、これらは個別に説明されている。そのため、基礎知識だけでは制御対象の数式モデル化手法を理解することは難しい。また、古典制御の参考書には、伝達関数を用いた過渡応答や周波数応答の解析法も説明されている。しかし、これらの解析法をフィードバック制御系の制御設計にどのように適用するかを明確な手法として説明した参考書は見当たらない。
そこで、本書では制御系の三つの基本要素である比例・積分・微分要素で構成される電気系と機械系を制御対象としたフィードバック制御系の設計方法について説明する。また、制御法としては、幅広い分野で適用されているPID制御法を対象とする。
まず、古典制御の基礎であるラプラス変換、ブロック線図、伝達関数について説明し、これらを用いた制御対象の数式モデル化手法を具体例に基づいて紹介する。制御器に比例・積分・微分要素を一つ以上含む制御系をPID制御系とよぶと、制御対象によって構成が異なる複数のPID制御器を適用することができる。そこでつぎに、制御対象を1次から3次まで次数によって区別して、それぞれの制御対象に適用可能なPID制御器について説明する。さらに、周波数応答の解析手法の一つであるボード線図を用いた制御器のパラメータ(比例・積分・微分ゲイン)の設定手法を説明する。その後で、制御系の過渡応答を解析し、制御性能を評価する。本書で説明する設定手法は、片対数グラフ用紙を用いて机上でパラメータ設定できるという特長がある。
なお、微分制御を行う場合、制御量の微分量が必要であるが、微分量が制御対象の状態変数に含まれる場合は、微分制御は現代制御における状態フィードバック制御と等価となる。そこで、PID制御系と現代制御の状態フィードバック制御やサーボ系との関連についても説明する。これによって、本書で説明するパラメータ設定手法は、状態フィードバック制御やサーボ系のパラメータ設定にも役立てることができる。
本書は、実務でフィードバック制御系を設計する技術者や、これから古典制御やPID制御を学びたい学生や若手技術者に役立つと思われる。
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幅広い分野で適用されているPID制御を対象に、
・数式モデル化(ブロック線図と伝達関数の導出)
・数式モデルを用いた制御系の設計
の2点を丁寧に説明しています。
電気系・機械系の制御対象を次数ごとに分類し、それぞれに対して適用可能なPID制御器について述べるとともに、ボード線図を用いた制御パラメータ(比例・積分・微分ゲイン)の設定方法をわかりやすく解説しています。
また、回転座標軸を用いる3相交流モータ制御システムへの適用や、現代制御における状態フィードバック制御とPID制御との関連性なども紹介。
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