計装図の見方・読み方・記号と信号線から制御ループを読む
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電ラビブログ
自動制御の基礎をわかりやすく解説｜FB・FF・シーケンス・カスケード・PID
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📘 この記事でわかること
- 自動制御ってそもそも何のためにあるのか（4つの効用）
- 手動制御と自動制御は何が違うのか
- 空調で出会う7つの制御方式（FB・FF・シーケンス・カスケードほか）
- オンオフ、比例、PI、PID動作の違い（初心者でもイメージできるレベル）
「自動制御」って言葉、仕事で聞くけどフワッとしてる、この記事は”家電で言うとこれ”レベルまで砕いて説明します
こんにちは、電ラビです
計装・自動制御の業界に20年以上いるウサギです
今回は「自動制御の基礎」を、初めてこの業界に触れる人でも理解できるレベルまで落として解説します
業界の教科書は「JISの定義が…」から入るのでとっつきにくいですが、この記事は身近な例から入ります
目次
そもそも自動制御は何のためにあるのか？
いちばん身近な例はエアコンです
「26℃」にセットしておけば、あとは勝手に部屋がその温度に近づくように冷えたり弱まったりする
この「人間が見てなくても目標を保ち続ける仕組み」が自動制御です
では、なぜ自動化が必要なのか
ビルや工場で導入される理由は、ざっくり4つにまとめられます
自動制御の4つの効用
- 省エネ：設定温度を夏1℃上げるだけで冷房負荷が約20%減る、人の裁量ではここまで安定した節約は難しい
- 快適性の維持：人間が一日中温度計を見張っていなくても、室内を常に快適な状態に保てる
- 連続運転：ベテランなら数時間は手動でも制御できるが、24時間365日は無理、自動化すればそれが可能になる
- 製品の品質向上：薬品・食品・精密機械の製造では、温湿度が安定していないと品質が振れる、自動制御はそのまま歩留まりに直結する
手動制御と自動制御の違い
制御（control）をJISの定義でいうと「ある目的に合うように、対象となるものに所要の操作を加えること」
かしこまってますが、中身はシンプルです
部屋の温度を20℃にしたいとします
手動でやる場合、人間は次のような動きをします
- 温度計を見る（計測）
- 目標値と比べる（比較）
- 暑い、寒いを判断する（判断）
- 蒸気バルブを開閉する（操作）
これを永遠に繰り返せば、目標温度に近づきます
自動制御はこの一連の動作を、人間ではなくセンサ＋調節器＋アクチュエータでやらせる仕組みです
計装屋が現場で組むのは、まさにこの「目・頭・手」の役を果たす機器を配線して調整する作業です
空調で出会う7つの制御方式
自動制御にはいくつかの”流派”があります
ビル空調の現場で出会うのは主にこの7つ
① フィードバック制御（FB制御）
空調で一番よく使う王道
結果を測って→目標値と比べて→訂正する、という後追い型の制御です
例：加熱コイルの下流にサーモスタットを入れ、供給空気が20℃になるように蒸気バルブを開閉する
ビル空調のローカル制御はほぼ全部これ
② フィードフォワード制御（FF制御）
外乱（外気温の変化など）を”先読み”して、結果が狂う前に動く予測型の制御です
単独で使うより、FB制御と組み合わせて使うのが普通
「外気温低下に伴う加熱コイルの凍結防止」のようなリミット用途で、ビル空調にも入っています
③ シーケンス制御
あらかじめ決めた順番に従って、段階的に動作を進める制御
身近な例だと全自動洗濯機、自動販売機、交通信号機
空調でも「朝の起動シーケンス」「夜の停止シーケンス」などで出てきます
PLCで書くラダー図はたいていこのシーケンス制御の実装です
④ プログラム制御
目標値そのものが時間に応じて変化する制御
金属の熱処理炉やコンクリートの養生で使われます
空調だと「夜間セットバック」や「朝の立ち上げプリヒート」もこの仲間
⑤ カスケード制御（マスタ、サブマスタ制御）
主調節器が副調節器の目標値を動かすタイプの制御
時間遅れの大きいプロセスに効きます
例：大空間の室温制御で、吹出口近くの温度（副）を速く整え、部屋の温度（主）は遅れてゆっくり安定させる
ビル空調の外気補償制御もカスケードの一種です
⑥ 最適制御
プロセスを”常に最適な状態”に自動で保つ制御
外気温・日射・人数・照明・OA機器などあらゆる外乱を読み込んで、最適解を計算し続ける
BEMSの”最適起動停止制御”や”最適外気取入制御”がこの系統
昔は夢物語だったが、コンピュータの進歩で実装例が増えてきました
⑦ 学習制御
人間が経験を積んで”カン”が良くなっていくように、制御結果の積み重ねから自ら最適なやり方を見つけていく制御
最初から上手くはいかないが、回数を重ねると化けるタイプ
AI制御やML制御と呼ばれるものの源流は、ここにあります
制御動作：オンオフ、比例、PID
ここからは「制御動作」の話
調節器が操作信号をどう出すか、というやり方の違いです
大きく分けると不連続動作（非線形）と連続動作（線形）の2系統
現場で出会うのは次の4つがメインです
① オンオフ動作（二位置動作）
設定値を境に、全開か全閉のどちらか
もっともシンプルな制御です
ただし、設定値ちょうどでパタパタ動くと接点が傷むので、実際には”動作すき間”（ディファレンシャル）を持たせます
結果として温度は必ずサイクリング（上下に揺れる）します
時定数が大きくむだ時間が少ないプロセス（例：部屋の温度）に向きます
② 比例動作（P動作）
偏差（設定値と現在値の差）の大きさに比例して、バルブをどれだけ開くか決める動作
オンオフより滑らかに制御できます
ただし弱点があって、定常状態で必ず”オフセット”（設定値とのズレ）が残ります
比例帯を狭めればオフセットは減るが、狭めすぎると不安定になりサイクリングが出る
「比例帯を狭めれば制御がピシッと決まる」と思って攻めすぎると、現場でハンチング（振動）が出て呼び出される、経験者あるあるです
③ 積分動作（I動作）、PI動作
偏差の時間積分（＝残ったズレをじわじわ溜める）に比例した出力を加える動作
これをP動作と組み合わせるとPI動作になり、比例動作の弱点である”オフセット”が消えます
ビル空調のローカル制御のほとんどは、このPI動作で回っています
④ 微分動作（D動作）、PID動作
偏差の変化の速さ（＝急に外乱が入った）に反応して、先回りで出力を出す動作
PIに足すとPID動作になります
応答は速くなるが、ノイズに敏感なので空調ではあまり使われません
プロセス工業の温度制御やロボット制御で活躍する印象
最適な調整（チューニング）のコツ
PID制御のパラメータ（比例帯、積分時間、微分時間）をどう決めるか
代表的な方法が2つあります
- 過渡応答法：ステップ入力を入れて、反応カーブから逆算する
- 限界感度法：P動作だけで比例帯を徐々に狭めていき、振動が始まる限界点から計算する
教科書的にはこの2つですが、現場だと結局”先輩が経験で合わせたパラメータをコピーして微調整”というのが一番多い
理論値より、実機が安定する値のほうが正義、というのが空調の現実です
まとめ
- 自動制御は「計測→比較→判断→操作」を機械に代行させる仕組み
- 効用は「省エネ、快適性、連続運転、品質向上」の4本柱
- 制御方式はFB・FF・シーケンス・プログラム・カスケード・最適・学習の7種類が基本
- 制御動作はオンオフ、P、PI、PIDの4つを押さえれば空調現場は戦える
- ビル空調のローカル制御の主役はPI動作、Dはあまり使わない
自動制御は一見小難しいですが、分解すると「人間がやっていたことを機械に置き換えている」だけ
この視点を持つと、現場の計装盤や調節器の動きが読めるようになっていきます
次は、この自動制御のかたまりである「空調」の中身を読み解く道具である”空気線図”について書く予定です
空気線図が読めると、空調制御がぐっと立体的に見えるようになります
📚 さらに学びたい方におすすめの書籍
📕 「建築設備の自動制御入門」
ビル設備の自動制御を体系立てて学べる入門書です、現場初心者でも無理なく読み進められる構成で、空調・熱源・搬送機器の制御ロジックがひと通り押さえられます
計装・自動制御の世界に踏み出す最初の1冊として、長く手元に置いておける良書です
