制御システムは、制御ループを使用して他の装置またはシステムの動作を管理、指令、指示、または規制する。 これは、家庭用ボイラーを制御するサーモスタットを使用する単一の家庭用加熱コントローラから、プロセスまたは機械を制御するために使用される大型の工業用制御システムに及ぶ。
連続的に変調された制御のために、フィードバックコントローラがプロセスまたは動作を自動的に制御するために使用される。 制御システムは、制御されているプロセス変数（PV）の値または状態を所望の値または設定値（SP）と比較し、その差を制御信号として適用してプラントのプロセス変数出力をセットポイント。
シーケンシャルおよびコンビネーションロジックの場合、プログラマブルロジックコントローラなどのソフトウェアロジックが使用されます。
目標
制御システムは、以下の目的を達成しなければならない。
モデルの摂動や誤差に対して安定していて堅牢であること。
突発的で非現実的な行動を避けて、事前に確立された基準に従って効率的に行動してください。
プロセス監督の必要性
取得および制御システムの視覚化の制限。
制御とプロセスの監視
制御ソフトウェア。 制御ループ閉鎖。
情報を収集し、保存し、視覚化する。
データマイニング。
制御システムの挙動と計測に基づく分類
制御：状態または出力が所望の方法に従って変化するようにシステムの入力を選択する。 要素は次のとおりです。
計画において確立された目標の達成を検証することは常に存在する。
測定。 それを制御するには、結果を測定し定量化することが不可欠です。
偏差を検出する。 制御の固有の機能の1つは、実行と計画の間に生じる相違点を発見することです。
是正措置を講ずる。 制御の目的は、エラーを予知し訂正することです。
制御因子; 数量、時間、コスト、品質。
コントローラ：（エレクトロニクス）。 それは人間の能力をエミュレートして制御を発揮する電子デバイスです。 4つの制御アクション（比較、計算、調整、制限）を使用します。
プロセス：徐々に変化する連続的な操作または自然な開発で、比較的固定されたやり方でお互いに続く一連の徐々に変化し、決定的な結果や目的につながります。 特定の結果または目的に向けて体系的に指示される、一連の行動または制御された動きからなる人工的または随意的な漸進的操作。 例：化学的、経済的、および生物学的プロセス。
監督：被験者を深く知らないかもしれない別の（個人または機械）の仕事と仕事を観察する行為。
開ループ制御システム
それは、プロセスだけが入力信号に作用し、入力信号に対して独立した出力信号をもたらすが、最初の信号に基づいているシステムである。 これは、コントローラにフィードバックがないため、コントローラが制御動作を調整できることを意味します。 つまり、出力信号はコントローラの入力信号に変換されません。
例1：庭のホース付きタンク。 キーが開いたままであれば、水が流れます。 タンク内の水の高さはキーを閉じることができないため、コンテンツや集中制御が必要なプロセスでは役に立ちません。
例2：トーストを作るとき、私たちがすることは、変数（この場合トーストの程度）を入力することによって、トーストの時間を制御することです。 要するに、パラメータとして導入するのは時間です。
これらのシステムは次の特徴を備えています。
シンプルでコンセプトが簡単です。
外乱の前にその安定性を保証するものはありません。
出力はエントリと比較されません。
外乱の影響を受けます。 これらは、有形または無形にすることができます。
精度はシステムの以前の較正に依存する。
閉ループ制御システム
これらは、制御動作が出力信号の関数であるシステムです。 クローズド・ループ・システムは最終結果からのフィードバックを使用して、それに応じて制御動作を調整する。
閉ループ内の制御は、以下のいずれかの状況が発生した場合には不可欠です。
プロセスが人間によって規制することができないとき。
大規模な施設や人間を必要とする大規模な生産は扱うことができません。
プロセスを監視することは、場合によっては特に困難であり、疲労または解雇によって容易に失う可能性があり、その結果、労働者およびプロセスが危険にさらされる可能性があるという注意が必要です。
その特性は次のとおりです。
複雑であるが、パラメータの数が広い。
出力は入力と比較され、システムの制御に影響します。
あなたの財産のフィードバック。
内部の擾乱や変動に対してより安定してください。
閉ループ制御システムの一例は、浴槽に使用する温水タンクです。
もう一つの例は、預金の高感度レギュレータです。 ブイの動きは、低圧の空気または気体の噴流に多かれ少なかれ妨害を生じさせる。 これは、流路バルブのバルブに影響する圧力変化につながり、最大レベルに近づくほどバルブを開くようになります。
制御システムの種類
制御システムは、3つの基本タイプにグループ分けされています。
人工制御システム
制御下にあるシステムの状態の信号を恒久的に捕捉している電気的または電子的システムと同様に、システムの正常動作の事前設定されたパラメータの偏差を検出する場合、センサおよびアクチュエータによって動作し、システムは通常の動作状態に戻ります。 これの明確な例は、温度信号を連続的に取り込むサーモスタットです。 温度が下がるか、上昇して範囲外になるとすぐに、それは冷却または暖房システムを点灯させることによって機能する。
それらの因果関係によって、それらは：因果関係であり因果関係ではない
システムは、アウトプットとシステムインプットの間に因果関係がある場合、インプットのアウトプット値と将来価値の間に、より明示的に因果関係が存在する場合、因果関係である。
システムのインプットとアウトプットの数に応じて、彼らの行動によって呼び出されます
入力と出力またはSISO（単一入力、単一出力）から。
1つの入力および複数の出力またはSIMO（単一入力、複数出力）
複数の入力と1つの出力、またはMISO（複数入力、単一出力）。
複数の入力および複数の出力またはMIMO（複数の入力、複数の出力）。
システムを定義する方程式によれば、以下のように呼ばれます。
線形、それを定義する微分方程式が線形の場合。
それを定義する微分方程式が非線形である場合、非線形です。
動的システムの信号または変数は時間の関数である。 それによると、これらのシステムは次のとおりです。
連続時間のうち、システムのモデルが微分方程式である場合、時間は無限に割り切れると考えられます。 連続時間の変数はアナログとも呼ばれます。
離散時間の場合、系が差の式で定義されている。 時間は一定値の期間に分割されているとみなされます。 変数の値はデジタル（バイナリ、16進数のシステムなど）で、その値は各期間でのみ認識されます。
離散事象のうち、特定の事象が発生したときに値が分かっている変数に従ってシステムが進化するかどうか。
システムの変数間の関係によると、次のようになります。
2つのシステムは、一方の変数が他方のシステムの変数に関連する場合に結合されます。
両方のシステムの変数に関係がない場合、2つのシステムが切り離されます。
時間と空間におけるシステムの変数の進化に応じて、次のようになります。
その変数が時間と空間において一定であるときには、静止している。
それらの変数が時間的にも空間的にも一定でないときは、固定ではありません。
システム入力の変動に対するシステムの応答（出力の値）によれば、
境界のある入力信号が出力の有界応答を生成すると、システムは安定しているとみなされます。
出力への無制限の応答を生成する少なくとも1つの有界エントリが存在する場合、システムは不安定であるとみなされます。
彼らが比較するかどうか、後者を制御するためにシステムの入口と出口が呼び出されると、システムは呼び出されます：
制御されるべき出力が入力信号または基準信号の値と比較されないとき、開ループシステム。
制御されるべき出力が基準信号と比較されるとき、システム閉ループ。 出力信号は、比較される入力信号によって運ばれ、信号フィードバックまたはフィードバックと呼ばれる。
システムの動作、つまりその応答を予測する可能性に応じて、次のように分類されます。
将来の行動が許容範囲内で予測可能な確定的システム。
将来の行動を予測することが不可能な場合の確率的システム。 システム変数はランダムと呼ばれます。
自然制御システム
生物学的システムを含む自然制御システム。 例えば、人体の動きは、人間の目、腕、手、指および脳を生物学的制御システムの構成要素として含む物体を示す行為である。 入り口では動きが処理され、出口は参照が行われる方向です。
混合制御システム
混合制御システムは、人間と他の人間が作ったもので、自然なものです。 彼の車を運転する男の制御システムです。 このシステムは、目、手、脳、車両で構成されています。 入り口は、運転者が道路上で従わなければならない方向に現れ、出口は車の現在の方向である。 もう一つの例は、選挙前に政治家が決定したものかもしれない。 このシステムは、目、脳、耳、口から構成されています。 入り口は政治家によって発表された約束に現れ、出口は人口による提案の受け入れの程度です。
制御システムは、空気圧式、電気式、機械式、または任意のタイプのものがあり、その機能は入力を受け取り、制御ループ（プログラムされているもの）に従って1つまたは複数の応答を調整することである。
予測制御は予測システムと連携し、伝統的なものとしてアクティブではない制御システムです（プロセスに影響を与える前に問題の解決策を実行します）。 このようにして、効果を迅速に相殺することによってプロセスの効率を向上させる。
開ループおよび閉ループ制御
制御動作には、オープンループとクローズドループという2つの共通のクラスがあります。 開ループ制御システムでは、コントローラからの制御動作はプロセス変数とは無関係です。 これの一例は、タイマーによってのみ制御される中央加熱ボイラである。 制御動作は、ボイラーのオンまたはオフを切り替えることである。 プロセス変数は建物の温度です。このコントローラは、建物の温度に関係なく一定の時間加熱システムを操作します。
閉ループ制御システムでは、コントローラからの制御動作は、所望の実際のプロセス変数に依存する。 ボイラの類推の場合、これはサーモスタットを利用して建物の温度を監視し、コントローラの出力がサーモスタットに設定された建物の温度に近い温度を維持するように信号をフィードバックします。 閉ループコントローラには、コントローラが設定値と同じ値でプロセス変数を制御するための制御動作を確実に行うフィードバックループがあります。 このため、閉ループコントローラはフィードバックコントローラとも呼ばれます。
フィードバック制御システム
線形フィードバックシステムの場合、センサ、制御アルゴリズム、およびアクチュエータを含む制御ループは、設定点（SP）で変数を調整しようとして配置される。 毎日の例は、道路車両のクルーズコントロールです。 勾配のような外部の影響が速度変化を引き起こし、運転者は所望の設定速度を変更する能力を有する。 コントローラ内のPIDアルゴリズムは、車両のエンジンの出力を制御することにより、実際の速度を最小の遅延またはオーバーシュートで最適な方法で所望の速度に戻す。
彼らが達成しようとしている結果の何らかの感知を含む制御システムは、フィードバックを利用しており、様々な状況にある程度適応することができる。 開ループ制御システムは、フィードバックを利用せず、あらかじめ配置された方法でのみ実行されます。
論理制御
産業機械および商用機械の論理制御システムは、歴史的に、はしご論理を用いて相互接続された電気リレーおよびカムタイマによって実現されていた。 今日、そのようなシステムのほとんどは、マイクロコントローラまたはより特殊化されたプログラマブルロジックコントローラ（PLC）で構成される。 ラダーロジックの表記は、PLCのプログラミング方法としてまだ使用されています。
論理コントローラは、スイッチやセンサに応答する可能性があり、アクチュエータを使用して機械がさまざまな動作を開始および停止させる可能性があります。 ロジックコントローラは、多くのアプリケーションで機械的操作を順序付けるために使用されます。 例としては、エレベータ、洗濯機、および相互に関連する操作を含む他のシステムが挙げられる。 自動シーケンシャル制御システムは、一連の機械的アクチュエータを正しい順序でトリガして、タスクを実行することができる。 例えば、様々な電気および空気圧トランスデューサは、ボール紙箱を折り曲げて接着し、製品で充填し、自動包装機でそれを密閉することができる。
PLCソフトウェアは、ラダー図、SFC（シーケンシャルファンクションチャート）、またはステートメントリストなど、さまざまな方法で記述できます。
オンオフ制御
サーモスタットは、バンバンコントローラとして説明することができる。 温度PVがSPを下回ると、ヒーターがオンになります。 別の例は、空気圧縮機の圧力スイッチであってもよい。 圧力PVが設定値SPを下回ると、ポンプに電力が供給されます。 冷蔵庫と真空ポンプには同様の機構があります。
このような簡単なオン/オフ制御システムは安価で効果的です。
リニア制御
リニア制御システムは、線形負帰還を使用して制御信号を生成し、制御されたプロセス変数（PV）を所望の設定点（SP）に維持する。
比例制御
比例制御は、目標値（設定値-SP）と測定値（プロセス値-PV）との差に比例する制御変数に補正を適用する線形フィードバック制御システムの一種です。 2つの典型的な機械的な例は、便器フロート比例弁とフライボールガバナーである。
比例制御システムは、バイメタルの家庭用サーモスタットのようなオンオフ制御システムより複雑ですが、自動車クルーズコントロールのようなもので使用される比例積分微分（PID）制御システムよりも簡単です。 オンオフ制御は、システム応答時間全体に比べて長い間、最終的にはかなり良好に機能しますが、迅速かつタイムリーな修正と応答には効果的ではありません。 比例制御は、不安定性を回避するレベルの制御弁のような制御装置への出力を変調することによってこれを克服するが、最適量の比例補正を適用することによって実用的な速さで補正を適用する。
比例制御の欠点は、比例出力を生成するために誤差を必要とするため、残留SP-PV誤差を除去することができないことである。 これを克服するために、比例項（P）を使用して総誤差を除去するPIコントローラと、誤差を時間積分することによって残差オフセット誤差を除去して「I」成分を生成する積分項（I）コントローラ出力。
いくつかのシステムでは、操作量（MV）の範囲に実際的な制限があります。 例えば、ヒーターをオフにしたり、完全にオンにしたり、バルブを閉じたり、完全に開くことができます。 利得の調整は、MVがこれらの限界値を超える誤差値の範囲を同時に変更します。 この範囲の幅は、エラー変数の単位、したがってPVの単位で、比例ゲインの逆数である比例帯（PB）と呼ばれます。 利得は数学的処理には有用であるが、比例帯は実際の状況ではしばしば言及される。
炉の例
工業用炉の温度を制御する場合、炉の現在のニーズに比例して燃料弁の開口を制御することが通常より良い。 これにより、熱衝撃を回避し、熱をより効果的に適用するのに役立ちます。
低いゲインでは、エラーが検出されたときに小さな修正アクションのみが適用されます。 システムは安全で安定している可能性がありますが、変化する状況に応じて低速になる可能性があります。 エラーは、比較的長期間訂正されずに残り、システムは過剰減衰される。 比例ゲインが増加すると、そのようなシステムはより応答性になり、エラーはより迅速に処理されます。 全体のシステムが非常に減衰されていると言われるとき、ゲイン設定に最適な値があります。 この点を越えるループ利得の増加は、PV内の振動につながり、そのようなシステムは弱められる。
弱い
ファーネスの例では、定常状態で使用可能な電力の50％が必要となる設定点に向かって温度が上昇しているとします。 低温では、利用可能な電力の100％が印加される。 プロセス値（PV）がSPの10°以内にある場合、熱入力は比例コントローラによって減少し始めます。 これは、フルパワー入力からノーパワー入力までの20°の比例帯（PB）を意味し、設定値の周りに均等に広がっています。 セットポイントでは、コントローラは必要に応じて50％の電力を供給しますが、ヒーターサブシステム内に蓄えられた熱を放熱し、炉の壁には測定された温度が必要以上に上昇します。 SPより10°上では、比例帯（PB）の上部に到達し、電力は印加されませんが、温度はさらに下降して後退し始めます。 最終的にPVがPBに戻ってくると、熱が再び加えられますが、今度はヒーターと炉壁が冷えすぎて温度が下がり過ぎて落下が止まり、振動が継続します。
未処理の炉制御システムが生成する温度振動は、燃料と時間の浪費（各振動サイクルには数分かかる場合がある）、炉とその内容物の両方を真に過熱する可能性を含む多くの理由で受け入れられない。
過減衰
制御システムの利得が大幅に減少し、それが再始動されると仮定する。 温度がSPより下に30°近づくと（今度は60°の比例帯（PB））、熱入力が減少し始め、炉の加熱速度は遅くなり、熱がさらに遠くなるにつれてそれが最終的に設定値まで上昇し、50％の電力入力に達し、炉が必要に応じて動作しているのと同様に、 炉は最終的な温度に達し、わずか52％、次に51％の利用可能な電力を使用していたが、少なくとも害はなかったが、無駄な時間があった。 利得を慎重に増加させること（すなわち、PBの幅を減少させること）によって、この過減衰および低速挙動は、システムがこのSP温度に対して臨界的に減衰されるまで改善され得る。 これを行うことは、制御システムの「チューニング」として知られています。 よく調整された比例炉温度制御システムは、通常、オン – オフ制御よりも効果的であるが、炉が熟練した手動制御下にある場合よりもゆっくりと応答する。
PID制御
発振を避けるための低速の性能とは別に、比例制御のみのもう1つの問題は、電力アプリケーションが常に誤差に正比例することです。 上記の例では、設定温度を50％の電力で維持できると仮定しました。 より高い設定温度で維持するために80％の電力が必要な別のアプリケーションで炉が必要な場合はどうなりますか？ ゲインが最終的に50°PBに設定された場合、炉が設定点より15°下にないかぎり、80％の電力が印加されないので、この他のアプリケーションでは、常に設定温度を15°実際に必要です。 この15°の数字は、周囲の周囲温度、および炉内の熱損失または炉内の吸収に影響を及ぼす他の要因にも依存します。
これらの2つの問題を解決するために、多くのフィードバック制御スキームにはパフォーマンスを向上させるための数学的な拡張が含まれています。 最も一般的な拡張は比例積分微分制御またはPID制御につながります。
デリバティブアクション
微分部は、時間に対する誤差の変化率に関係します。測定された変数が設定値に急速に近づくと、アクチュエータは早期に後退し、必要なレベルまで惰走することができます。 逆に、測定値が設定値から急激に移動し始めると、それを維持しようとすると、その速さに比例して余分な労力がかかります。
デリバティブアクションは、コントロールシステムをより知的に動作させます。 炉の温度のチューニング、またはおそらく移動車両の銃やカメラのような重量物のモーションコントロールのような制御システムでは、うまく調整されたPIDコントローラの派生的な動作により、ほとんどの熟練した人間の操作者よりも良い設定点です。
微分作用が過剰に適用されると、振動にもつながる可能性があります。 一例は、SPに向かって急速に増加し、その後早期に停止し、再びそれに向かって上昇する前に設定値から「逃げる」ように見えるPVであろう。
積分動作
積分項は、長期定常状態誤差の影響を拡大し、ゼロまで減少するまで絶えず増加する努力を適用する。 様々な温度で作業する上の炉の例では、適用される熱が炉を設定値まで上昇させないならば、積分動作は、PV誤差がゼロに減少するまで比例帯を設定点に対してますます移動させ、セットポイントが達成される。
毎分％をランプアップする
一部のコントローラーには、 “1分あたりのランプアップ”を制限するオプションが含まれています。 このオプションは、小型軽量ボイラー（3 MBTUH）の安定化、特に軽負荷時の夏季の安定化に非常に役立ちます。 ユーティリティボイラーのユニットは、毎分5％の速度で負荷を変更する必要があります（IEA Coal Online – 2、2007）。
その他の技術
PVまたはエラー信号をフィルタリングすることが可能です。 そうすることで、望ましくない周波数に対するシステムの応答を減らし、不安定性や振動を低減することができます。 フィードバックシステムによっては、1つの周波数で発振するものがあります。 その周波数を除外することにより、より「堅い」フィードバックを適用することができ、システムをより敏感にすることができます。
フィードバックシステムを組み合わせることができます。 カスケード制御では、1つの制御ループが制御アルゴリズムを設定値に対して測定値に適用しますが、プロセス変数に直接影響するのではなく、別の制御ループに変化する設定値を与えます。 システムに制御すべきいくつかの異なる測定変数がある場合、それぞれの制御システムが個別に存在します。
多くのアプリケーションでの制御技術は、PID制御よりも複雑な制御システムを生成します。 そのようなフィールドの例には、フライバイワイヤ航空機制御システム、化学プラント、および製油所が含まれる。 モデル予測制御システムは、専用コンピュータ支援設計ソフトウェアと、制御対象のシステムの経験的数学モデルを使用して設計されています。
PIDおよび論理制御のハイブリッドシステムが広く使用されている。 リニアコントローラからの出力は、例えばロジックによってインターロックされてもよい。
ファジー論理
ファジー論理は、複雑で連続的に変化するシステムの制御に論理コントローラの容易な設計を適用しようとする試みである。 基本的には、ファジー論理システムでの測定は部分的に真である。すなわち、yesが1であり、noが0である場合、ファジー測定値は0と1との間であり得る。
システムのルールは自然言語で書かれ、ファジー論理に変換されます。 例えば、炉の設計は、「温度が高すぎる場合は燃料を炉に還元し、温度が低すぎる場合は炉に燃料を増やしてください。
実世界からの測定値（炉の温度など）は、三角形のどこにあるかを見て、0と1の間の値に変換されます。 通常、三角形の先端は可能な最大値で、1に変換されます。
ファジー論理は、ブール論理を算術的に変更する。 通常、 “not”演算は “出力= 1 – 入力”であり、 “and”演算は “output = input.1 multiplied by input.2” “or”は “output = 1- – （（1-入力。 1）に（1 – 入力2）を掛けたもの）」となる。 これは、値が0と1に制限されている場合、単位区間[0,1]の範囲に入るのではなく、ブール演算になります。
最後のステップは、出力を「非ファジィ化」することです。 基本的に、ファジィ計算はゼロと1の間の値をとる。 この数値は、傾きと高さがファジィ値を現実の出力数に変換する行の値を選択するために使用されます。 番号は実際の機械を制御します。
三角形が正しく定義され、規則が正しい場合、結果は良好な制御システムになります。
ロバストなファジィ設計が単一の迅速な計算に縮小されると、従来のフィードバックループ解法に類似し始め、ファジー設計が不要であるように見える可能性があります。 しかしながら、ファジー論理パラダイムは、従来の方法が派生するのが扱いにくいかコストがかかるような大規模な制御システムにスケーラビリティを提供することができる。
ファジーエレクトロニクスは、デジタルエレクトロニクスでより一般的に使用される2値論理の代わりにファジー論理を使用する電子技術です。
物理的な実装
実装の範囲は、特定の機械またはデバイス用の専用ソフトウェアを備えたコンパクトコントローラから、工業プロセス制御用の分散制御システムまで幅広いものがあります。
論理システムおよびフィードバックコントローラは、通常、プログラマブルロジックコントローラによって実装される。