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アナログデータを利用してフィードバック制御を行おう!その1 ON・OFF制御

◆フィードバック制御の基本、ON・OFF制御

◆ON・OFF制御でも精度よく制御を行う方法はある!

せっかくアナログデータをA/D変換機でデジタル値に変換するのであれば、データとして確認するだけではなく、機械のフィードバック制御に使いたいですよね。

フィードバック制御と言えばPID制御が有名ですがその前に基本のON・OFFを押さえましょう。

最も簡単な制御は図1のグラフに示すように閾値を設けて閾値を外れたらON・OFFさせることです。これをON・OFF制御と言います。

基本のON・OFF制御でもやり方によっては精度よく制御が行うことができます。

 

ヒーターがON・OFFを繰り返した時の温度の波形です。
図1 ON・OFFを繰り返す制御
ガラスチャンバーををヒーターで200℃まで加熱する装置です。
図2 チャンバー用ヒーター

さてここで、図2のようなヒーターでチャンバーを200度まで加熱する装置を考えます。

上限閾値を210℃、下限閾値を190℃とします。

210℃に到達するまではヒーターが入ったままで、210℃を超えるとヒーターが切れます。ヒーターを切ってすぐはまだ余熱を持っているため、温度が210℃を超えます。

これをオーバーシュートと言います。

ヒーターを切ってしばらくすると温度が低下していきます。そのまま時間が経つと今度は下限閾値の190℃を下回ります。この時再びヒーターを入れます。ヒーターが190℃に温まるまで少し時間がかかるため、それまで温度は190℃を下回って下がり続けます。これをアンダーシュートと言います。

 

後はこれの繰り返しです。

 

 


 

図3のように上限下限の幅が小さくなると、ON・OFFが短いサイクルで繰り返されることになり、ヒーターの寿命が短くなってしまいます。

さらに外気温との差が大きいと温度が上がる速度は遅く、温度が下がる速度は速くなります。

 

上限閾値と下限閾値の幅が狭くなり、その結果ON・OFFのサイクルが短くなることを示したグラフです。
図3 上下限の閾値が狭くなったときの波形

 

図4に示すようにこのとき、ヒーターの出力を大きくすれば温度が上がる速度(昇温速度)を速くできます。逆に出力を小さくすればさらに遅くすることができます。つまり昇温速度はヒーター出力の大きさ、要するにワット数、を変えるこで制御できます。

*ただしワット数を変えるためには高速でON・OFFを切替を繰り返す必要があります。この切り替えをどれくらいの頻度で行えばいいのか?を目標からの差や上昇・下降カーブを自動で見極めて実行する技術がPID制御です。ここでは単純に出力の大きな(小さな)ヒーターに交換することをイメージしてください。

 

一方で温度が下がる速度(降温速度)は外気温との温度差に依存するため制御できません。

降温速度があまりに早いとアンダーシュートが大きく、ON・OFFサイクルも早くなってしまいます。さらに温度の平均値が設定値に比べて低くなってしまいます。

PID制御を使えばあっという間にオーバーシュート、アンダーシュート、サイクルおよび平均値のズレが改善できますが、その前にON・OFF制御でこれらの問題を解決する方法についてみていきます。

 

温度の上昇速度はヒータ出力で制御できるが、温度の下がる速度は外気温との差に依存する。
図4 昇温と降温の違い

◆二重化でON・OFF制御を改善しよう。

降温速度を遅くするために図5のようにヒーターの外側にもう一つ、予熱ヒーターを設けてみましょう。

予熱ヒーターで150℃程度になるよう常に加熱させて、目標の200度までの差、50℃をメインヒーターで昇温します。こうすることでメインヒーターと予熱ヒーターとの温度差は50℃になり、図6に示すように降温速度を遅くすることができます。

 

その結果、メリットデメリットをまとめます。

メリット

・メインヒーターの出力を押さえることができる。

 =昇温が緩やかになる。

・外気温との差が小さくなる。(50℃)

 =降温が緩やかになる。

 

デメリット

 ・ヒーター2台となるため高コスト。

 ・スペースが大きくなる。

 ・保全要因が増える。

 ・消費電力が増える。

 

デメリットを避けて、多少精度が落ちてもON・OFFでやりたい場合、断熱材を巻いて保温をしましょう。

長くなってしまいましたのでPID制御については次回とします。

 

メインのヒーターの外側に予熱ヒータを設けた図です。
図5 予熱ヒーター付き

150℃までよねつされた状態であれば、昇温速度も降温速度も遅くすることができる。
図6 150℃まで予熱ありの昇温・降温グラフ

次回はPID制御について解説します。

前回はアナログ信号変換について解説しています。

 

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