日本工業出版㈱ web 講座 ゼロから学ぶ PID 制御（④ FF ／ FB 制御）コース 第１回 PID 制御の原理的限界と FF 制御 １．基本コンセプトと位置付け 外乱D 筆者は「広義の PID 制御を駆使すれば『他の制御技 目標値 ＋ SV − PV 術は不要である』と言っても過言ではない」という経 験的持論を持っている。言い換えれば、PID 制御を制御 PIDコントローラ ｅ G（ C s） G（s） D 制御対象 G（s） P − ＋ FB制御の基本：偏差eが発生して、 はじめて修正制御→後追い制御 対象特性や運転上のニーズ・制約条件に適合するように 使いこなせば、高性能プラント制御システムを実現でき 外乱の影響を受け、 偏差eが変化してから修正制御 るということを意味している。この考え方による高性能 FB制御は外乱に弱い 制御システムの制御機能構成を第 1.1 図に示す。これま では「ゼロから学ぶ PID 制御」と題して、PID 制御その ←FB制御の原理的限界 第 1.2 図 FB（Feed Back）制御の原理的限界 ものについて、その生い立ち、実用形態や調整法などを 説明した基礎編、連続系からのディジタル化方法やディ きく受ける、つまり「外乱に弱い」という原理的限界を ジタル化に伴う諸問題とその対応を説明したディジタル 持っている。この原因は FB 制御では外乱 D の影響を受 編および PID 制御の基本機能を高度化した２自由度 PID けて偏差ｅが発生してから、この偏差ｅをゼロにしよう 制御、制御対象特性に適合するように工夫・改良したむ として、はじめて制御動作を開始するためである。つま だ時間補償制御、非線形 PID 制御、非干渉制御などに り、FB 制御の基本は外乱 D が発生すると、その外乱 D ついて説明したアドバンスト PID 編を 51 回わたり説明 の影響を受けて偏差ｅが生じてから修正制御する「後追 してきた。 い制御：結果駆動形制御」であるために、外乱 D の影 響を避けることができない。戦法に例えると、敵（外乱 D） 制御システム P I D 組 合 せ 応 用 個 別 P I D PID制御の限界を 打破する技術 ⑥PID制御応用３ （総合編） ④PID制御応用１ （FF／FB制御） に攻め込まれて、被害（偏差ｅ）が出てから、初めて防 エネルギー多消費型 産業を支える基盤 プロセス制御 戦する専守防衛型戦法に当たる。この戦法では、敵に国 境を越えて攻め込まれて、必ず被害が出ることになって ⑤PID制御応用２ （燃焼制御） しまう。 ３．外乱の影響を抑制するには？ ①ゼロから学ぶPID制御 ②ゼロから学ぶPID制御 ③ゼロから学ぶPID制御 （ディジタル編） （アドバンストPID編） （基礎編） この FB 制御が持っている原理的限界をブレークス 原料 プラント ルーするには、専守防衛型戦法に敵（外乱 D）の情報収 製品 集をして敵の戦力に対応した戦力を準備し、先回りして 第 1.1 図 PID 制御による高性能制御システムの構成 国境で迎え撃つ「敵情報活用待ち伏せ型戦法」を組み合 今回から単一 PID 制御を用いたフィードバック FB せる必要がある。この「敵情報活用待ち伏せ型戦法」が （Feed Back：FB）制御系が持っている外乱の影響を大 FF 制御に当たるものである。 きく受けるという原理的限界をブレークスルーする FF 第 1.3 図に示すように、外乱 D を検知して、外乱 D （Feed Forward）／ FB 制御について、基礎から先端ま がプロセス値 PV に影響を与える前に、先回りして外乱 でとその応用について説明する。 D の影響を打ち消す先回り制御のことを FF 制御（予測 先行制御あるいは原因駆動形制御）と呼んでいる。この ２．PID 制御の原理的限界とは？ FF 制御は外乱 D の変化の大きさから、操作信号 MV を PID 制御はシンプルな構成であるにもかかわらず、多 いくらにすれば、外乱の影響を抑制できるかを予測演算 くの制御対象に対してすぐれた制御性能を発揮する制御 して制御出力を出す機能のみで、偏差ｅをゼロにする機 方式である。しかし、第 1.2 図に示す単一の PID 制御 能を持っていないため、通常 FB 制御とお互いの長所を を用いた FB 制御系は外乱 D（Disturbance）の影響を大 活かすように協調的に組み合せて「FF ／ FB 制御」を構 – 2– 日本工業出版㈱ web 講座 調節弁 CV に印加するように構成されている。 外乱Dがプロセス値PVに影響を与える前に、先回りして、 外乱Ｄの影響を打ち消す先行予測制御機能、つまりFF（Feed Forward）制御を付加する 当然のことながら、FF 制御においては、「量」のみを 合せても、その投入のタイミングが早過ぎたり遅過ぎた FB制御の：原理的限界 目標値 SV りすると、タイミングのズレに起因する影響が現れる。 FB制御 負荷変化などの外乱に弱い 結果を見ての修正制御 FF制御 外乱D したがって、FF 制御の効果を有効に発揮させるには、 ＋ 外乱 D を抑制させるために必要な「量」と「投入タイ ＋ ミング」を合せなければならない。 「量」と「投入タイ 外乱に強くなる MV FB制御とFF制御の組合せ 先行予測制御 ミング」を正確にすれば、するほど、外乱の影響を限り 第 1.3 図 外乱 D の影響を抑制するには？ なくゼロに近づけることができる。 成して対応することになる。 FF 制御と FB 制御が協調し合って制御目的を達成する ことは、人工物においても生物おいても戦争においても ４．FF ／ FB 制御の基本構成 共通した基本的な制御の枠組みとなっている。 以上、FF 制御の必要性と FF ／ FB 制御の構成につい て説明した。ここではもう少しマクロな視点から、第 1.4 ５．FF ／ FB 制御の位置付け 図および第 1.5 図を参照しながら FB 制御系の基本構成 一般に、FF ／ FB 制御は狭義の PID 制御とは区別さ と FF ／ FB 制御系の基本構成の特徴を眺めてみる。第 1.4 れており、産業界では最も多用され、最も効果が大きい 図は単一の PID 制御を用いた FB 制御系の基本構成を示 「アドバンスト（Advanced：先進的）制御」と位置付け す。FB 制御は外部から取り込んでいる情報は制御した られている。しかし、FF ／ FB 制御は狭義の PID 制御 結果であるプロセス値 PV の出口温度のみである。つま に予測先行制御機能を付加して、狭義の PID 制御が外 り、原料流量などのプロセス値 PV に影響与える外乱 D 乱に弱いという原理的限界を打破したものなので、この に関する情報は全く取り込んでいないために、外乱 D コースでは第 1.6 図に示すように PID 制御応用形態の を抑制する対応は全くできないことになる。これに対 １つとしてとらえて「PID 制御の仲間」 、つまり「広義 して、第 1.5 図に示す FF ／ FB 制御系の基本構成では、 の PID 制御」と分類し、取り扱うことにする。 外乱である原料流量を測定して、原料流量が変化したと 分 野 きに燃料流量をいくら変化させると出口温度を目標値に 維持できるかの「燃料量とその投入タイミング」を予測 鉄 鋼 石 油 化 学 紙 パ 食 品 原 電 子 力 力 薬 水上 環 品 道下 境 ＋ 新しいアプローチ（GA、 カオス、 ホロニックなど） ＋ 知識制御 （AI、 ファジィ、 ニューラルネットワーク） 演算して FF 制御信号として出力する機能が付加されて 制 御 シ ス テ ム いる。この FF 制御出力信号と偏差ｅをゼロにする機能 を持っている FB 制御出力信号は双方の長所を活かすよ うに協調的に合成され、操作信号 MV として燃料流量 ＋ 現代制御（H∞制御、 適応制御、 最適レギュレータなど） ＋ その他の古典制御 ＋ 複合制御 ＮＯ． ３ ファンダメンタル：燃焼制御（PID制御の応用） ＮＯ． ２ ファンダメンタル：FF／FB制御（PID制御の応用） 原料 加熱炉 燃料 結果 ＮＯ．１ ファンダメンタル：PID制御 出口温度 原料 CV （燃料流量調節弁） PV フィードバック制御 （FB 制御） 目標値 （結果駆動形制御） メガトレンドの中で、省エネルギーや環境汚染防止を 図りながら、需要変動に対応するフレキシブルプロダク 第 1.4 図 FB 制御系の基本構成 被処理量 加熱炉 フィードフォワード制御 （FF制御） （原因駆動形制御） ［敵情報活用待ち伏せ型 ション（変量・変質・変種生産）の限界を追求する Key Control Technology の１つとして、今後ますます重要視 結果 されて行くものと予測される。 出口温度 燃料 製品 FF ／ FB 制御は生産量の規制緩和や製品在庫量圧縮の SV FB制御 原因 プラント 第 1.6 図 制御システムの制御機能構成 MV 原料 ボ イ ラ CV （燃料流量調節弁） PV MV 協調 戦法 ＜参考文献＞ フィードバック制御 （FB制御） SV ⑴ 広井： 『実用アドバンスト制御とその応用』，工業技術社（2000） 目標値 ⑵ 広井：「プロセス制御を解剖する」（第 18 回），計装，Vol.42， （結果駆動形制御） 専守防衛型］ 工業技術社（1999.12） ⑶ 広井・宮田：『シミュレーションで学ぶ自動制御技術入門』， FF／FB制御 第 1.5 図 FF ／ FB 制御系の基本構成 CQ 出版社（2005.3） – 3–
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