制御工学

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制御工学

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/04/16 06:32 UTC 版)

制御工学（せいぎょこうがく、英：control engineering）とは、入力および出力を持つシステムにおいて、その（状態変数ないし）出力を自由に制御する方法全般にかかわる学問分野を指す。^[1][2]主にフィードバック制御を対象にした工学である。

大別すると、制御工学は、数理モデルに対して主に数学を応用する制御理論と、それを実モデルに適用していく制御応用とからなる。応用分野は機械系、電気系、化学プロセスが中心であるが、ものを操ることに関する問題が含まれれば制御工学の対象となるため、広範な分野と関連がある。

制御理論

制御理論は数理モデルを対象とした、主に数学を用いた制御に関係する理論である。^[3] いずれの理論もモデルの表現方法、解析手法（安定性など）、制御系設計方法の三本柱を与える。

多数の制御理論が提唱されているが、主なものは「古典制御論」と「現代制御論」（英: Modern control theory^[4]）の2つであり、この他には「ポスト現代制御論」、「知的制御」（英: Intelligent control^[5][6]）がある。

古典制御論は伝達関数と呼ばれる線型の入出力システムとして表された制御対象を中心に、周波数応答などを評価して望みの挙動を達成することを目的とした理論である。一方、現代制御論は状態方程式と呼ばれる一階の常微分方程式として表現された制御対象に対して、種々の数学的な知見を応用して、安定性、時間応答や周波数応答などを評価して望みの挙動を達成することを目的とする理論である。

詳細は下記を参照されたい。

• 制御理論
  • 古典制御論
  • 現代制御論
    • 線型システム論^[7]
    • 最適制御理論^[8][9][10]
  • ポスト現代制御論
    • H^∞制御理論
    • 有限時間整定制御^[11]
    • 非線型システム論^[12]
    • 適応制御^[13][14][15]
    • ハイブリッドシステム
    • モデル予測制御
  • 知的制御
    • ファジィ制御^[16][17][18]
    • ニューラルネットワーク制御^[19]
    • 遺伝的アルゴリズム、エキスパートシステム

歴史

制御工学は以下のような出来事を経て発展した^[20][21]。

• 1788年、ジェームズ・ワットが蒸気機関の回転速度を調整するのに遠心調速機を使用したのが自動制御の始まりと言われる。
• 古典制御 (19世紀～1960）
  • 1868年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによってハンチング現象の理論的解明が行われ、フィードバック制御の安定性問題が考えられていった。
  • エドワード・ラウス (1877)とアドルフ・フルヴィッツ (1895)により、フィードバック制御の安定性問題の解決が与えられた（ラウス・フルビッツの安定判別法）。
  • 20世紀になると産業が発展し自動化に対する要求が高まっていった。そのため、個々の分野で使われてきたフィードバック制御を共通の概念で説明しようとする機運が高まった。
  • 1932年、ハリー・ナイキストの再生理論によって、フィードバック増幅器の安定判別法が与えられた。これはラウス・フルビッツの方法とは異なり周波数特性に基づいている。
  • ヘンドリック W. ボード（英語: Hendrik Wade Bode）はこの周波数特性に基づいた方法を継承し、設計法にまで発展させた。
  • 1950年代後半以降、より大規模・複雑なシステムが制御の対象となり、また制御目的が多様化した。たとえば、定常状態における最適点を逐次探索保持する最適化制御が数理計画法と結びついて発展した。
  • レフ・ポントリャーギンの最大原理 (1956) とリチャード・E・ベルマンの動的計画法 (1956) を基礎に、動的な最適軌道を計算する最適制御理論が構築された。これはロケットの誘導などに用いられる。
• 現代制御 (1960～1980)
  • 1960年代、ルドルフ・カルマンにより、伝達関数による記述からより一般的な状態方程式にもとづく現代制御理論が提案され、線形システム論・多変数制御理論が体系化された。
• ポスト現代制御 (1980～2000)
• 非線形制御 (2000～)

分類

制御系には様々な分類がある^[20]。

• 自力制御 と 他力制御：操作量を発生させるために必要なエネルギーを制御対象から得るか、補助エネルギー源から得るかによる。
• 工業的応用分野

  自動調整

  被制御量を一定に保つこと（定値制御）を目的とする。

  サーボ機構

  被制御量を、目標値の任意の変化に追従させること（追値制御、追従制御または自動追尾）を目的とする。

  プロセス制御

  定値制御、または複数の被制御量の比率を一定に保つこと（比率制御）を目的とする。

• 連続制御 と サンプル値制御:サンプル値制御においてはz変換などが用いられる。
• 最適化制御 と 最適制御

  最適化制御

  系の定常状態を、最適な（効率や収益が最大化される）状態に保持する制御。手法としては最大傾斜法、頂点保持法など。

  最適制御

  動的最適化のための制御。手法としては最大原理や動的計画法など。

脚注

1. ^ Ogata, K., & Yang, Y. (2002). Modern control engineering (Vol. 4). India: Prentice hall.
2. ^ Nise, N. S. (2020). Control systems engineering. John Wiley & Sons.
3. ^ Zabczyk, J. Mathematical Control Theory: An Introduction. Boston, MA: Birkhäuser, 1993.
4. ^ Brogan, W. L. (1991). Modern control theory. Pearson education India.
5. ^ Behera, L., & Kar, I. (2010). Intelligent systems and control principles and applications. Oxford University Press, Inc..
6. ^ Szederkényi, G., Lakner, R., & Gerzson, M. (2006). Intelligent control systems: an introduction with examples (Vol. 60). Springer Science & Business Media.
7. ^ Zadeh, L., & Desoer, C. (2008). Linear system theory: the state space approach. Courier Dover Publications.
8. ^ Kirk, D. E. (2004). Optimal control theory: an introduction. Courier Corporation.
9. ^ Lee, E. B., & Markus, L. (1967). Foundations of optimal control theory. Minnesota Univ Minneapolis Center For Control Sciences.
10. ^ "Optimal control". Scholarpedia.
11. ^ 新誠一. (1999). 有限時間整定制御と制御理論. 計測と制御, 38(9), 537-540.
12. ^ Rugh, W. J. (1981). Nonlinear system theory (pp. 12-90). Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press.
13. ^ Åström, K. J., & Wittenmark, B. (2013). Adaptive control. Courier Corporation.
14. ^ Sastry, S., & Bodson, M. (2011). Adaptive control: stability, convergence and robustness. Courier Corporation.
15. ^ Landau, I. D., Lozano, R., M'Saad, M., & Karimi, A. (2011). Adaptive control: algorithms, analysis and applications. Springer Science & Business Media.
16. ^ Passino, K. M., Yurkovich, S., & Reinfrank, M. (1998). Fuzzy control (Vol. 42, pp. 15-21). Menlo Park, CA: Addison-wesley.
17. ^ Driankov, D., Hellendoorn, H., & Reinfrank, M. (2013). An introduction to fuzzy control. Springer Science & Business Media.
18. ^ "Fuzzy control". Scholarpedia.
19. ^ Miller, W. T., Werbos, P. J., & Sutton, R. S. (Eds.). (1995). Neural networks for control. MIT press.
20. ^ ^{a b} 伊藤正美『自動制御』丸善、1981年、3-8頁。ISBN 4-621-02534-1。 
21. ^ 足立修一『制御工学の基礎』東京電機大学出版局、2016年、110, 214頁。ISBN 978-4-501-11750-4。 

関連項目

ウィキブックスに制御システム関連の解説書・教科書があります。

• 制御理論
  • 関数解析学（ラプラス変換、デルタ関数、Z変換）、線型代数学（行列）、力学系、計算機科学、最適化問題、微分幾何学、状態空間
• 制御応用
  • 化学工学、機械工学、電子工学、電気工学、電力工学、経営システム工学、メカトロニクス、ロボット工学、計測工学、電気計測工学、航空工学、船舶工学、システム工学、プロセスシステム工学、情報システム工学、情報工学、システム同定

制御応用の用語

• サーボ系
• ロボット
• デジタル制御工学
• シーケンス制御
• プロセス制御

制御工学の用語

• ボード線図
• ナイキスト線図（ベクトル軌跡）
• ニコルス線図

外部リンク

• 『制御工学』 - コトバンク
• 『制御工学チャンネル』

表 話 編 歴 工学・エンジニアリング分野
建設工学	測量学 リモートセンシング（GIS、GPS） 建築工学 土木工学 耐震工学 地震工学 地盤工学(土質力学) 基礎工学 振動環境工学 岩盤工学 土壌汚染学、地下水汚染学 河海工学 河川工学 海岸工学 治水工学 水理学 水資源工学（ダム） 電力土木工学 鉱山学 防災工学 海洋土木工学 水産土木工学 砂防学 土木材料工学 舗装工学 コンクリート工学 構造工学 橋梁工学 港湾工学 空港工学 道路工学 市民工学
海洋工学	津波工学 船舶工学 水産工学 海上交通工学 理論造船学
都市工学	都市環境工学 環境都市工学 都市交通工学 都市鉄道工学 衛生工学(英語) 衛生工学/上水道（供給システム）/下水道（中水道、工業用水道)／水道工学 都市計画学 都市社会工学 建築環境工学‎ 空気調和工学 緑化工学
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医工学	医用工学／医療工学 遺伝子工学 医薬品工学／医薬工学／製薬工学 医用生体工学 メドテック (medtech) ／メディテック (meditech) ／医療IT 神経工学 生命工学 サイボーグ工学
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関連項目	科学/理学 工学者 技術者 技術者不足 レコーディング・エンジニア 機電系 コンピュータ技術者 ITエンジニア システムエンジニア リバースエンジニアリング 失敗学 理工学 家庭理工学
用語集	工学(英語) 航空宇宙工学(英語) 土木工学(英語) 電気電子工学(英語) エレクトロニクス用語一覧 通信用語一覧 機械工学(英語) 構造工学(英語)
工学の一覧 Category:工学 Category:エンジニアリング Category:工学の分野

表 話 編 歴 システム工学
分野	航空宇宙工学 生物学的システム工学（英語版） 構成管理(CM) 地球システム工学マネジメント（英語版） 電気工学 経営システム工学 パフォーマンス・エンジニアリング（英語版） 信頼性工学 安全工学
プロセス	要求工学 機能仕様 システムインテグレーション 検証と妥当性確認(V&V)（英語版） デザイン・レビュー（英語版）
コンセプト	ビジネスプロセス システム システムライフサイクル(英語版) Vモデル システム開発ライフサイクル
手法	意思決定 機能モデリング IDEF 数理最適化 品質機能展開(QFD)（英語版） システムダイナミクス Systems Modeling Language システム解析 システム・モデリング（英語版） Work Breakdown Structure
関連分野	制御工学 計算機工学 インダストリアル・エンジニアリング オペレーションズ・リサーチ プロジェクトマネジメント 品質マネジメント 品質マネジメントシステム リスクマネジメント ソフトウェア工学
関連項目	情報工学 インフォマティクス プロセス (工学) プロセスシステム工学 情報モデル システム・インフォメーション・モデリング(SIM)（英語版） エンタープライズエンジニアリング
システム工学

典拠管理: 国立図書館	ドイツ

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制御工学

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/09/08 08:45 UTC 版)

「電気工学」の記事における「制御工学」の解説

詳細は「制御工学」を参照 制御工学は様々な力学系をモデル化し、システムの振る舞いを望んだ形にするための制御装置の設計を行う。そのような制御装置の実装にあたって、電子回路、デジタル信号処理、マイクロコントローラ、PLCなどを使うこともある。制御工学には、旅客機のフライトシステムから自動車のクルーズコントロールまで、様々な応用がある。また、ファクトリーオートメーションでも重要な役目を果たしている。 制御システムの設計においては、フィードバックを多用する。例えば、クルーズコントロールにおいては自動車の速度を継続的に監視しフィードバックし、それによってエンジンの出力を調整している。制御理論では、あるフィードバックがあったときのシステムの応答を求めることができる。