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自動制御 じどうせいぎょ automatic control

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ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

自動制御
じどうせいぎょ
automatic control

目的に適合するように,対象に所要の操作を加えることを,機械装置・電子装置によって自動的に行わせること。自動制御には,必ず出力量を検出して目標と比較するためのフィードバック操作がなされており,フィードバック制御と呼ばれている。

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デジタル大辞泉の解説

じどう‐せいぎょ【自動制御】

機械や設備で温度・電流・回転速度などを目標値に等しくなるように自動的に制御すること。また、その機構。

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百科事典マイペディアの解説

自動制御【じどうせいぎょ】

各種の機械,装置などに目的とする動作,状態をとらせるため,所要の操作を加えることを制御といい,制御が自動的に行われるものを自動制御という。制御の対象となるのは,位置,角度,速度,回転数,圧力,電圧,電流,水位,流量,温度,粘度などあらゆる測定可能な量である。
→関連項目応用物理学工業計測数値制御工作機械フィードバック

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世界大百科事典 第2版の解説

じどうせいぎょ【自動制御 automatic control】

ある目的に適合するよう対象となっているものに所要の操作を加えることを制御という。この操作を人間の判断によって行うとき手動制御manual controlといい,制御装置が自動的に判断して操作を行うとき自動制御という。冷蔵庫内の温度は自動的に一定の温度に保たれている。また,家庭にある全自動洗濯機は,給水―洗濯―排水―給水―すすぎ―排水―給水―すすぎ―排水―脱水を自動的に行う。いずれも自動制御の例である。

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大辞林 第三版の解説

じどうせいぎょ【自動制御】

種々の機械装置やプラントの運転・操作を機械を用いて自動的に行うこと。オートメーション。

出典|三省堂
(C) Sanseido Co.,Ltd. 編者:松村明 編 発行者:株式会社 三省堂 ※ 書籍版『大辞林第三版』の図表・付録は収録させておりません。 ※ それぞれの用語は執筆時点での最新のもので、常に最新の内容であることを保証するものではありません。

日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

自動制御
じどうせいぎょ
automatic control

制御とは対象の状態や挙動を望ましい状況になるように操作することである。このような操作を人の手を介さずに機械や装置が自律的に実行することを自動制御という。[山弘郎]

身近な自動制御技術

どのような状況が望ましいか、制御の目標は通常は人から与えられるが、制御を実行するシステムが階層構造をもつ場合、より上位のシステムから目標を与えられることが多い。
 制御の対象として、自然環境や人の行動、あるいは無形の情報などまで考えられるが、ここでは、工学技術としての内容を重視し、形のある人工物を対象とする。その場合、制御の目的は対象の望ましい状況を維持し、それを妨げる外乱を抑制することと、変化する目標を忠実に追従することとに大別できる。われわれの身近な例をあげれば、前者は部屋のルームエアコンの自動温度制御である。後者はカメラのオートフォーカスであり、撮影対象が移動しても画像のピントがあうようにレンズが操作される。これらの例において、自動制御を実行するシステムの基本的な機能を説明しよう。
 まず、目標の望ましい状況を特徴づけるパラメーターが定められ、それを自動制御の目標として設定する機能がある。ルームエアコンでは望ましい状況は通常は部屋の温度で特徴づけられる。カメラでは画像のコントラストを撮影対象のピントがあっている程度の特徴として利用する。すなわち、コントラストが最大の状態をピントがあった状態とみなす。次に対象の状況を計測する機能がある。ルームエアコンでは温度センサーにより室温を計測するし、カメラでは画像センサーのコントラストを定量化する。さらに、目標の状態と対象の計測値とを比較して偏差を求める。さらに、偏差を最小になるように制御信号を発生して対象を操作する機能がなければならない。ルームエアコンでは加熱あるいは冷却の指令を発信して室温を操作するし、カメラではレンズ系を操作してコントラストが最大になるようにする。
 これらの基本的な機能がつねに連携して動作することにより、室内が目標温度に保持され外乱が抑制され、また、撮影対象の動きにレンズ系が追従する。これらの例では、操作の結果が計測を通して偏差としてフィードバックすることが特徴であるので、フィードバック制御という。
 このほかに、フィードバック制御と異質の自動制御がある。それは複数の異なる状態があるとき、それらがあらかじめ定められた順序と条件に従い、正しく実現するように状態の推移を自動操作することである。これをシーケンス制御という。身近な例をあげると、電気洗濯機がある。洗濯物と洗剤を入れ、スタートのボタンを押せば、給水、洗い、排水、給水、すすぎ、排水、脱水、乾燥までを順次自動的に実行する。これも対象の装置の状態を望ましい状況で自動的に実現することであるから、自動制御であることに変わりはない。しかし、技術の発達の過程や応用の場面は異なる。現在の社会では、自動制御技術を利用した自動化システムはわれわれの生活とは密接な関係がある。このなかで、フィードバック制御とシーケンス制御は適切に組み合わされて、それぞれ重要な役割を果たしている。[山弘郎]

自動制御の歴史

歴史的にはシーケンス制御の方が古い。からくり人形や自動演奏の楽器などに、その技術の萌芽(ほうが)をみいだすことができる。オルゴールや複雑な柄(がら)をつくりだす自動織機などでは、曲や柄を実現する機械の操作プログラムがドラムやディスクの面上に時間の順序に従い正確に記述されており、プログラムの変更により機械の機能を変更することができた。実際、ジョゼフ・マリー・ジャカールの織機のパンチカードシステムは後の計算機のパンチカードシステムの先駆となった。
 フィードバック制御の起源をたどると、19世紀の産業革命を推進した蒸気機関の回転数を安定化させる調速機governorに至る。ジェームズ・ワットが発明したとされる遠心調速機(1787)は回転軸に取り付けたおもりに働く遠心力を利用して回転数を検出し、遠心力を利用して蒸気流量を調整して回転速度を安定化する原理であった。しかし、しばしば回転速度が安定せず振動を生じた。この問題の解決がフィードバック制御技術の系統的記述や安定性の理論の先駆けとなり、制御工学の発展につながった。その後、20世紀に入り、真空管増幅器の発明や負帰還増幅器の安定性の解明、伝達関数によるシステム特性の記述などから、1入力1出力のフィードバック制御系の動特性や安定性を定式化する古典制御理論が構築された。
 応用面においてもプロセスの定値制御による外乱の抑制が普及し自動化が進んだ。第二次世界大戦中に威力を増した航空機対策から火器の自動追尾装置の開発が始まり、フィードバック制御の別の局面であるサーボ制御による目標追従技術が発達した。
 日本においては、第二次世界大戦後、素材エネルギー産業からプロセス制御技術が導入され、経済の高度成長にのって産業に広く浸透した。アメリカではノーバート・ウィーナーが物質、エネルギーと並ぶ要素として情報をとりあげ、機械と生体と社会にまたがる制御と通信の理論であるサイバネティックスを提案した。そのなかで、フィードバック制御の概念が工学技術の世界だけでなく、広く生体や社会にまで普遍的に存在することを情報の基本構造として明らかにした。
 1960年代から多変数多入力の状態を状態空間で扱う現代制御理論が発展した。制御の対象をモデル化できれば、理論によって最適で精緻(せいち)な制御を実現する制御システム構築が可能であり、それが多変数多入力、多出力の系にも応用可能である。しかし、現実の系では正確なモデル化が問題で、ただちに広く応用されることはなかった。現代制御理論は古典理論に比べて抽象化や拡張が容易であったので、制御対象を一般的なシステムに拡張したシステム理論にも発展した。
 一方、対象を厳密にモデル化せずに試行錯誤により最適な制御システムを構築しようという流れがある。それはニューラルネットワーク手法や生物の突然変異による進化をモデルにした遺伝アルゴリズムなどの接近法である。これらは発達したコンピュータの処理能力を活用して成果をあげている。しかし、到達した最適条件が局所最適で、全体最適ではないことが問題になる場合がある。[山弘郎]

自動制御技術の展開と融合

自動制御技術の源流においてシーケンス制御とフィードバック制御技術があることを述べた。当初は二つの技術はそれぞれ異なる分野で発展を遂げたが、応用範囲が拡大されるにしたがい、両者が一つのシステムのなかで密接に組み合わされたり、技術が融合する傾向がみられる。これらについて現代に至る発展と技術の融合の状況を述べる。
 シーケンス制御を実現するコントローラーはリレーやタイマーなどを結線した構造であったが、プログラムをソフトウェアとして記述し、それを順次実行する順序機械であるコンピュータによってシーケンスコントローラーが代替されるのは必然であった。1970年代にマイクロプロセッサーが開発されるにおよび、マイクロコンピュータによるシーケンスコントローラーの代替が実現した。
 本来シーケンス制御は、発信された制御信号の結果が発信側にフィードバックされない開ループ制御であるが、シーケンスの進行が時間による場合と論理による場合とがあり、後者の場合に制御信号の結果が反映する場合には閉ループ制御となり、開ループと閉ループとの明確な境界は消滅する。また、プロセスにおけるフィードバック制御において定値制御が実施される前後のプロセスの起動の段階や停止の段階においては、多数の段階を正しい順序で実行する必要があるので当然シーケンス制御となる。人が行っていたプロセスの起動停止を自動化するに及び、フィードバック制御とシーケンス制御がプロセス制御システムにおいて融合した。また、知能化ロボットの制御は実行する仕事の手順に従うシーケンス制御であるが、個々の動作は正確かつ迅速に実行されるようにフィードバック制御されている。
 自動制御技術は産業における生産の場から社会生活のあらゆる局面に拡大されつつある。交通システムにおける拡大がとくに顕著である。身近な例では、ビルのエレベーターがある。エレベーターは、ほとんど自動運行されており、ビルの高層化によりエレベーターも高速化されたが、加速、減速がスムーズで利用者は加速度を感じなくなった。また、複数のエレベーターの群管理による制御が進んだおかげで待ち時間が減少した。旅客機や客船の運航もオートパイロットの発達で上空や外洋では航路、方位、速度、高度などが自動的に制御され、パイロットは装置の監視と異常の処理が主たる作業となる。
 先端的な科学研究の場においても、自動化が進んでいる。膨大なヒトゲノムの解析は2000年に計画より早く終了した。これを実現したのは、試料の操作が自動化され、解析の処理速度が非常に高められたDNAシーケンサーとよばれるシーケンス制御装置兼分析装置であった。[山弘郎]

社会的影響

産業に自動化が導入されるときに、最初に問題となるのは失業問題であった。自動車産業にロボット(産業用ロボット)が導入されたのはアメリカが早かったが、導入数は限られていた。日本は少し遅れたが、はるかに多くのロボットが導入された。とくにボディー組立ての溶接工程や塗装の工程ではほぼ全面的であった。しかし、雇用確保を重視する日本企業のやり方で深刻な失業問題を回避できたのである。むしろ労働環境がよくない溶接や塗装の工程では、作業者の苦痛や危険を除くことができた。一方では多数のロボットや自動化機械を管理し、保守する新しい業務が生じた。
 電子機器産業においても自動化により多くの人手が削減された。小型化、細密化された製品群は自動化組立てを前提に設計されている。そのような自動化の発展過程のなかで、生産技術や調整技術など、従来製品の品質を左右する重要なスキルやノウハウが、自動化された生産装置のなかに自動制御の知能として埋め込まれることになった。その結果、生産装置を購入したライバルや外国に対して品質の優位性を保つことが困難になってきた。メモリーLSI(大規模集積回路)や液晶ディスプレーなど、日本で開発された商品が短期間に外国に市場を奪われた例である。この傾向は深刻で、先端技術で製造の自動化が進んだ新しい製品ほど、先駆者の優位性を保持できる期間が短い。
 プロセス産業は人の直接作業がもっとも減少した産業である。定値制御が普及した後も、起動や停止は人が行っていたが、これも自動制御の総合化により自動化に移行した。したがって、工場で人が従事するのはプロセスと自動制御装置の監視作業である。常時工程を監視し、もし異常が発生すれば、ただちに適切な処理を行わなければならない。この種の作業は肉体的負担は少ないけれども、精神的にはストレスの多い作業である。また、めったにおきない異常の処理技術を正しく伝承するのは困難なため、小さな故障の処理を誤って大きな事故にしてしまう例が少なくない。自動制御システムは監視するオペレーターとのコミュニケーション、とくに異常時のコミュニケーションが課題である。
 前述のように失業問題は技術の進歩により吸収され深刻にならなかった。しかし、肉体労働から解放されたかわりに人間の労働の形が変化し、精神的なストレスを引き受けなければならなくなった。[山弘郎]
『計測自動制御学会編『自動制御ハンドブック 基礎編』『自動制御ハンドブック 機器・応用編』(1983・オーム社) ▽岩井壮介著『制御工学基礎論』(1991・昭晃堂) ▽大島康次郎著『機械工学講座 自動制御』(1999・共立出版) ▽松山裕著『自動制御のおはなし』(1999・日本規格協会) ▽鈴木隆著『自動制御の基礎と演習』(2003・山海堂) ▽寺嶋一彦編著、片山登揚他著『システム制御工学 基礎編』(2003・朝倉書店) ▽臼田昭司著『読むだけで力がつく自動制御再入門』(2004・日刊工業新聞社)』

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世界大百科事典内の自動制御の言及

【オートメーション】より

…19世紀末から20世紀初めにかけて各産業分野で成立してゆく大量生産工場は,製鋼や化学などいわゆる装置産業でも,自動車や家庭電器など組立機械産業でも,ほぼこの産業革命期の綿紡績工場と同じように組織されていた。このような工場がオートマトンのようになってゆく方向は,(1)それぞれの専用作業機(または装置)がそれを操作する労働者の手からはなれ,自立した動きを獲得すること(自動制御),(2)作業機から作業機への加工対象の移動を機械自身が行ってしまうこと(工程の連続化),という二つの動きの組合せをとおして実現されることになる。1930年代後半ころから登場するようになった,自動車のエンジン・ブロック加工のためのトランスファーマシンや,計装制御をフルに用いた化学工場や発電所などは,まさしくこのような形で工程自体が自律的な動きを獲得し,人間は制御者の位置から監視者の位置へ退く,画期的な工場という印象を与えるものであった。…

【計算制御】より

…対象の挙動が望ましいものとなるように,その入力を操作することを制御といい,その対象を制御対象という。人間の介在しない制御を自動制御,自動制御を行う装置を制御装置,制御対象と制御装置からなる全体を制御系と呼ぶ。制御装置がディジタルコンピューターを含み,それがもつ情報の獲得,蓄積,検索,変換,処理の能力を制御に利用するものを計算(機)制御という。…

【情報科学】より

…これは機関の回転速度が速くなるとその遠心力を利用して振子を振って蒸気弁の開閉を調整し,運転速度がいつも一定に保たれるように自動調整するものである。今日の高度に発展した自動制御系の原形がすでにここにみられる。自動制御の理論は1920年代に数学的に整備され始める。…

【適応制御】より

…自動制御の一つ。自動制御において,制御される対象物(制御対象とかプラントという)の運動特性は微分方程式とか伝達関数で表される。…

【プロセス制御】より

…プロセス制御という言菓は,かつて,製鉄,石油,化学などのプロセス産業において,生産・用役プラントでの温度,圧力,濃度などのプロセス変量の自動制御を指す言葉であった。情報技術の発展により,制御対象はプロセス変量から製品の品質と量を含むプラント全体に,さらには工場全体に拡大した。…

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