複雑な制御システムの深層解明（下）

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複合制御システムには、シリアル制御システム、均一制御システム、比率制御システム、ステップ制御システム、自動選択制御システム、フィードフォワード制御システム、および3インパルス制御システムなどが含まれる。前編および中編では、カスケード制御システム、均一制御システム、比率制御システム、分割範囲制御システム、自動選択制御システムについてそれぞれ紹介しました。本篇では、フィードフォワード制御システムと三要素制御システムについて紹介する。6）フィードフォワード制御システム：フィードフォワード制御システムとフィードバック制御システムの違いは、外乱が発生した際、フィードバック制御システムは測定値と設定値との偏差に基づいて調整を行う点である；一方、フィードフォワード制御系は、外乱の大きさに応じて調整される。フィードバック制御システムでは、測定対象パラメータに偏差が生じた後に、調節器が調節パラメータを調整し、外乱が調節対象パラメータに与える影響を克服しなければならない。しかし、いくつかの工程においては遅れが生じることがあり、外乱が発生した後でも制御対象のパラメータが変化するには一定の時間を要する。この間、調節器は調整を行わず、外乱の影響に遅れてしまうのである。フィードフォワード制御システムを採用すると、外乱が発生した際、制御対象のパラメータがまだ変化する前に、トランスミッタがその外乱の大きさを検出し、調整器がすぐに調整を行います。このような迅速かつ適切な調整により、制御対象のパラメータは外乱の影響で偏差を生じることがありません。実際のプロセス制御の応用において、単純なフィードフォワード制御システムだけで制御対象パラメータを調整することはほとんどない。一般的には、具体的な制御対象に応じてフィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせたり、比率制御とフィードフォワード制御を組み合わせたりする方式が採用される。以下に紹介する三インパルス制御システムは、フィードフォワード制御とカスケード制御ループを組み合わせた例である。7）三衝量制御システム：三衝量制御システムの最も典型的な用途はボイラーの給水システムであり、ボイラーのドラム内の液面は蒸気負荷の増減などの要因によって変化する。蒸気負荷が突然大幅に増加すると、ボイラードラム内の蒸気圧力が瞬間的に低下するため、水の沸騰が激しくなり、気泡の量が急速に増加する。気泡は水の表面だけでなく水面下にも発生し、気泡の体積は水の体積よりもはるかに大きいため、結果としてボイラードラム内の液面が上昇する現象が生じる。このように上昇した液面は、ボイラー内の液体量の実際の状況を表していないため、「偽液面」と呼ばれます。3衝量制御システムを導入しない場合、液面コントローラーは誤った信号を送信し、給水弁を絞ってしまう。その結果、実際の液面はさらに下がり、ドラム内の水の沸騰が激しくなり、気泡の量もさらに急激に増加する。これにより、ボイラーが爆発する危険性が生じる。三衝量制御システムは、ボイラーのドラムの液面制御のために考案された方式であり、給水流量パラメータと蒸気出力流量パラメータ、およびドラム液面という制御変数を導入しています。これらを演算器で処理し、得られた値が給水流量のサブループ制御器の設定値となり、最終的にドラム液面、給水流量、蒸気流量のバランスが実現されます。蒸気流量はフィードフォワード信号として給水流量のサブループ制御回路に与えられ、これは実際にはフィードフォワード＋カスケード制御回路である。上で述べたのは、三インパルス制御システムの一例に過ぎません。実際の運用においては、さまざまな工程要件に応じて、異なる三インパルス制御方式が存在します。また、単インパルス制御や二インパルス制御もあります。必要に応じて適切な制御方式を選定する必要があります。