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)
- 現代制御 (1960~1980)
- ポスト現代制御 (1980~2000)
- 非線形制御 (2000~)
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。
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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。