化学のプロセスでは、製品の品質安定のために、 タンク内やパイプ内の 温度・圧力・液面・流量・組成（濃度）などのプロセス変量を、自動制御することがあります 1 ) 。 プロセス制御 と言います。 PID制御 （比例積分微分制御）は、もっともよくつかわれるフィードバック制御です。
フィードバック制御では、 過渡応答 の入力として ステップ入力、インパルス入力、ランプ入力が、よく使われます。 また系のモデルとしては、１次遅れ系や ２次遅れ系が、よく疲れます。
それらの系は、時定数、減衰係数（ダンピングファクター）などで特徴づけられます。 とくに１次遅れ系の時定数は、非常によく使われます。
PID制御された 系が 2次遅れ系と仮定できるとき、 ステップ入力、インパルス入力、ランプ入力からひとつ選んで、 その入力波形と、 その過渡応答 の応答波形（出力波形）を図示（板書）してみましょう。
エアコン（温度）、給湯器（温度）冷蔵庫（温度）、扇風機（流量）など、日常生活で、自動制御が応用されている例をあげ、 過渡応答がどのようになっているか調べてみましょう。 たとえばエアコンなら、温度設定から室温が安定するまで、どれぐらいの時間か、安定性はどうか、誤差はどれくらなどかを調べてみましょう。
また温度・圧力・液面・流量・組成などを、自動制御することについて、人が手作業で制御することと比べて メリット、コスト、リスクなどの視点から、製品の品質にどうつながるか議論しましょう。
| 種類 | 分野 | 計測と制御 |
|---|---|---|
| プロセスオートメーション | 石油精製、化学、 製紙、 製鉄、冶金 | 温度、 圧力、 流量、 液位（ 液面）、 成分濃度 |
| メカニカルオートメーション | 物品（ 自動車、 半導体など）の加工、組み立て、ハンドリング、輸送、包装、貯蔵 | 位置、形状、寸法、姿勢、 画像 |
| オフィスオートメーション | 会計、簿記、統計、伝票処理 | 文字、 数字 |
温度 、 圧力 、 流量 、液位 （ 液面）、 組成 （成分、濃度） は、プロセス変量（プロセス変数）と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。
| 装置 | 手動制御 | 自動制御 | ||
|---|---|---|---|---|
| アナログ制御 | デジタル制御 | |||
| 制御 | コントローラ | 頭脳。 温度計 を見て操作を判断。 | 電子回路、オペアンプ | コンピュータ |
| 判断ミス | 制御不能（暴走） | 論理ミス（バグ） | ||
| 計測 | センサー | 温度計 を見る。 | 温度センサー | ＡＤ変換 |
| 誤差 | 個人的誤差、読み取りミス | 精確さ | 分解能 | |
| 操作 | アクチュエータ | ヒーターのつまみやスイッチを手で操作。 | ヒーター | ＤＡ変換 ＩｏＴ |
| 誤差 | 個人的誤差、操作ミス | 精確さ | 分解能 | |
| 安定性と外乱 | 人間の反射神経 | 制御系の過渡応答 | 計算速度 | |
| 原価 3 ) | 人件費 | 設備費（固定費）光熱費（変動費） | 通信費（変動費） | |
| 名称 | 特徴 | |
|---|---|---|
| PID制御 * | 1次遅れ系とステップ応答 エアコンの温度制御や自動車の速度制御（クルージング）に使われます。 | |
| ON-OFF制御 | オンオフ動作とも言います。 電気ポット、低温調理器、冷蔵庫など家電製品にもよく使われます。 | |
| P制御 | 比例動作とも言います。 偏差（オフセット）が残る欠点があります。 | |
| I制御 | 積分動作とも言います。 偏差が残りません。 P制御とI制御を組み合わせた制御をPI制御と言います。 | |
| D制御 | 微分動作とも言います。単独で使われることはないが、制御動作を早めるので P制御やPI制御と組み合わせてPD制御やPID制御として使います。 PID制御は、もっとも使われる制御です。 | |
| スイッチング制御 | デジタル制御です。オンオフ制御とも言えますが、パルスのデューティを変える PWMを ＤＡ変換とすることで、PID制御をデジタル的に実現できます。 トランジスタやサイリスタ、パワーMOSFET、IGBTなどの半導体スイッチで急速に普及しました。 |
温度、圧力、流量、液位、濃度などをプロセス変量と言います。 4 )
設定値（目標値）と計測値の偏差をもとに、プラントを操作することを、制御と言います。 目標の値に保ちたいプロセス変量を制御量といい、それを支配する量を操作量と言います 5 ) 。
制御信号を表現した図をブロック図（ブロックダイアグラム）と言います。センサーの出力を、比較に戻すことを フィードバック 6 ) と言います。フィードバックに基づく制御をフィードバック制御と言います。これに対してフィードバックを行わない制御は、 シーケンス制御と言います。 コンピュータを使った高度な制御は、現代制御（多変数制御）と言います。
アナログ制御ではなく、 センサーの出力をＡＤ変換し、マイコンで比較計算して、パルスでデジタル制御します。
*ワークショップを楽しみましょう 7 ) 。 グループ人数は、5〜6名とします。 7名を超えないようにしてください。
初対面の場合は、自己紹介をしましょう。 雑談をして、アイスブレイクしましょう。
リーダー（司会進行）を決めてください。 そのほかのメンバーの 役割（記録係、資料作成係、プレゼンター（ 登壇者））を決めてください。
グループ名を決めてください。
記録係は、試験答案用紙表面の最上部に、授業科目名、グループ名を記入してください。 メンバーは、記録係に従い、学籍番号、氏名、役割を直筆署名してください。 その際、 筆頭著者を登壇者の氏名の前に〇をつけてください。
討論を開始したら、記録係は討論の内容を裏面に記録してください。
討論がまとまったら、資料作成係は、試験答案用紙表面に グラフィカルアブストラクト に表現してください。
グラフィカルアブストラクトを撮影し、WebClassにアップロードしておくと復習に便利です。
登壇者は、プレゼンテーションのイメージをしましょう 8 ) 。 メラビアンの法則を意識して、 非言語表現も工夫しましょう 9 ) 。
グループ名が指名された後で、じゃんけんなどで登壇者を決めるのは、授業進行の妨げとなりますので、 必ず、討論前に 登壇者を決めてください。
記名だけして、討論に参加しない場合、不正行為として扱うことがありますので、必ず討論に参加してください。 自分から参加できなそうな人には、積極的に声がけをお願いします。 期末の 成績評価申請 時に、グループ名やメンバー、討論の内容を思い出せるよう、答案用紙を撮影することを推奨します。
ランダムにグループを指名し、壇上で、 プレゼンテーションしてもらいます 10 ) 。 質疑応答の際も、グループを指名しますので、指名されたグループのプレゼンターが質問、コメント、アドバイスをしてください。 ディベートとしての反対意見は、大歓迎です。
資料作成係は、討論の内容をポスターとして、試験答案用紙の裏面にまとめてください。 資料作成係に従って、他のメンバーが代筆してもかまいません。
*平常演習の配点は、授業1回ごとに、一律加点です。 平常演習には、ワークショップ、意見交換、発表、質疑応答など授業時間内の学習活動を含みます。 そのほかに授業時間外の0.5時間の学習活動を含みます。 平常点は、学期末に WebClass の 成績評価申請書 に申告していただき集計します。
授業時間外の活動の一助としてWebClassへの提出を推奨します。〆切は講義後１週間です。 ただし平常点の加点は、授業時間内の学習活動も含みます。 WebClass への提出のみでの、平常点の申告はご遠慮ください。
WebClass への平常演習提出は、推奨しますが、必須ではありません。 提出されていなくとも、 成績評価申請書 に、各回の授業時間以外の0.5時間の取り組みが申告されれば十分です。未提出だからと心配することはありません。
成績評価申請書 では、それぞれの授業で何を学び身につけたかを申告してもらいます。 WebClass に提出したかどうかより、身につけることを優先してください。 授業で取り上げたトピックや、グループワークの意見交換の内容は、期末までノート 11 ) などに記録しておくことを推奨します。 逆に授業に参加していないのに、WebClassの出席や提出だけの場合は不正行為として扱うことがあります。 平常の取り組みだけで、「到達目標を最低限達成している。成績区分：C」となります。 評点が60点に満たない場合は、不合格となります。 欠席した場合、課外報告書へ取り組むことで挽回してください。 出席が60%に満たない場合、課外報告書を提出しても、単位認定できません。
２０２４年１月２１日 松木健三名誉教授がご逝去されました。
