制御ループ

制御ループは、一般的な制御システム、特に産業用制御システムの基本的な構成要素です。制御ループは、プロセスセンサ、コントローラ機能、および測定されたプロセス変数（PV）の値を所望の設定値（SP）の値に自動的に調整するために必要なプロセスを制御する最終制御要素（FCE）で構成されます。

制御ループには、開ループと閉ループという2つの一般的な種類があります。

• 開ループ制御システムでは、コントローラによる制御動作はプロセス変数とは独立しています。その例として、タイマーのみで制御されるセントラルヒーティングボイラーが挙げられます。制御動作はボイラーのオン/オフ切り替えです。プロセス変数は建物の温度です。このコントローラは、建物の温度に関係なく、一定時間暖房システムを稼働させます。
• 閉ループ制御システムでは、コントローラからの制御動作は、目標とするプロセス変数と実際のプロセス変数に依存します。ボイラーの例で言えば、サーモスタットを使用して建物の温度を監視し、コントローラの出力が建物の温度をサーモスタットで設定された温度に近づけるように信号をフィードバックします。閉ループコントローラにはフィードバックループがあり、コントローラがプロセス変数を目標値と同じ値に制御するように制御動作を実行します。このため、閉ループコントローラはフィードバックコントローラとも呼ばれます。^{[ 1 ]}

基本的に、制御ループには2種類あります。開ループ制御（フィードフォワード）と閉ループ制御（フィードバック）です。

• 開ループ制御では、コントローラによる制御動作は「プロセス出力」（または「制御対象プロセス変数」）とは独立しています。その好例が、タイマーのみで制御されるセントラルヒーティングボイラーです。これにより、建物の温度に関係なく、一定時間熱が供給されます。制御動作はボイラーのオン/オフですが、制御対象変数は建物の温度であるべきです。しかし、これはボイラーの開ループ制御であり、温度のクローズドループ制御は行われないため、実際には建物の温度は制御対象になりません。
• 閉ループ制御では、コントローラの制御動作はプロセス出力に依存します。ボイラーの例で言えば、建物の温度を監視するサーモスタットがあり、それによってコントローラがサーモスタットで設定された温度に建物を維持するように信号をフィードバックします。したがって、閉ループコントローラはフィードバックループを備えており、コントローラが制御動作を実行してプロセス出力が「基準入力」または「設定値」と同じになるようにします。このため、閉ループコントローラはフィードバックコントローラとも呼ばれます。^{[ 2 ]}

英国規格協会による閉ループ制御システムの定義は、「監視フィードバックを備えた制御システムであり、このフィードバックの結果として形成された偏差信号を使用して最終制御要素の動作を制御し、偏差をゼロに近づけるようにする」である。^{[ 3 ]}

同様に、「フィードバック制御システムとは、あるシステム変数と別のシステム変数の関数を比較し、その差を制御手段として用いることによって、それらの変数間の所定の関係を維持する傾向のあるシステムである。」^{[ 3 ]}

その他の例

制御システムの一例として、自動車のクルーズコントロールが挙げられます。これは、ドライバーが設定した一定の希望速度または基準速度に車両速度を維持するように設計された装置です。コントローラーはクルーズコントロール、プラントは自動車、システムは自動車とクルーズコントロールで構成されます。システムの出力は自動車の速度であり、制御自体はエンジンのスロットル位置であり、エンジンが出力するパワーを決定します。

クルーズコントロールを実装する原始的な方法は、ドライバーがクルーズコントロールを作動させたときにスロットル位置を固定することです。しかし、クルーズコントロールが平坦でない道路で作動している場合、車は上り坂では速度が遅くなり、下り坂では速度が速くなります。このタイプのコントローラーは、フィードバックがないため、オープンループコントローラーと呼ばれます。システム出力（車の速度）の測定値は、制御（スロットル位置）を変更するために使用されません。その結果、コントローラーは、道路の傾斜の変化など、車に作用する変化を補正することができません。

閉ループ制御システムでは、車の速度を監視するセンサーからのデータ（システム出力）がコントローラーに入力され、コントローラーは速度を表す量と目標速度を表す基準量を継続的に比較します。誤差と呼ばれるこの差によってスロットル位置（制御）が決定されます。その結果、車の速度が基準速度に一致する（目標システム出力が維持される）ようになります。ここで、車が上り坂を走行する場合、入力（検出された速度）と基準との差によってスロットル位置が継続的に決定されます。検出された速度が基準を下回ると、差が大きくなり、スロットルが開き、エンジン出力が増加して車速が上がります。このようにして、コントローラーは車の速度の変化に動的に対応します。これらの制御システムの中心的な考え方はフィードバックループであり、コントローラーがシステム出力に影響を与え、それが測定されてコントローラーにフィードバックされます。

添付の図は、単一のPV入力、制御機能、および操作変数(MV)の値を変更するために最終制御要素(FCE)の動作を調整する制御出力(CO)を備えた制御ループを示しています。この例では流量制御ループが示されていますが、レベル、温度、または制御する必要のある多くのプロセスパラメータのいずれかにすることができます。示されている制御機能は、PIDコントローラなどの「中間タイプ」であり、オン/オフ信号だけでなく、0～100%の間の任意の範囲の出力信号を生成できることを意味します。 ^{[ 1 ]}

この例では、PVとMVはパイプライン内で直列に接続されているため、PVの値は常にMVの値と同じです。しかし、バルブからの供給先がタンクであり、コントローラの機能が充填バルブを使用して液面レベルを制御することである場合、PVはタンクの液面レベル、MVはタンクへの流量となります。

コントローラ機能は、離散コントローラまたは分散制御システムやプログラマブルロジックコントローラなどのコンピュータ制御システムの機能ブロックのいずれかです。いずれの場合も、制御ループ図は、制御機能とプラントとの相互作用を表す非常に便利で有用な方法です。実際には、プロセス制御レベルでは、制御ループは通常、プロセスフロー図に基づいてプロセス計測と制御のすべての要素を示す配管計装図で標準記号を使用して省略されます。^{[ 4 ]}

詳細レベルでは、制御ループ接続図が作成され、電気的および空気圧的な接続が示されます。これにより、単一の制御機能に関するすべての接続が1つの図にまとめられるため、診断と修理が大幅に容易になります。

機器の固有識別を容易にするため、各ループとその要素は「タグ付け」システムによって識別され、各要素には固有のタグ識別番号が付与されます。^{[ 5 ]}

ANSI / ISA S5.1およびISO 14617-6規格に基づき、識別番号は最大5文字で構成されます。

最初の識別文字は測定値を表し、2番目は修飾子、3番目は受動/読み出し機能、4番目は能動/出力機能、5番目は機能修飾子を示します。その後にループ番号が続き、これはそのループに固有の番号です。

例えば、FIC045は、制御ループ045内の流量指示コントローラを意味します。これは、フィールドデバイスの「タグ」識別子とも呼ばれ、通常は機器の設置場所と機能に基づいて割り当てられます。同じループ内には、同じループ内の流量トランスミッタであるFT045が存在する場合もあります。