フィードバック制御の仕組み｜目標値・偏差・操作量・制御量を「エアコン」で理解する

前回の記事では、自動制御の全体像として「シーケンス制御・フィードバック制御・フィードフォワード制御の3つの違い」を整理しました。

今回は、その中でも最も重要な「フィードバック制御」の中身を分解していきます。

フィードバック制御は「結果を見て修正し続ける制御」でしたね。では、その「結果を見る」「修正する」という動作は、具体的にどんな部品（要素）がどんな役割分担で行っているのか？

電験三種では、この「構成要素の名前と役割」を問う穴埋め問題が頻出します。用語が多いため丸暗記しようとすると混乱しますが、すべてエアコンの動作に当てはめれば一発で理解できます。

この記事を読み終える頃には、「フィードバック制御のブロック図」を見ても一切迷わなくなるはずです。

まずは全体像──フィードバック制御の「登場人物」一覧

フィードバック制御には、5つの「部品（構成要素）」と4つの「信号（やりとりされる情報）」、そして1つの「邪魔者」が登場します。

まずは名前だけ並べます。この段階では「こんなに覚えるの？」と感じるかもしれませんが、安心してください。次のセクションからすべてエアコンに当てはめます。

5つの構成要素（部品）

4つの信号 ＋ 1つの邪魔者

エアコンで追うフィードバック制御の流れ

ここからが本題です。エアコンの冷房運転を例に、信号と構成要素が実際にどう動くかを順番に追っていきます。

ブロック図で全体を俯瞰する

ここまでの流れを、電験三種の教科書でよく見る「ブロック図」の形に整理します。

ブロック図とは、制御システムの各要素を四角い箱（ブロック）で表し、信号の流れを矢印で示した図のことです。

ブロック図の読み方は、左から右に信号が流れると覚えてください。そして右端の「制御量」が、下のフィードバック経路を通って左の比較部（⊖マーク）に戻ります。

「目標値」「偏差」「操作量」「制御量」を完全に区別する

電験三種の穴埋め問題で最も出題頻度が高いのが、この4つの信号の区別です。似た名前が並ぶので混乱しやすいですが、エアコンに当てはめれば一瞬で見分けがつきます。

4つの信号を「1つの質問」で区別する

それぞれの信号は、「いつ・どこで発生するか」で一発で区別できます。

「操作量」と「制御量」は名前が似ているので要注意

この2つはよく混同されます。区別のポイントはシンプルです。

「負帰還」とは何か？──なぜ「負」なのか

フィードバック制御の話では必ず「負帰還（ふきかん）」という用語が出てきます。英語では「ネガティブフィードバック（Negative Feedback）」です。

「負」という字が入っているので難しそうに見えますが、実はすでに理解しています。

「負」の意味 ＝ 引き算のこと

なぜ引き算をするのか？ それは「ズレを打ち消す方向に動かしたい」からです。

どちらの場合も、ズレを「打ち消す（小さくする）」方向に動くのが負帰還です。

もし「正帰還」だったらどうなる？

逆に、引き算ではなく足し算をしてしまったら？

正帰還だと「暑いのにさらに暖房する」という地獄の状態になり、システムは暴走・発振してしまいます。

外乱とは何か？＋ 定値制御・追値制御の違い

「外乱」──制御を邪魔する想定外の変化

外乱（がいらん）は、システムに外部から加わる、意図しない変化のことです。

エアコンの例では、以下がすべて外乱です。

外乱はブロック図では、制御対象に直接作用する矢印として描かれます。操作部→制御対象のルートとは別に、横から割り込んでくるイメージです。

フィードバック制御の強みは、外乱が起きても、結果（制御量）を見て自動で修正できること。ただし「結果が変わってから対応する」ため、必ずタイムラグが発生します。

定値制御と追値制御

フィードバック制御は、目標値が固定か変化するかによって2つに分類されます。これも電験三種で問われるポイントです。

開ループと閉ループ──なぜ「閉じている」と安定するのか

前回の記事で「開ループ・閉ループ」の概念は紹介しました。ここでは、フィードバック制御の構成要素を踏まえた上で、もう一段深く理解します。

開ループ ＝ 「目隠しで料理する」

味見をしない料理を想像してください。レシピ通りに調味料を入れて、出来上がった料理を食べてみたら「塩辛い！」──でも、もう修正できません。

開ループ制御は、結果を確認しないまま動き続けるので、ズレが起きても気づけません。

閉ループ ＝ 「味見しながら料理する」

一方、味見をしながら料理すれば、「ちょっとしょっぱいな」と思ったら水を足せるし、「まだ薄いな」と思ったら調味料を追加できます。

閉ループ制御は、常に結果を確認して修正し続けるので、外乱（予想外のこと）が起きても対応できます。

穴埋め問題で使える「キーワード対応表」

電験三種の機械科目では、フィードバック制御の構成要素を問う穴埋め問題が頻出します。問題文に登場するキーワードと、正解の用語を対応させた「カンニングペーパー」を用意しました。

信号のキーワード対応表

構成要素のキーワード対応表

その他の頻出キーワード

よくある質問（FAQ）

Q1. 「比較部」と「調節部」は同じマイコンの中にあるのでは？区別する意味はありますか？

実際のエアコンでは、比較部と調節部は1つのマイコンの中で処理されています。しかし、ブロック図では「機能」ごとに分けて描くのがルールです。「ズレを求める」と「どう直すか決める」は論理的に異なるステップなので、試験では別々の要素として問われます。

Q2. 偏差がゼロなら操作量もゼロになりますか？

必ずしもそうではありません。例えば、エアコンで室温が25℃に達しても、外が暑ければ「弱い冷房を維持する」必要があります。偏差がゼロでも、現状維持のために一定の操作量が必要な場合があるのです。これはPID制御の「積分動作（I動作）」と関連するテーマです。

Q3. 「フィードバック信号」と「制御量」は同じものですか？

ほぼ同じですが、厳密には検出部を通った後の信号がフィードバック信号です。センサーに誤差がなければ制御量と一致しますが、実際にはセンサー自体にも測定誤差があるため、完全に同じとは限りません。試験では「制御量を検出部で測定し、フィードバック信号として比較部に戻す」という表現が正確です。

Q4. この記事の内容だけで電験三種の問題は解けますか？

フィードバック制御の「分類と構成要素」に関する穴埋め・正誤問題は、この記事の内容で十分に解けます。ただし、電験三種ではこの先にブロック線図の等価変換や伝達関数の計算が出題されます。それらは本シリーズの次の記事で解説していきます。

まとめ

フィードバック制御の構成要素は、電験三種の機械科目でほぼ毎年出題される最重要テーマです。

この記事でエアコンとの対応を理解しておけば、穴埋め問題は「あ、これは調節部のことだな」「これは偏差のことだな」と瞬時に判断できるようになります。

次のステップでは、このブロック図を数式で表現する「伝達関数」の世界に進みます。