制御システムの設計とは、ハードウェアの選択やソフトウェアの開発、制御アルゴリズムの設計などを含む重要なプロセスのことです。自動車や工場の生産ライン、ロボットなど、多くの産業において制御システムは欠かせない存在です。
しかし、制御システムの設計は専門的な知識や技術を要するため、多くの企業や個人にとっては困難な課題となっています。そこで、本記事では制御システム設計の流れや重要性、さらにはシミュレーション技術の種類や委託するメリットについて詳しく解説します。この記事を通じて、制御システム設計の重要性や流れ、さらには委託するメリットについて理解を深めていただければ幸いです。
制御システム設計とは
制御システムの設計とは、ハードウェアの選択やソフトウェアの開発、制御アルゴリズムの設計などを含む重要なプロセスのことです。制御システムは、様々な産業分野で使用されており、たとえば自動車のエンジン制御や工場の生産ライン制御などに利用されています。
制御システム設計の目的は、制御対象の安定な動作や要求仕様の達成です。制御システムの設計には、システムの特性や要件を理解し、適切な制御器の選定やアルゴリズムを選択する能力が求められます。
現在でも、最新の技術や手法を活用しながら、より高度な制御システムを設計するための研究や開発が進められています。制御システム設計の進歩は、自動化や効率化の向上に貢献していくことが見込まれます。
制御システムを利用する例
制御システムを利用するモノの例は、下記が挙げられます。
- 自動車
- 工場の生産ライン
- ロボット
自動車
自動車は、制御システムを利用する典型的な例です。自動車の制御システムは、車両の様々な機能を制御し、安全性と快適性を向上させる役割を果たしています。
たとえば、エンジン制御システムは、エンジンの燃料供給や点火タイミングを制御し、効率的な燃焼を実現します。これにより、燃費の向上や排出ガスの削減が可能です。また、ブレーキ制御システムは、車両のブレーキ力を制御し、安全な停止や制動を実現します。
ブレーキ制御システムとしてABS（アンチロック・ブレーキ・システム）やEBD（電子制御ブレーキ力配分）などの機能があり、急ブレーキ時の車両の姿勢を制御します。
工場の生産ライン
工場の生産ラインも、制御システムを利用しています。制御システムは、工場の生産プロセスを効率的に管理し、品質を確保するために欠かせない存在です。
生産ラインでは、コンベアベルトやロボットアームなどの機械が製品を運搬したり、組み立てたりする役割を担っています。機械の動作速度や位置、力などを適切に制御することで、製品を円滑に生産できます。
ロボット
制御システムを利用する例として、ロボットも挙げられます。ロボットは、センサー、プログラム、アクチュエーターなどで構成する制御システムによって動作する機械です。
ロボットが正確に指示に従って動作するためには、制御システムがセンサーからの情報を受け取り、それに基づいて適切な指示を出す必要があります。また、制御システムはロボットの動作をリアルタイムで監視し、必要に応じて修正することもできます。これによって、ロボットの作業効率や安全性が向上します。
例えば、フルハートジャパンが設計製作した超音波カッターもロボットの一種です。超音波カッターでケーキを切断する際には、カッターの高さの位置の把握や、分割数によってのターンテーブルの位置、また安全のための安全扉の開閉等をセンサーからの情報を受け取り、制御しています。
制御システムを利用することで、ロボットは私たちの生活や産業の様々な分野で活躍し、より便利で安全な環境を提供してくれます。
制御システム設計の重要性
制御システム設計の重要性は、下記の3つに集約されます。
- 性能や安全性を向上する
- 応用範囲を広げる
- 高度な処理を実現できる
制御システム設計は、機械や装置の性能や安全性を向上させるために必要です。たとえば、自動車の制御システムは、エンジンやブレーキなどの部品を適切に制御し、走行性や燃費などを最適化します。
また、人間ができないような作業や環境に対応でき、AIの制御システムでは学習や推論などの高度な処理を行い、人間と協調できるようにするなども例として挙げられます。
このように制御システム設計は、機械や装置の価値を高めるために欠かせない工程です。しかし、専門的な設計は独自で行うのが難しい場合もあります。フルハートジャパンでは、制御システム設計のプロフェッショナルが、お客様のビジネスに最高の価値を提供します。まずはお気軽にお問い合わせください。
制御システム設計におけるシミュレーション技術
制御システムの設計において、シミュレーション技術は非常に重要な役割を果たします。
コンピュータ等を用いたシミュレーションの目的は、対象とするシステムが、構成と動作において期待通りの機能、性能を発揮するかどうかの評価、処理数量や時間などの定量的評価 及びパラメータを算出することにあります。
シミュレーション技術には、種々の計算式を用いてシステムをモデル化し、システムの挙動をシミュレーションする方法や各ユニット、セル単位でモデル化し、システムの効率性や処理時間の長さを評価する方法等があります。
制御を行うものとして PLC（プログラマブルロジックコントローラ）が上げられますが、フルハートジャパンでは、このPLCの仮想PLCシミュレーション機能を用いて、部分的検証などを行っていますが、全体システムについては、お客様がシミュレーション環境を構築することが多く、その構築のお手伝いをさせていただいております。
シミュレーション技術を用いることで、実際のシステムを構築する前に、仮想的な環境でシステムの挙動を評価できます。
制御システム設計の流れ
制御システム設計の流れは、下記のとおりです。
- 要件定義・外部設計
- 内部設計
- 実装作業・コーディング
- 動作確認
要件定義・外部設計
| ステップ | 内容 |
|---|---|
| 目標設定 | 制御システムの目的を明確にします |
| 概要設計 | システム全体の設計方針を決定します |
| ハードウェア選定 | 適切な機器を選びます |
| ソフトウェア選定 | 必要なソフトウェアを選定します |
制御システム設計の始まりは要件定義です。この段階で制御システムが達成すべき目標や要件を明確にします。例として、工場の生産ラインを自動化する場合、目標は「効率性の向上」と「安全性の確保」でしょう。
要件定義が完了すると、次に進むべきは外部設計です。このフェーズでは、制御システムの概要設計が行われ、使用する技術やハードウェア、ソフトウェアの選定がされます。
内部設計
外部設計が完了したら、次は内部設計です。この段階で制御アルゴリズムやデータ処理の具体的な手法が決定されます。制御システムの性能や信頼性を高めるための最適化もこのフェーズで行われます。
注意すべき要点は下記です。
- 制御アルゴリズムの選定
- 信号処理の方法
- ソフトウェアとハードウェアの連携
- セキュリティ対策
実装作業・コーディング
内部設計が完了したら、次は実装作業です。この段階で実際に制御システムを構築する下記の作業が行われます。
- ソフトウェア開発
- ハードウェア設定
- 回路設計
- プロトタイプ作成
また、このフェーズでは設計段階での計画が適切であったかを確認するためのテストも必要です。
動作確認
実装作業が完了したら、下記に挙げた例の制御システムテストが行われます。
- ユニットテスト
- システムテスト
- 統合テスト
- 信頼性と評価
このテストで要件定義で設定した目標や要件が達成されているかを確認します。不具合や改善点があれば、それに基づいて修正や改善が行われます。
フルハートジャパンでは、実際の製品を小型化したものを製作し、検証を行います。そこで性能の最適化、エラーのあぶり出しを図り、結果を実製品に反映させます。
制御システム設計を委託するメリット
制御システム設計を委託するメリットは、エキスパートによる設計が可能なことです。
制御システムの設計には高度な技術と知識が必要であり、専門的な能力が求められます。制御システム設計を専門とするエキスパートに委託することで、高品質な設計を受けられます。
エキスパートは最新の技術やトレンドにも精通しており、最適な設計を提供してくれるでしょう。
最適な設計によって迅速かつ効率的な設計が可能になり、設計時間の短縮によって結果的にコストを抑えることができます。
制御システム設計を委託するポイント
制御システム設計を委託するポイントは、下記のとおりです。
- 設計能力が高い委託先を選ぶ
- 密なコミュニケーションを意識する
- 機密性の確保（セキュリティ）を確認する
設計能力が高い委託先を選ぶ
制御システムの設計には、高度な技術と知識が必要です。委託先を選ぶ際には、その企業や個人の設計能力を確認することが重要です。過去の実績や技術的な知識、設計手法などを評価し、信頼できる委託先を選ぶことが求められます。
また、設計能力だけでなく、将来のメンテナンスやアップデートにも対応できる能力を持っているかも確認する必要があるでしょう。
密なコミュニケーションを意識する
制御システムの設計は、お客様の要求や仕様に基づいて行われるべきです。そのため、委託先との密なコミュニケーションが不可欠です。
設計の進捗状況や課題、変更要求などを適切に共有し、円滑なプロジェクト進行を図ることが求められます。また、お客様の要求を正確に理解し、それを反映させるためにも、コミュニケーション能力の高い委託先を選ぶことが重要です。
フルハートジャパン社内では、常に営業と技術が一体となってコミュニケーションを取り、お客様のご意向を社内で共有しております。
機密性の確保（セキュリティ）を確認する
制御システムの設計には、企業の機密情報や流れに関する情報が含まれます。そのため、委託先が機密性の確保に十分な対策を取っているかを確認することも大切です。
セキュリティ対策や情報管理の体制などを調査し、情報漏洩のリスクを最小限に抑えるような委託先を選ぶことが求められるでしょう。
フルハートジャパンではお客様と秘密保持契約を結び、情報の利用目的を限定することで、ノウハウや秘密情報の流出を防止しています。
まとめ
制御システム設計は、機械や装置の性能や安全性を向上させるために欠かせない工程であり、モデルベース開発やシミュレーション技術を用いることで高品質な設計を実現できます。
また、制御システム設計を委託することで、専門知識・技術を持ったエキスパートによる設計やコストの削減、設計期間の短縮などのメリットがあります。自社での設計が困難な場合は、是非、信頼と実績のフルハートジャパンにお任せください。
