計測と制御｜フィードバック制御・センサー・アクチュエーター【基本情報技術者試験 科目A】

科目A 第1章 基礎理論1-12　計測と制御最終更新 2026-09-26

エアコン、自動ドア、ロボット。コンピュータが機械を動かす場面では、 外の状態を測り、計算し、動きに変えるという流れが必ずあります。 この回は、その入口（計測）と出口（制御）の話です。 制御のしかたは、①そもそも測るか、②測るなら結果か乱れか、の2つの問いで分かれます。

信号処理 ── 測った波から、必要なものだけ取り出す

外の世界とコンピュータを行き来する

  1. センサーが、外の状態（光・温度・圧力）を電気の信号にする
  2. A/D 変換で、その信号をデジタルに直す（1-7）
  3. いらない成分を落とす（フィルタリング）
  4. あとの判断に使う数値だけを取り出す（特徴の抽出）
  5. コンピュータが計算して、どう動かすかを決める
  6. D/A 変換で、デジタルをアナログの信号に戻す
  7. アクチュエーターが、その信号を動き（回す・押す）に変える

3 と 4 が信号処理です。デジタルに直してしまえば、雑音を落とすのも、必要な数値を取り出すのも、すべて計算でできます。

センサーが拾う信号には、測りたいもの以外の雑音も混ざります。

なお、アナログの信号をやりとりする場合は入口と出口の両方で変換が要りますが、 モーターを止める・回すのように出す側がデジタルのままで済む場面では、D/A 変換は要りません。

制御 ── 測るか、測るなら何を測るか

フィードバック制御 ── 結果を測って、目標との差で操作する

  1. 目標を決める　　　　　（室温を 25 度にしたい）
  2. いまの結果を測る　　　（室温は 20 度だった）
  3. 目標との差を求める　　（5 度たりない）
  4. 差が小さくなるよう操作（暖房を強める）
  5. はじめに戻る　　　　　（ここが「輪」）

結果を測って次の操作に使うので、輪になって回り続けます。外が急に冷えても、測り直すたびに差が出るので追いかけられます。

これに対して、結果を測っても次の操作に戻さない形があります。 決めたとおりに動かすだけのオープンループ制御（開ループ制御）です。 電子レンジを3分で止めるのはこれで、中身が温まったかどうかは運転に反映されません。 仕組みは簡単ですが、思ったとおりにならなくても直せません。

フィードフォワード制御 ── 乱れのほうを測って、先に手を打つ

  1. 乱れを測る　　　　　　（窓が開いた）
  2. 結果への影響を見積もる（このままだと室温が下がる）
  3. 崩れる前に操作する　　（先に暖房を強める）
  4. 結果は測らない　　　　（ここが輪にならない）

室温が下がるのを待たずに動けるのが強みです。そのかわり、乱れと結果の関係が分かっていることが前提になります。

フィードバックは「ずれてから直す」、フィードフォワードは「ずれる前に手を打つ」です。 フィードバックは原因が分からなくても効きますが、ずれが出るまで動けません。 実際の装置では両方を組み合わせることが多く、そのときはどちらの働きが主かで呼びます。

⚠️ これは「何を測って、どう使うか」で切った分け方です。制御の分け方はほかにもあり、 洗濯機のように決めた順番どおりに工程を進めるやり方をシーケンス制御といいます。 次の工程へ移る条件（満水になったか）は測りますが、目標との差で操作の強さを加減はしません。

応答特性と安定性 ── 落ち着くまでと、そもそも落ち着くか

急いで目標へ近づけようとすると行き過ぎが増え、落ち着きにくくなります。 速さと落ち着きは両立しにくく、どこで折り合いを付けるかが制御の設計です。 なお、振れの大きさが変わらないまま続く状態は、安定と不安定の境目にあたります。

間に合わせるための仕組み ── リアルタイム OS

ここまでは制御の良し悪しの話でした。もうひとつ、時間そのものが条件になる場面があります。 ブレーキやロボットの制御では、答えが正しくても間に合わなければ意味がありません。

センサーとアクチュエーター

センサーは外の状態を電気の信号に変える部品、 アクチュエーターは電気の信号を機械の動きに変える部品です。 入口と出口で、向きがちょうど逆になります。

加速度センサーとジャイロセンサーの分かれ目は、重力が使えるかどうかです。 どちらに傾いているかは重力の向きで分かるので加速度センサーでも読めますが、 平らなまま向きだけ変える回転は重力が変わらないため、ジャイロセンサーでなければ追えません。

まとめ

次に読む