フィードバック制御・フィードフォワード制御の基礎と２自由度制御系設計の応用・例

はじめに：製造業の現場と制御理論の重要性

製造業の現場では、安定した生産プロセスと高い品質を実現するために、「制御理論」の知識が不可欠です。

とくにフィードバック制御、フィードフォワード制御、これらを組み合わせた二自由度制御系の応用は、現代工場の自動化や省力化、品質安定化の中心技術といえるでしょう。

しかし、いまだに昭和時代のアナログな感覚が色濃く残る現場も多く、「なんとなくうまくいっている」「経験と勘で調節している」といった管理から抜け出せないケースが少なくありません。

本記事では、調達購買、生産管理、品質管理、自動化現場で実際に起こるトラブルや課題に寄り添い、制御理論の基礎から２自由度制御系設計まで、現場でどう活かせるのかを実例を交えて分かりやすく解説します。

バイヤー志望者にも、サプライヤーの皆さんにも、「制御の考え方」を知って有利に働く場面を想像しながらご一読いただければ幸いです。

制御理論の基本：フィードバック制御とは何か

フィードバック制御の仕組み

フィードバック制御とは、「目標値」と「現在の値」を常に比較し、ズレ（＝偏差）を検出して補正するという動作の繰り返しです。

私たちの生活においても、エアコンの温度調整、自動車のクルーズコントロール、冷蔵庫の温度制御など、身近なところでフィードバック制御が使われています。

製造現場に置き換えれば、例えば「ライン上に流れる製品の寸法が設定値から外れないように、自動補正する」などの用途が該当します。

現場での実例

樹脂成形工程で「寸法公差のばらつきが許容範囲を超える」といったケースでは、型温度や押出圧力のフィードバック制御を強化することで、ばらつきを最小限に抑えることが可能です。

このように、制御の狙いは「目標値に正確かつ安定的に近づけて維持する」点にあります。

フィードバック制御の限界

フィードバック制御のみで現場課題が全て解決できるとは限りません。

なぜなら、計測～補正までの「遅れ」や、「外乱」と呼ばれる予測不能な変化への対応が苦手だからです。

現場では、「なぜか一時的に不良が増えた」「新しい原材料に切り替えたら安定しなくなった」といった経験は誰でもお持ちでしょう。

こうした場合、フィードバックだけでは対処しきれない部分に直面します。

フィードフォワード制御とは何か

フィードフォワード制御の概要

フィードフォワード制御は、名前の通り、「先回りして制御する」思想です。

システムに入る入力値や外乱（たとえば原材料の温度やライン速度の変化など）を事前に検知し、それらによる影響を「予測して補正」するのが特徴です。

フィードフォワード制御の実例

例えば、急激なラインスピードの変更があるときに、今まで通りに製品寸法を管理していては遅延が生じます。

そこで「スピード変更時に推定される寸法変化」を事前に計算し、即座に設定値を自動で再設定することで、寸法不良の発生を未然に防ぐことが可能です。

計測機器による「リアルタイム検知」＋「予測補正」により、バイヤーや生産管理担当者が常に課題に感じている“突発的な不良率増加”のリスクを低減できます。

二自由度制御系設計の考え方

「狙い」と「現場への応用」

二自由度制御とは、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせることで、両者のメリットを最大限に活かす手法です。

具体的には「目標追従性（＝指令値に素早く追いつく）」と「外乱抑制（＝予期しない変動にも強い）」を両立することが、大きな狙いです。

現場で言えば、「セット替え時もすぐに安定生産に移れる」「原材料や外温度の変動にも強い」という非常に実践的な価値を生み出します。

二自由度制御のブロック図イメージ

制御理論を学ぶうえで想像しやすくするため、ブロック図イメージで思い描いてみましょう。

・フィードフォワード系：入力値や外乱要因を検出し、先手を打って補正
・フィードバック系：出力のズレを感知して修正

両者をパラレルで配置し、協調動作させることで、従来の単一制御よりも安定かつ迅速な応答が得られます。

現場での応用事例：「生産スピード×品質変動対応」の先進例

樹脂成形フィードバック＋フィードフォワード制御

プラスチック成形工場においては、外気温や原材料の微妙な違いが製品寸法に大きく影響します。

従来は「成形条件を頻繁に人手で調整しつつ、出てきた製品の寸法OK/NGを目視で判別」するいわゆる昭和的な運用も根強く存在しています。

しかし、成形条件（圧力、温度、注入速度）をフィードバック制御で安定化し、加えて原材料温度や型温度の変動分をフィードフォワード制御で事前補正することで、不良品率を大きく低減できた例があります。

この事例では、生産管理部門が週次で集計していたNG率が半減し、出荷検査負荷も大幅に減りました。

二自由度制御系の価値と現場の変化

このような制御系を導入することで、ライン変更時や設備メンテ後など、いままで「必ずトラブルが出る」と諦めていた場面でも、初回の立ち上がりから高い歩留まりが確保できるようになりました。

また、購買バイヤーや生産技術者は、「なぜその制御が必要なのか」「どの原材料特性に強い現場対応力が求められるのか」を理解して設備仕様や要求をまとめることができ、サプライヤー側も「こうすれば貴社に合う条件だ」と提案しやすくなります。

設計におけるポイントと落とし穴

設計担当・購買バイヤーが知るべき注意点

制御系設計の導入に際しては、以下のような点に注意する必要があります。

・入力するパラメータ設定値の正確性
・外乱モデルの妥当性（現場特有の「現象」を見逃さないこと）
・フィードバック系、フィードフォワード系それぞれの制御パラメータ調整と妥協点の設定
・現場オペレーターや管理職の理解と受け入れ体制の確保

現場情報の伝達が悪かったり、アナログな「経験に頼りすぎ」ていたりすると、理想的な制御性能が発揮されません。

バイヤーや設計者は、必ず現場担当者やサプライヤーと十分なヒアリングと情報共有を行い、最適な制御戦略を協働設計することが大切です。

今後のトレンド：デジタル化と二自由度制御の発展

IoT化・センサー技術との組み合わせ

近年のデジタル化ブーム、IoT技術の現場導入は、二自由度制御系のさらなる進化を牽引しています。

高精度なセンサー情報とAIによるデータ解析を活用することで、「外乱推定」の精度は格段に向上し、従来は人手でしか見ぬけなかった小さな変化も自動補正可能となっています。

これは、調達購買・生産管理・品質保証などあらゆる部門で、制御知識をもった人財の価値が高まっている証です。

現場力×データサイエンスのハイブリッドの重要性

デジタル活用が叫ばれる現代ですが、「現場で何が起こっているか」「どのように設備や材料が振る舞うか」をリアルに理解している人によってのみ、真に価値ある制御系設計が実現できます。

例えば、突然の不具合ログにも「どの条件で、どんな影響要因があったか」をプロセスごとに洗い出し、具体的なパラメータ修正戦略を立案できます。

この現場力とサイエンティフィックな制御理論の融合こそが、日本の製造業が高品質・高効率で世界と戦い続ける最大のカギです。

まとめ：昭和アナログからの脱却とこれからの現場スキル

フィードバック制御やフィードフォワード制御、さらには二自由度制御系設計は、“理屈だけ” “理論屋だけ”のものではありません。

本来は、「現場で確実な成果を生み出すため」の考え方であり、アナログで勘と経験に頼る現場・企業ほど、その効果が大きく表れるはずです。

昭和文化が色濃く残る製造業界でも、ぜひこの考え方に触れ、バイヤーや設計者、現場オペレーター、サプライヤーが同じ“言葉”と“視点”で協力し合う文化を育ててほしいと思います。

制御理論をベースに、現場でリアルに使える技術力と論理的思考力を磨くことが、これからの製造業各職種の生存戦略として極めて重要です。

熟練技術力×制御理論×デジタルの融合で、世界に誇れる日本のものづくり力を次世代に繋いでいきましょう。