スライディングモード制御の基礎と制御器設計への応用・活用例

はじめに

製造業の生産プロセスにおいて、効率的かつ安定した生産体制を維持するためには、精密な制御技術が必要です。
スライディングモード制御（Sliding Mode Control, SMC）とは、その制御手法の一つであり、非線形性や外乱に対する強靱さを持っています。
本記事では、スライディングモード制御の基礎を解説し、制御器設計への応用・活用例についても紹介します。

スライディングモード制御の基礎

スライディングモード制御とは

スライディングモード制御は、制御系設計の一手法で、状態変数が所望のスライディング面上を滑る（スライディング）ように制御するものです。
特に、モデルの非線形性や外部からの変動や不確定性に対して、システムの頑健性を向上させるという特長があります。

スライディングモード制御の基本的な動作原理

スライディングモード制御は、制御対象の状態を非線形もしくはディスコンティニュアスな入力を用いて、指定されたスライディング面に引き寄せます。
この引き込みは、リーチングモードと呼ばれ、リーチングが完了すると、状態はスライディングモードに移行します。

スライディング面は、制御系が到達すべき目標を定める数学的な媒介であり、その面上に状態変数を保つことが、制御目的となります。
スライディング面を一度設計すれば、その上に状態を保つシステムは、外乱やモデル不確定性に対してロバストな特性を示します。

スライディング面の設計

スライディング面は、通常、制御システムの破線に対応するように線形または非線形で定義されます。
式としては、状態変数の組み合わせとして表現され、式のゼロ集合がスライディング面となります。
一般的なスライディング面の設計技法として、所望の閉ループ性能を実現するための多様な方法論が研究されています。

制御器設計への応用

SMCのメリットとデメリット

スライディングモード制御の最大の利点は、モデルの不確定性や外乱に対する高いロバスト性です。
不確定性に対する特異な強さにより、モデルに対する精密な知識が必ずしも必要ではなく、幅広い適用が可能です。

一方で、デメリットとしては、制御入力がディスコンティニュアスであるために発生する「チャタリング」現象があります。
これは制御信号の急激な変化によって機器にストレスがかかる現象であり、実際の応用において問題となることがあります。

チャタリング問題への対応

チャタリングを抑えるための方法は様々です。
フィリピン層の導入などの工夫をすることで、滑らかな制御を実現したり、高次スライディングモード制御といった技法を取り入れることで、スライディングモード制御のメリットを維持しながら、チャタリングを抑制することができます。

実際の応用例

スライディングモード制御は、自動車産業からロボティクス、航空宇宙工学といった各種産業で応用されています。
具体例としては、自動車のエンジン制御システムや、電動機制御における効率向上、サーボメカニズムでの高精度追尾制御などが挙げられます。

まとめ

スライディングモード制御は、その頑健性と多様な応用可能性により製造業をはじめとする多くの分野で注目を集めています。
本記事で紹介した基礎知識や応用の知見をもとに、精密でロバストな制御システムの設計に役立てていただければ幸いです。
スライディングモード制御は、理論的にも応用的にもまだまだ発展が期待される分野であり、今後もその動向に注目です。