写真2-1 学研の「大人の科学マガジン」vol.16に付録のミニ茶運び人形
制御という言葉を聞いたことがありますか。何をイメージするでしょうか。辞書を引いてみると「（相手を）自分の思うように支配すること」「（機械を）目的通り作動するように操作すること」とあります（広辞苑第5版）*1。料理をするときに火力を調節すること、適切に扇風機の風量を調節することも制御なのです。
問1-1：普段の生活で制御している例を挙げてみよう
*1 英語では制御のことをcontrolといいます。controlには支配という意味もあります。日本語と同じですね。
「はじめチョロチョロ、中パッパ、赤子泣いても蓋とるな」という言葉があります。おいしく、ご飯を炊き上げるための火加減とタイミングを歌にしています。炊飯器を使うと火加減は自動で調節してくれます。エアコンやファンヒータには温度設定をすると、自動的に冷房や暖房を制御して室温を一定に保ってくれるものが多くあります。全自動洗濯機では洗い・すすぎ・脱水を自動でしてくれます。このように人手なしに制御することを自動制御と呼びます。からくり人形も自動制御の技術が使われている例です。日本の茶運び人形や弓引き童子、ヨーロッパの手紙を書くピエロなどが有名です。
問1-2：身近にある自動制御の例を考えてみよう。
問1-3：どんな、からくり人形があるか調べてみよう。
洗濯を考えてみましょう。洗濯物と洗剤を洗濯機に入れて洗濯を開始します。何が始まるでしょうか。水を一定まで入れ、洗濯槽が回転します。回転の向きは、ときどき逆転しています。洗濯が終わったら、水を抜きます。そして、すすぎの水をそそぎ、また洗濯槽が回転させます。水を抜いて、もう一回すすいだら、脱水です。脱水は水を抜いて、洗濯槽が高速回転します。
このように順番に機械の動作の開始と停止のタイミングを自動制御するのがシーケンス制御です。洗濯機の場合、水が一定量入ったかどうか、決められた洗濯（すすぎ、脱水）時間が経過したか、脱水のときに変な振動はないかといったことに応じて、次の動作を変えることや、動作の大きさの調節も行われています。
問1-4：身近にある自動制御の中でシーケンス制御の例を探し、どのような動作をしているか考えてみよう。
料理をするときに火力を適切に調節しないと、焦げたり生のままになったりして、おいしく調理できません。自転車や一輪車を考えてみましょう。何もしないで乗るだけでは倒れてしまいます。料理の場合には鍋やフライパンの温度が一定になるように、自転車や一輪車の場合には姿勢が一定になるように、人が調節をしています。人にかわって(制御量)が目標通りになるように、自動で調節する自動制御があります。
電池を直列につなぐと豆電球の明るさが変わるという実験をしたことを覚えていますか。直列につなぐと電池の本数が多いと明るくなります。モータを使った模型やおもちゃでも、直列につなぐ電池の本数を増やすと速く動きます。これは電源（電池）の電圧が変わると、豆電球の明るさやモータの回転速度が変わるからです。つまり、直列にする電池の本数で明るさや回転速度を制御できます。
電池の本数を変えるだけだとおおざっぱにしか制御できませんが、電源の電圧を細かく調節できるならば、豆電球の明るさも、モータの回転速度も、細かく調節できます。そこで、電圧と明るさの関係、電圧と回転速度の関係を調べておいて、目標の明るさ（回転速度）にあわせて電圧を調節する制御が考えられます（図1-1）。このような制御のことを、次のフィードバック制御と対比して、オープンループ制御と呼びます。
自転車に重い荷物を載せると、こぐ力がいつもより必要なことを感じませんか。モータやエンジンで動く自動車の場合にも重い荷物（負荷）を載せると、いつもよりもモータやエンジンが出す力が余分に必要になります。モータを使った自動車の模型の場合には、おもりを乗せるとスピードが遅くなってしまいます。
もし自動車のように速度計（スピードメータ）がついていれば、スピードメータを見ながら、目標の速度より早ければアクセルを緩め、遅い場合にはアクセルを踏むことで、車の速度を一定に保てます。さらに、人に代ってスピードメータを読み、目標の速度と比較して、アクセルを踏む量を計算し、アクセルを踏んでくれたら自動制御になります。
つまり、図1-2のように、目標の速度と今の自動車の速度から、モータの力を調節する仕組みが出来れば、荷物の重さに関係なく、速度を一定に保てます。このように、今の様子を見張って自動で調節するのが、フィードバック制御です。フィードバック制御では図1-2のように今の様子を、自動調節に使います。図を見ると制御量である「速度」が、制御の流れのなかでループを描いていることが分かります。これが閉ループ（クローズドループ）制御と呼ばれる理由です。
＋ 目標と実際の差から 力を出せるように (目標の速度)→○→必要な力を計算 →モータの電圧を決める→モータ＋→(速度) ↑− ｜ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
*1 力と電圧の計算をひとまとめにすることもあります。また、ここでは詳しく触れませんが、電圧ではなく電流を求め、その電流を実現するよう電圧を制御するのが適切です。
問1-5：何かを一定に保つような制御をしている自動制御の例を探してみよう。
実際の機械ではシーケンス制御、オープンループ制御、フィードバック制御が組み合わせて使われています。エアコンについて考えてみましょう。タイマーでエアコンを止めたり、動かするのはシーケンス制御です。部屋の温度を一定に保つよう調節するのはフィードバック制御*1です。エアコンでは、風などを送るためのモータがいくつも使われていますが、それらの回転速度の制御にはオープンループ制御やフィードバック制御が用途に応じて使われています。
フィードバック制御はオープンループ制御よりも精密な制御が出来ますが、制御の仕組みが複雑になります。そのため、負荷の変動が少なかったり、多少目標から変動してもよいのであれば、オープンループ制御がよく使われます。たとえば扇風機やドライヤーの風の強さの調節はオープンループ制御です。
また設計者の想定の範囲から外れるとうまく制御が出来ないといったことが起きてしまいます。たとえばエアコンだと部屋が広すぎたり、狭すぎる場合に温度調節がうまくいきません。
問1-6：身近な自動制御の例をシーケンス制御、オープンループ制御、フィードバック制御に分けてみよう。
問1-7：人手の作業を自動化するには、どのような制御が必要か具体的に例を挙げて考えてみよう。
*1 言葉の定義によっては、シーケンス制御に含むこともある。
温度や長さ、重さといった量を測って、適切な信号に変換したり、伝える、記録するといった技術を総称して計測(技術)とよびます。エアコンやファンヒータの場合には室温を、図1-2ではモータの回転速度を測って、制御器（自動制御をする機械、電子回路やコンピュータなど）に合わせた信号に変換する必要があります。ここに計測の技術が使われています。また、計測という言葉は、自動で測定し、記録するという意味で使われることがあります。
計測に関する工学を計測工学とよびます。大学で使われる計測工学の教科書([1]など)を読んでみてもよいかもしれません。また計測と制御には深いつながりがあるため、大学の講義などでは計測と制御を一つの講義で取り扱うこともあります。
[1] 谷口 修, 堀込 泰雄. 計測工学 (第2版, 最新機械工学シリーズ (16)), 1977, 森北出版.
シーケンス制御は機械の動作の開始と停止のタイミングを自動制御します。おおまかに分けると、機械（メカ）だけで制御するもの、電気回路を使うもの、コンピュータを使うものがあります。
からくり人形ではメカだけでシーケンス制御を実現しています。写真2-1は、からくり人形の一つである茶運び人形を再現した模型です。ゼンマイを動力として動きます。お盆に湯飲み茶碗をのせると動きだし、お客の前でお辞儀、茶碗をとるとその場で止まって、茶碗を再び載せると旋回して、元の位置に戻ります。お辞儀をしたり、茶碗を乗せると動き出す、旋回のために車輪の向きを変えるといった制御をカムを使って実現しています。写真2-2がからくり人形のカムを拡大したところです。ゼンマイで回転する軸に円板状のカムがついていて、カムで上半身の傾きや車輪の向きを変えています。写真２にはカムの爪が他の部品を動かすところが写っています。また、お盆に加わる重さが変わると、腕が上下するようになっていて、その動きでカムの動作を一時止めたり再開するようになっています。
メカでシーケンス制御を実現するためには、１）メカの動作を止める爪やピンなどを用意して、爪などを引っかけることで止め、外すことで動かす、２）動作の方向を変えるよう押したり、引っ張る、３）歯車の一部を欠けさせておき動力を伝えないといった機構が使われます。茶運び人形のようなカムの他に、ピン、一部に歯がない歯車、バネ、ワイヤーなど様々な部品（機械要素と呼ばれる）が使われます。現在は、メカだけでなく電気回路やマイコンなどを組み合わせて制御を実現することが多くなっていますが、停電のときにも動作が必要な安全装置などにはメカだけで実現するシーケンス制御も欠かせません。
問2-1：からくり人形や鳩時計の動く仕組みを調べてみよう
電気で動く機械のシーケンス制御では、機械の電源の制御、つまり電源を入れる、切る、を自動化することが制御の中心です。順番にモータなどの電源を入り切りすれば、機械が順番に動作をしてくれるというわけです（図2-1）。非常に簡単な仕掛けでは、機械がスイッチにぶつかると、いままで動いていたモータの電源を切り、次のモータの電源を入れるという方法も使われます。またゼンマイなどによるタイマーを使うと、時間が経過したらスイッチを入り切りすることもできます。
もちろん、モータだけでなく、ヒーターや、電球など色々なものを制御できます。明るさの調整などをスイッチや、つまみで動かせる機械については、モータや、電磁石を使って押す/引くといったことで自動制御することもあります。
需要が多いので時間の経過に応じて電源を制御する機械が市販されています。写真2-3は100Vの電源を入り切りできる時計*1です。右側の円板にピンを挿して電源の入り切りの時刻を設定します。写真2-4は100Vの電源を入り切りできるタイマーです。こちらは入りにする時間帯と切りにする時間帯をスイッチで設定します。このような時計やタイマーを使うと、自動的に照明をつけたり、換気、餌やり、水やりなどをすることができます。
*1 オーディオ機器の電源を自動で入り切りし、目覚ましに使ったり、ラジオをタイマー録音するのに使われるのでオーディオタイマーと呼ばれる。目覚まし時計も、時間の経過でベルを鳴らす一種のシーケンス制御をしているといえるかもしれない。
問2-2：市販されている家電製品などのシーケンス制御の例を探してみよう
電子回路というのは、抵抗やコンデンサ、トランジスタ、IC、温度センサ、明るさセンサといった電子部品（写真2-5）を使った回路のことです。電気信号を使って、時間を測ったり、温度や明るさなどを測り、それに合わせて、電気信号を出すことが出来ます。この電気信号を使ってモータや電磁石などを駆動し、機械を動かすことで、シーケンス制御を実現できます。
メカだけでシーケンス制御をするときには、メカ同士が互いに触れて爪やピンを動かすことが必要です。ワイヤーやロッド（棒）を使って遠く離れたメカを動かすことも出来ますが、どうしても設計が難しくなります。それに対して電子回路を使うと、部品の配置が自由になり、またメカよりも小型化が易しい場合が多いので、多くの制御に使われるようになってきました。
電子回路による制御には、もう1点メリットがあります。信号のやりとりを定めておくと、同じ制御回路を他の機械の制御に応用することがたやすくなることです。そのメリットを生かし、シーケンサ(あるいはPLC)と呼ばれる制御用のユニットが市販されています（写真2-6, 三菱電機のシーケンサ）。
電子回路の一つにコンピュータ(電子計算機*1)があります。現在広く使われているコンピュータはノイマン*2式と呼ばれ、プログラムを書き換えると電子回路はそのままに動作を変えることが出来ます。携帯電話・スマートフォンのアプリを入れ替えると一台で電話やメール、ゲームをすることが出来ます。ゲーム機やパソコンのソフトウェアを入れ替えると別の役割をしてくれます。アプリ、ソフトウェアというのは、プログラムの別名です。このようにプログラムを入れ替えると動作を大きく変えられるコンピュータを制御に使うとどのように便利でしょうか。
メカを使った自動制御ではカムなどの部品の形で動作が決まります。制御を少し変えようと思ったら部品に変更が必要です。電子回路を使った場合には、回路を作った後に調整できるように設計をすることも出来ます（さきほどの時計やタイマーのように）。しかし、大きく動作を変えるためには回路の変更が必要です。
それに対して、コンピュータを使うと、プログラムを入れ替えると動作を大きく変えられ、電子回路の設計変更が不要になる場合も多いのです。また、最近ではコンピュータが非常に安く作られるようになったので、コンピュータを使わない電子回路よりも安価に製造できる場合もあり、コンピュータを使った制御が広く行われるようになってきています。前述のシーケンサの内部にもコンピュータが使われています。
*1 コンピュータを計算機とも呼ぶ。機械式のコンピュータも発明されているので、区別して電子計算機と呼ぶことがある。
*2 現在のコンピュータの基礎を築いた一人であるジョン・フォン・ノイマンさんの名前に由来する。
シーケンス制御を実現する場合と同じように、オープンループ制御・フィードバック制御も、メカ、電子回路、コンピュータを使った電子回路で実現出来ます。
機械の回転数を自動で制御するメカ(調速機)が発明されています（図3-1）。物体を速く回すと、物体が回転中心から離れようとする力、遠心力が強く働きます。図3-1の調速機では、右の弁につながった蒸気機関の力で左下の軸を回転させ、遠心力が強く働くときには回転数が遅くなるように、弱いときには回転数が速くなるように、てこを通して弁を開閉するよう作られています。ほかにも機械式の時計では振り子が一往復する時間が一定であることを利用して、バネの力の強弱に依らず、時を刻むように作られています(参考リンク)。
電子部品が安くなると、機械の目標と現在の様子を電気信号で受け取ると、機械を動作させる信号を作る電子回路（制御回路、図3-2）が作られるようになりました。フィードバック制御では、図3-3のように、制御回路は、目標の速度と現在の速度を電圧として受け取り、モータに流す適切な電流を計算して、モータに電力を供給します。つまみを回すと電気抵抗の変わる可変抵抗器を使い、機械の目標状態を表す電気信号（たとえば電圧）を作ることが出来ます。モータの速度を変えられる制御回路に、この信号をつなぐと、つまみの角度に応じてモータの回転速度が変わる（たとえば右に回すほど速く回る）ようになります。
フィードバック制御をするには、現在の機械の様子をセンサで電気信号に変換をします。そして、この電気信号と目標状態の電気信号を比較して、差がなければ力を出さず、差があるなら差が小さくなる方向に力を出すように電子回路で計算し、機械を制御します。制御に使われる一番簡単な計算を式で表すと
*1 英語で proportional controlと呼ぶのでP制御とも呼ばれる。
*2 制御についての計算式なので、制御式と呼ばれる。
電子回路にコンピュータを使う場合には、制御回路の計算部分をプログラムで実現します。制御で一番大事なのは、制御式になります。コンピュータを使わない場合に、制御式を大きく変更すると、電子回路の設計のやり直しが必要になります。また思った制御式を計算する電子回路の設計には、ある程度の熟練が必要です。
それに対して、制御式を変えても電子回路の再設計が不要となること、また制御したい機械が違っても似たような回路を使えること、制御式を計算できる能力を持ったコンピュータが安価になったことから、コンピュータでの制御が広く使われるようになってきました。
一般的なオープンループ制御・フィードバック制御について信号の流れを図（ブロック線図）にすると図3-4と図3-5になります。制御対象とあるのが、モータや電球、ヒータなどのことです。目標値と制御量は、モータの（回転）速度、モータの角度、電球の明るさ、部屋の温度などです。目標値に対して、制御量が実現された値です。制御器が前述の制御式を実現する部分です。操作量が人が操作する「つまみ」で調節できる量に相当します。たとえばモータや電球、ヒータの電圧や、ガスや石油の量などにあたります。制御器を実現するには、すでに紹介したように機械(メカ)、電子回路、コンピュータを組み込んだ電子回路などを利用出来ます。
このような形で定式化することで実際にどのような対象を、どのような方法で制御を実現するにしても、同じ方法で、どれぐらい制御がうまくできるかを数式で表し、数値的に予測し、また制御器（制御式）の設計が出来るようになります。こういった制御に関わる工学を制御工学とよんでいます。
制御というと難しそうな雰囲気もありますが、普段の生活にも欠かせないものです。自動制御も身近にあふれています。ぜひ、身の回りで、どのように(自動)制御されているか、またどのようにすれば(自動)制御できるか考えてみてください。