比例弁とシリンダシステムのPIDループ調整方法 | ベプト空圧、ベプト工業の空圧製品ライン

比例弁とシリンダのPID調整とは、バルブ、アクチュエータ、センサー、空気経路、機械系、コントローラの上限値を1つのシステムとして確認した後に、フィードバックゲインを管理下で調整する作業です。ゲインは一律の表ではなく、記録した応答トレースから調整してください。空圧位置制御は、荷重、ストローク位置、摩擦、圧力、バルブのデッドバンド、閉じ込め空気の容積によって変化します。

実務の手順は明確です。安全な試験を定義し、信号極性とバルブの中立を確認し、コントローラが許せば積分動作と微分動作を無効にして開始し、有効な比例応答を確立し、減衰を加え、再現性のある残留誤差に対してだけ積分動作を導入します。採用するすべての設定を、実際の運転範囲全体で試験します。

要点

コントローラ形式、単位、サンプル時間、フィルターが一致するまで、PIDゲインは他の軸へそのまま移せません。

すべての試験で、設定値、位置、バルブ指令、供給圧力、両方の室圧を記録します。

PIDゲインで補償しようとする前に、飽和、デッドバンド、摩擦、圧力損失、センサー誤差を解消します。

最良の調整変更は、ゲインを変えないことがよくあります。バルブ指令の飽和、入口圧力の低下、段階的な離脱動作を示すトレースは、ゲインを上げても解消できない物理的な限界を示しています。

ループ調整の前に何を確認すべきか

Festoは、サーボ空圧位置決めシステムを、変位エンコーダ付きシリンダ、比例方向切換弁、位置コントローラという3つの中核要素で説明しています。PID調整は、この3要素、機械荷重、圧縮空気経路が正しく動作し、安全に故障することを確認してから開始します（Festo、2026年参照）。

まず制御変数を定義します。本稿では、コントローラが比例方向切換弁を指令し、連続的な位置フィードバックを受ける閉ループ位置軸を前提とします。力を制御する比例圧力レギュレータや、開ループ速度を制御する比例流量弁は別のプラントであり、別の試験設計が必要です。

自動制御を有効にする前に、次を確認します。

シリンダと荷重が、意図した試験範囲を通じて自由に動く。
ガイド、カップリング、治具、ストッパ、センサー取付が締結され、芯が出ている。
動作中も供給圧力が安定し、両方の排気経路に制限がない。
実際の圧力比で、両方向のバルブ流量容量が十分である。
位置フィードバックの極性、範囲、工学単位、基準位置が正しい。
バルブ指令の極性、中立領域、正側限界、負側限界が分かっている。
電源、指令、フィードバック、空気の喪失時に、機械が定義した安全状態へ移行する。
試験速度、加速度、移動量、推力を安全な試運転限界まで下げている。

硬いストッパ、人員、治具、支持されていない垂直荷重の近くで、生産軸を意図的に持続振動へ入れないでください。選定したコントローラにメーカーの同定機能またはオートチューニング機能がある場合は、内部制御構造と安全限界が一般的なPIDブロックと異なる可能性があるため、コミッショニングマニュアルに従います。

PID調整は、機械、空圧、フィードバック、限界値、安全状態の挙動が合格した後に行う最後のコミッショニング層です。

バルブとフィードバックの選定には、別の比例弁によるモーション制御ガイドを使用します。シリンダが要求速度に達する前にバルブ指令が限界へ達する場合は、調整を続ける前にシリンダ流量要件計算機でアクチュエータの必要量を見積もります。

コントローラはどのPID式と単位を使うか

MathWorksは、並列形と標準形という2つの一般的な連続時間PID形式と、積分および微分フィルターの式を選べる離散時間実装を別々に文書化しています。この違いがあるため、コントローラ形式、単位、サンプル時間、アルゴリズムを記録するまで、Kp = 1やKi = 0.2に他の装置へ移せる意味はありません（MathWorks、2026年参照）。

微分項をフィルターした並列形PIDコントローラでは、コントローラの伝達関数を次のように書けます。

C(s) = K_p + \frac{K_i}{s} + \frac{K_d s}{T_f s + 1}

$K_p$ は比例ゲイン、 $K_i$ は積分ゲイン、 $K_d$ は微分ゲイン、 $T_f$ は微分フィルターの時定数です。誤差は $e(t) = r(t) - y(t)$ です。ここで $r(t)$ は指令位置、 $y(t)$ は測定位置です。スケーリングと制限を通った後、コントローラ出力がバルブ指令になります。

コントローラによっては、比例ゲインと積分時間・微分時間として、 $K_p$ 、 $T_i$ 、 $T_d$ を使います。別のコントローラは、教科書的なPIDではなく、速度ゲイン、加速度フィードフォワード、デッドゾーン補償、メーカー固有の減衰パラメータを公開します。ゲインの変換は、メーカーが文書化した関係式に従う場合だけ行ってください。

調整前に、次のコントローラ情報を記録します。

設定	文書化すべき内容	結果が変わる理由
コントローラタイプ	P、PI、PD、PID、PIDF、またはメーカー固有の形式	どの動作が有効かを決める
数学的形式	並列形、標準形、位置形、または増分形	ゲインの意味と単位が変わる
サンプル時間	コントローラの実行周期	離散積分と微分が変わる
位置単位	mm、カウント、ストローク比率、または工学単位	比例誤差と積分誤差のスケールが変わる
出力単位	電圧、電流、パーセント、または符号付き指令ワード	指令能力と飽和のスケールが変わる
積分器の方式	前進オイラー、後退オイラー、台形、またはメーカー方式	離散積分の挙動が変わる
微分方式	誤差または測定値、フィルターありまたはなし	ノイズ感度と設定値への応答が変わる
出力限界	許容される正側および負側の指令	飽和とアンチワインドアップの挙動を定義する

この情報一式と物理プラントが一致しない限り、別の機械のゲインをコピーしないでください。同じボアのシリンダでも、ストローク位置、チューブ容積、バルブサイズ、ペイロード、摩擦、センサーのスケーリングによって異なる結果になります。

ゲインを調整する前に受入れ指標を定義する

MathWorksは、ステップ応答の立上り時間を指令変化の10%から90%の間と定義し、ユーザーが別の値を指定しない限り2%の整定しきい値を使います。これは分析上の慣例であり、機械公差ではありません。実際の位置帯、停止時間、オーバーシュート、故障限界は、プロセス所有者が定義してください（MathWorks、2026年参照）。

端部ストッパから離れた、代表的で安全な動作を選びます。両方向で同じ動作を記録し、コントローラ変更を比較するときは、ペイロード、圧力、プロファイル限界、サンプリング、フィルターを同じにします。

最低限、次を記録します。

指令位置とモーションプロファイルの状態
測定位置と計算速度
利用可能であれば、生センサー値とフィルター後のセンサー値
飽和前のコントローラ出力と、最終的に制限されたバルブ指令
バルブに用意されていれば、バルブフィードバックまたはスプール位置
機械入口圧力と両方のシリンダポート圧力
荷重、シリンダ位置、空気温度、運転経過時間
コントローラモード、有効なゲインセット、故障状態

トレースから、プロジェクトで定義した指標を計算します。

指標	実務上の定義	明らかにできること
立上り時間	動作の指定した下限比率から上限比率までの時間	応答速度
最大オーバーシュート	目標を超えた位置の最大値	減衰不足または補正遅れ
整定時間	指定した位置帯に入り、その中に留まるまでの時間	ハンチング、摩擦、積分回復の遅さ
定常偏差	指令位置と測定位置の最終的な符号付き差	バイアス、荷重、漏れ、摩擦、積分動作不足
再現性	同一試験を繰り返したときのばらつき	変化する摩擦、圧力、荷重、ノイズ、機械状態
指令飽和時間	正側または負側の出力限界に留まる時間	バルブ能力不足または過大な動作要求

空の軸を1回速く動かしただけでは、調整の受入れ試験になりません。積分ワインドアップ、温まったシールの摩擦変化、同時要求時の圧力損失、伸長と収縮の非対称な挙動、1つのストローク位置付近でだけ安定するゲインセットを隠す可能性があります。

調整誤差と空圧ハードウェア故障を切り分けるには

ISO 6358-1は空圧部品の定常流量特性試験を定義し、CAGIは適切に設計されたシステムでコンプレッサーから使用点までの圧力降下を10%以下にすることを推奨しています。バルブの飽和や供給圧力の低下は、PIDゲインを上げても修正できないため、これらの境界が重要です（ISO、2013年；CAGI、2022年）。

記録した信号の連鎖で、最初に許容できなくなった信号を確認します。

トレースの特徴	可能性が高い原因	再調整前に確認すること
位置が遅れている間、バルブ指令が限界に張り付く	流量容量、プロファイル要求、出力スケーリング	バルブデータ、動圧、チューブ内径、排気、指令限界
すべての動作で機械入口圧力が低下する	上流の圧力降下または共有された需要	レギュレータ、フィルター、分岐配管、レシーバー、同時使用機器
室圧が上がってもピストンは静止し、その後位置が跳ぶ	離脱摩擦または機械的な拘束	シール、ガイド、芯出し、荷重、潤滑方針
広いバルブ中立帯の中で位置がハンチングする	デッドバンド、摩擦、漏れ、積分動作過大	中立マップ、バルブサイズ、デッドゾーン処理、積分器
圧力と機械が滑らかなまま、センサー信号だけが跳ぶ	センサーノイズ、取付、スケーリング、サンプルの問題	生フィードバック、シールド、基準位置、更新周期、フィルター
指令の大きさが近いのに、一方向だけ遅い	面積差、重力、方向別の流路、排気制限	両方のバルブ経路、ポート圧、メータアウト機器、マフラー
ストローク位置によって応答が大きく変わる	室容積と空圧剛性	閉じ込め容積、荷重、圧力、位置依存ゲインの必要性

空気圧縮性の制御ガイドでは、2つの室容積が変化すると空圧プラントが変わる理由を説明しています。バルブの手前で動圧を確認するには、圧力降下のトラブルシューティングガイドを参照してください。

バルブ飽和、ハンチング、スティックスリップ、フィードバックノイズには、それぞれ異なる是正策が必要です。

比例弁とシリンダのPID調整: 安全な手動手順

MathWorksのリアルタイムPIDオートチューニング手順は、ゲインを計算する前に、コントローラタイプ、形式、時間領域、サンプル時間、積分器方式、フィルター方式を必要とします。手動手順でも同じ6項目を記録し、安全な動作限界と再現性のある試験条件を加えます（MathWorks、2026年参照）。

コントローラメーカーが手動ゲイン調整を許可している場合は、次の手順を使います。直ちに中止できる手段を用意し、1回に1つのパラメータだけを変更します。

復旧可能な基準を保存する。 動作中のコントローラ構成、バルブスケーリング、フィルター、限界値、モーションプロファイル、安全設定をエクスポートします。
安全な試験動作を1つ選ぶ。 端部ストッパから離れた小さな変位とし、速度、加速度、出力限界を下げます。
対応していれば積分動作と微分動作を無効にする。 その比例のみのモードが、選定した試験で制御可能なままであることを確認します。
比例動作を記録しながら小刻みに増やす。 立上り時間が十分になった時点、最初のオーバーシュート限界に達した時点、ノイズが見えるようになった時点、または振動が始まった時点で停止します。通常の生産機試験として持続振動を強制しないでください。
最初に許容できなかった挙動から戻す。 保守的な比例設定を選び、両方向で動作を数回繰り返します。
必要な場合だけ微分動作またはコントローラの減衰項を加える。 生フィードバックとバルブ指令のチャタリングを監視しながら、徐々に増やします。文書化された微分フィルターを適用します。
比例応答が安定してから積分動作を加える。 必要な時間内に再現性のある定常バイアスを除くために必要な量だけ使います。出力限界でアンチワインドアップが有効であることを確認します。
すべての指標を再確認する。 立上り時間、オーバーシュート、整定、残留誤差、再現性、指令飽和、室圧を基準と比較します。
試験範囲を徐々に広げる。 大小の動作、停止時間、速度、ペイロード、ストローク位置、圧力範囲、現実的な同時空気需要を追加します。

この順番は普遍的な制御則ではありません。PI、フィルター付きPD、2自由度PID、圧力・位置のカスケードループ、メーカー固有のポジショナのほうが適するシステムもあります。プラント故障を隠さず、測定した受入れ基準を満たす最も単純なコントローラを使います。

アンチワインドアップ、微分フィルター、フィードフォワードの役割

MathWorksは、PIDブロックでバック計算とクランプという2つのアンチワインドアップ方式を説明しています。これは、アクチュエータ出力が飽和した後も積分器が誤差を蓄積し続ける可能性があるためです。空圧バルブの指令が電気的限界に達した場合や、バルブが流量限界に達した場合も同じリスクがあります（MathWorks、2026年参照）。

アンチワインドアップとは、最終バルブ指令が制約のないコントローラ出力に追従できないとき、過大な積分状態を防止または解消するコントローラロジックです。これがないと、大きな動作で指令が限界に張り付き、積分誤差が蓄積され、軸がようやく目標へ近づいた後に長いオーバーシュートが生じます。

微分フィルタリングとは、微分動作の高周波ゲインを制限する方法です。フィルターを変更する前に、生フィードバックを確認します。弱すぎるフィルターはセンサーノイズをバルブ指令へ通し、強すぎるフィルターは位相遅れを増やして減衰効果を低下させます。

フィードフォワードとは、位置誤差を待つのではなく、要求された動作から予想されるバルブ操作量の一部を指令する制御動作です。速度フィードフォワードは再現性のある軌道で追従誤差を減らし、同定済みのバイアスは重力や既知の定常荷重を相殺できます。フィードフォワードで、フィードバック極性の誤り、バルブ中立、流量容量不足、安全な動作限界を隠してはいけません。

デッドゾーン補償と摩擦補償には、低速指令スイープまたは圧力・位置トレースからの根拠が必要です。積分ゲインだけでデッドバンドを補償するのは不適切です。ピストンが離脱するまで積分値が蓄積し、誤差が反転してハンチングを繰り返す可能性があります。

試運転中は、それぞれの追加機能を個別にオン／オフできるようにします。ある機能を無効にしても想定した変化が起きない場合は、その機能を前提に調整する前に、単位、実行順序、限界値、信号経路を確認します。

運転範囲全体でコントローラを検証する

2025年のサーボ空圧研究では、外部荷重0、1、5、9 kgの4条件でコントローラを比較し、特定の試験装置で摩擦補償と非線形適応が追従性能を変えることを報告しています。有用な教訓はゲイン値ではなく、荷重変化を仮定せず試験しなければならないという点です（Kamaludinほか、2025年）。

空圧プラントを変化させる条件で、承認したコントローラを検証します。

軽荷重、定格荷重、承認された最大ペイロード
伸長と収縮
両端付近とストローク中央付近の位置
小さな補正と大きな動作
冷間始動と熱的に安定した運転
許容される最低および最高の供給圧力
実際のチューブ、マフラー、エア処理条件
単独需要と、許容される最悪の同時空気使用
短い停止時間と長い停止時間
通常停止、故障停止、再起動の挙動

空気の圧縮性によって剛性は位置依存になり、ピストン面積が異なるため伸長と収縮は非対称になります。固定のゲインセットが合格する場合でも、トレースからそれを実証しなければなりません。

測定データから、保守的な1つのゲインセットではカバーできない明確な運転領域が示された場合だけ、ゲインスケジューリングを使います。スケジューリング変数、境界、補間または切替動作、積分器の引継ぎ、故障時のフォールバックを定義します。「軽い」「中程度」「重い」といった任意の割合は設計方法ではありません。

MathWorksのゲインスケジュール型オートチューニング資料は、各運転点でコントローラのタイプと形式が一致することを求めています。スケジュール領域ごとに、安定性、飽和、遷移、受入れ確認が必要なコントローラとして扱います（MathWorks、2026年参照）。

ゲインスケジュールは、記録されていないハードウェア問題を補うのではなく、測定したプラント変化を記述すべきです。「重荷重」スケジュールが入口圧力の低下時だけ必要なら、スケジューリング変数が空気容量の故障を隠しています。

構成、センサー、バルブの詳細は、シリンダ位置制御ガイドを参照してください。実際の精度限界を確認するには、完成した機械を空圧サーボ位置決め精度の技術的限界と比較します。

PIDループ調整に関するFAQ: 制御エンジニアが確認すべきこと

Festoの3要素サーボ空圧構成とMathWorksの複数のPID形式は、同じルールを示しています。ゲインは、定義されたバルブ、シリンダ、センサー、コントローラ、サンプル時間、運転点に属します。したがって、以下の5つの回答では、一律のゲイン値ではなく測定した受入れ基準を使います（Festo、2026年参照）。

別のシリンダ軸のPIDゲインをコピーできますか?

コントローラ形式、サンプル時間、スケーリング、バルブ、シリンダ形状、チューブ容積、圧力、機械、センサー、荷重、フィルター、出力限界が一致する場合に限り可能です。そのような一致はまれです。別の軸は診断上の参考として使い、自動的なパラメータの供給元にはしないでください。コピーした構成は、エネルギーを下げた動作で検証します。

バルブのデッドバンドを越えるために積分ゲインを上げるべきですか?

最初の対応にはしません。積分動作は、デッドゾーンを通じて指令を蓄積し、ピストンが離脱した後に反転してハンチングを生む可能性があります。まずバルブの中立マップ、摩擦、漏れ、指令スケーリングを測定します。根拠がある場合は、文書化されたデッドゾーン補償または適切なサイズのバルブを使います。

なぜ軸は一方向ではうまく調整できるのに、反対方向ではうまくいかないのですか?

伸長と収縮では、有効面積、重力の影響、バルブ流路、排気制限、摩擦、室容積が異なることがあります。両方向で、指令、位置、入口圧力、両ポート圧力を同期して比較します。異なるゲインセットを作る前に、方向別ハードウェアの非対称性とゲインの影響を分離してください。

PID設定を変更した後、何サイクル待つべきですか?

3サイクルまたは5サイクルという普遍的なルールはありません。応答が整定し、関係する温度または圧力条件が安定した後に再現性を示せるだけの同一動作を実行します。試験計画にサンプル数を記録し、1つだけ特に良いトレースを受け入れるのではなく分布を比較します。

ゲインスケジューリングはいつ正当化されますか?

荷重、ストローク位置、圧力、その他の既知の運転変数によってプラントが十分に変化し、1つのゲインセットでは要件を満たせないことを、再現性のある測定が示した場合に正当化されます。自動切替を有効にする前に、すべての領域について安全な遷移、積分器の処理、補間、フォールバック動作、受入れ試験を定義します。

比例弁とシリンダシステムのPIDループを調整する方法

Eric Zhou