プログラミング

システム制御工学の超入門!電気ケトルの仕組みを理系的に解説!

新学期が始まりました!

新たな知識を取り入れアウトプットをし積極的に情報共有をしていこうと思います!

今回は「システム制御」について触れていきます。

お気持ち的なものが伝わればオッケーです!

システム制御工学とは?

まずは言葉の定義をしていきます!

システムとは?

システムとは、複数の部分(要素)が互いに作用し合って、全体として秩序をつくっているもの

と定義されています。

文字だけ見てもよく分らないので、具体例を挙げます!

  • 人体
  • 太陽系
  • 自動車
  • ロボット

これらは全てシステムです!

人体は約60兆個の細胞からできていますよね!そして、とても複雑に相互に作用しています。

自動車なんかも同じくです!

制御とは?

JIS用語で、

ある目的に適合するように対象となるものに所要の操作を加えること

と定められています。

これも具体例を挙げます!

  • 雪道などでのブレーキ操作による車輪のロックを防ぐABS装置
  • ジュースサーバーでジュースを注ぐこと
  • 車、カメラ、携帯電話、飛行機、火力発電所など

というか、全ての人工物はシステム制御抜きには考えられないといっても過言ではありません!

身の回りものほとんど全ては制御機能が内蔵されています。

なぜ学ぶのか?

モノを思い通りに動かすためには「対象の性質を上手く利用すること」が大切です。

 

そして、どのような制御対象にも普遍的な制御原理が存在します。

この制御原理を知らないで「個々の制御対象の性質を上手く利用すること」ができるでしょうか?

いいえできません!(反語!笑)

 

つまり、この「普遍的な制御原理」を学ぶためにこの学問を学びます!

制御の具体的な例

ここでは、具体的にどんな風に制御原理について考えていくのか、一人暮らしの見方!

電気ケトルを例に見ていきます!

構成としては、制御目的、どんなシステムが、どんな風に作用するのか、という順番で考えていきます!

ここからは文章がかたくなります。

考察対象

電気ケトル(下のやつは楽天で一番人気の電気ケトルだそうです。)

 

制御目的「なんのため?」

少量のお湯を必要なときに短時間で手軽に沸かすため。

システム「なにが?」

コンセント→スイッチ→シーズヒーター→サーモスタット→スイッチ

この順番で作用していきます。

操作「なにを?」

コンセントから電源を得て、電気ケトルの底面に固定されたシーズヒーターというニクロム線を絶縁体で包み金属パイプの中に埋め込んだヒーターに電圧を加えることで過熱をします。

そして、サーモスタットというセンサーによって温度及び電源の管理をします。

このセンサーは2種類の金属を張り合わせたバイメタルという構造を持っており、それぞれの金属の熱膨張の違いによって、水の温度が沸点まで高まるとバイメタルがたわみスイッチを切るという仕組みになっています。

この系で必要となる値は、

  • 電源電圧v
  • 水の温度をT
  • 熱膨張係数α
  • 水の目標温度T’

です。

水の温度TをT’に制御するために、制御しなければならない値は電源電圧vです。

この電源電圧vをちょうどいいタイミングで制御するためにサーモスタットを用います。

サーモスタットは水温がT’となった際に金属がたわむような熱膨張係数αをもつ金属を採用するのです。

そして、金属がたわんだ際に、電源スイッチが切れ、v = 0 となるように金属のたわみを設計します。

これにより、水量や気温が違っていたとしても毎回一定の水温に制御することが可能になるのです。

さらに、これは液体の温度でスイッチを制御するので、ふたを密閉したりして容器内の圧力を変えたり、水以外の沸点の異なる液体を入れると、沸騰してもスイッチが切れないことが起こりえるので吹きこぼれの原因などになり危険であることが分かります。

 

以上が、電気ケトルシステム制御工学的に見たときの考察です。

まとめ

この先ほど出てきた文字v,T,αなどの部分について計算を用いて考えていくのがこの学問のメインです!

どんな成り立ちで機械を制御しているのかを考えるのも楽しいですね!

こうやって考えてみると、機械がしてほしくないことなども自然と見えてくるので、長持ちさせることができますよね!

結果的にお財布にも優しくなるかも知れません笑

 

興味があれば是非勉強してみてください!

参考文献

編集:涌井良幸・涌井貞美 中経出版「雑学化学読本 身のまわりのモノの技術vol.2」

著者:早川義一 新インターユニバーシティ「システムと制御」

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