比例微分 (PD) 制御は、安定性とパフォーマンスを向上させるために、さまざまなエンジニアリングシステムで広く使用されている制御方法です。比例制御のみを使用するシステムでは、誤差信号とその変化率の両方で見られる最大オーバーシュートと振動が大きな問題としてよく見られます。この動作は、初期オーバーシュート、後続のアンダーシュート、および段階的な安定化という 3 つの異なる段階に分けられます。
モータートルクの制御の例を考えてみましょう。最初に、正の誤差信号によって、急速に上昇する正のモータートルクが生成されます。このトルクの急増により、大きな力と不十分な減衰が原因で、出力の大幅なオーバーシュートと振動が発生します。比例制御の過剰な初期補正と弱い抵抗を反映して、システムの出力は目標値を超えています。
第 2 段階では、負の誤差信号によって負のモータートルクが生成され、出力が減速して目標を下回ります。このアンダーシュートは、最初のオーバーシュート後にシステムが反対方向に過剰補正する傾向があることを示しています。この段階でのトルクの減少によって出力が遅くなりますが、適切な減衰がないため、振動動作が発生します。
最終段階では、正のモータートルクが再び現れ、前の段階からのアンダーシュートが減少します。各振動では、誤差振幅が減少し、システムの出力が徐々に安定します。オーバーシュートの原因となった初期補正値が高く、抵抗が弱いため、この段階では抵抗が増加し、補正力が減少することでバランスが取れます。
PD 制御は、誤差信号の傾斜に基づいて予測調整を導入することで、これらの問題を効果的に解決します。この予測メカニズムにより、システムは方向を予測して修正し、過剰なオーバーシュートを緩和して振動の振幅を減らすことができます。システムの応答速度を調整することで、PD 制御は初期修正力を微調整し、抵抗を強化してオーバーシュートとアンダーシュートを小さくします。その結果、システムはより安定した制御された出力を実現します。
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