高岡智則
年齢：33歳 性別：男性 職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当） 居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション 出身地：神奈川県川崎市 身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる） 血液型：A型 誕生日：1992年11月20日 最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒 通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分） 家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹 恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）
はじめに
身の回りには閉鎖回路と呼ばれる仕組みがたくさんあります。スマホの温度管理装置や家庭用エアコン（関連記事：アマゾンでエアコン（工事費込み）を買ってみたリアルな感想）の設定なども実は閉鎖回路の一種です。この記事では中学生にも分かる言葉で閉鎖回路の基本を解説します。
閉鎖回路とは
閉鎖回路とは入力した情報と現在の出力を比べて差を見つけ取り出すべき調整量を決める仕組みのことです。ここで言う出力は実際の現象の状態を指します。差があれば調整を行い目標値に近づくように動きます。
基本となる要素
閉鎖回路には主に三つの要素があります。センサーが現在の状態を測定するセンサー、目標値と現在値の差を計算して出力を決めるコントローラ、調整を実際に行うアクチュエータです。これらがつながって feedback ループを作り出します。
負のフィードバックの意味
閉鎖回路の安定には負のフィードバックが欠かせません。出力が目標から離れるとコントローラが強く働いて出力を戻そうとします。これにより振動が収まりやすくなり、長い目で見ると正確に目標値を維持できます。
身近な例で理解する
具体的な例として家庭の温度を例に見てみましょう。部屋の温度が設定温度より低い場合、センサーは現在の温度を検知します。コントローラはこの差を計算してヒータやクーラーに指示を出し、室温を上げたり下げたりします。温度が設定温度に近づくと差は小さくなり、出力もゆっくり安定します。
他にも自動車のクルーズコントロールや洗濯機（関連記事：アマゾンの【洗濯機】のセール情報まとめ！【毎日更新中】）の水量調整など閉鎖回路はよく使われています。これらは出力を見て自動的に調整する点が共通しています。
一歩ずつ仕組みを図解する
1. 目標値を決める
2. 現在の状態を測る
3. 差を求める
4. 差を埋めるための動作を出す
5. 新しい状態を測定し繰り返す
表で比べる開ループと閉鎖回路
| 点 | 開ループ | 閉鎖回路 |
|---|---|---|
| 出力の確認 | 出力を見ない | 出力を常に測定 |
| 安定性 | 設定が難しい | 適切な差分で安定 |
| 応用例 | 単純な計算や作業 | 温度調整や速度制御など |
まとめと学ぶコツ
閉鎖回路を理解するコツは現象と測定と制御の三点を結びつけて考えることです。身近な機器を観察する際には差がどう生まれそれがどのように修正されるかを意識してみてください。初めは難しく感じても、原因と結果の流れを順番に追えば自然と理解が深まります。
言葉の意味を分解
フィードバックという考え方は住んでいる家の中の温度管理や部屋の明るさの調整にも使われます。出力が目標から離れると調整を行い再び目標値へ近づけることが大切です。
実験のアイデア
身の回りの機器で観察する際には設定温度と現在温度の差を想像してみてください。設定温度を変えると動きがどう変わるかを観察し、どのくらいの差があれば機器が作動するかを測ってみると理解が深まります。
閉鎖回路の同意語
- 閉回路
- 電気回路が外部と電気的につながっておらず、電流が外部へ逃げずに回り続ける状態。開放回路の対義語として使われます。
- 閉路
- 回路が閉じている状態を指す略語的表現。電気回路の文脈で用いられることが多く、数学の“閉路”とは使い分けに注意が必要です。
- 閉じた回路
- 電気的に完結して閉じている回路の言い換え。日常的にも自然に使われる表現です。
- クローズド・ループ
- 英語の“closed loop”の音読表現。技術文書や説明でよく使われ、外部と切り離されずに自己完結している状態を指します。
- 閉鎖型回路
- 閉鎖的な構造を持つ回路を意味する表現。主に学術・技術文脈で使われることが多い用語です。
- 閉じたループ
- 回路や信号の経路が完全に閉じている状態を表す、日常的にも使える言い換え表現です。
閉鎖回路の対義語・反対語
- 開放回路
- 電気回路において途中に開放点があり電流が流れない状態。閉じた回路の反対語として使われます。
- オープンループ
- 英語Open Loopの表現。回路・システムが出力を自己調整するフィードバックを持たず、外部の情報で調整されない状態を指します。
- 開放状態
- 内部が外部と遮断されず、外部と連携できる状態のこと。閉鎖的な状態の反対として用いられます。
- 開放性
- 物事が開かれている性質、外部の影響を受け入れやすいことを表します。
- 開放的
- 心や組織が自由で制約が少ない様子を表す形容詞。閉鎖的の対義語として使われます。
- 開通
- 回線や路線などが正式に利用可能となっている状態。閉鎖状態が解かれたイメージを持ちます。
閉鎖回路の共起語
- フィードバック
- 出力の一部を入力へ戻して、出力を調整する仕組み。閉じた回路では欠かせない基本要素です。
- 正のフィードバック
- 出力を入力へ同じ方向に戻し、系の応答を増幅させる性質。過剰だと発散することがある。
- 負のフィードバック
- 出力を入力へ反対方向に戻し、誤差を減らし安定性を高める一般的な回路形態。
- 閉回路
- 出力が再度入力として回路内に取り込まれる回路構成。
- 開放回路
- 出力が入力へ戻らない、外部と独立して動作する回路形態。
- オペアンプ
- 演算増幅器。高い利得を持ち、フィードバックと組み合わせて多様なアナログ回路を作る部品。
- アクチュエータ
- 出力を機械的動作へ変換する装置。モーターやバルブなど。
- センサ
- 現象を測定して電気信号に変換する装置。温度・圧力・位置などを検出する。
- コントローラ
- 参照信号と現在の出力を比較して制御信号を決定する装置。 brain の役割に相当。
- PID制御
- 比例・積分・微分の3要素を組み合わせ、誤差を抑えて追従性を高める代表的な制御法。
- 伝達関数
- 入力と出力の関係を周波数領域で表す数学的表現。線形系の基本的な表現。
- 周波数応答
- 入力の周波数を変えたときの出力の変化を表す特性。
- ボード線図
- ゲインと位相の周波数特性を図で示す、制御系の標準的な可視化。
- 根軌跡
- 複素平面上の極の位置を変化させ、安定性を評価する図表。
- 安定性
- 振動せずに収束する性質。制御系設計の根幹となる指標。
- 利得
- 入力に対する出力の増幅度。ゲインとも呼ばれる。
- ループゲイン
- 閉じたループ内の総合ゲイン。安定性に直結する指標。
- 参照信号
- システムが追従するべき目標信号。
- 誤差
- 参照信号と実測値の差。制御の駆動量となる。
- 過渡応答
- 入力の変化後、出力が安定状態へ向かう過程のこと。
- ステップ応答
- 一定の入力変化（ステップ）に対する出力の時間推移。
- ノイズ抑制
- ノイズ成分を抑えて信号を安定化させる設計・機能。
- 外乱抑制
- 外部からの乱れを抑える能力。
- 負荷変動
- 出力側の負荷が変化する際の影響を最小化する設計。
- 帯域幅
- 有効に使える周波数帯の広さ。広いほど高速な応答が可能。
- 抵抗
- 電気抵抗を持つ基本素子。抵抗器として回路の電圧・電流を調整。
- コンデンサ
- 電荷を蓄える素子。信号の平滑化やフィルタリングに用いられる。
- インダクタ
- 磁界を使ってエネルギーを蓄える素子。主にフィルタやスイッチング回路で使用。
- ブロック図
- システムを機能ブロックに分けて描く図。全体の動作を理解しやすくする。
- サーボ回路
- 位置・速度などを正確に追従させる制御回路。
閉鎖回路の関連用語
- 閉鎖回路
- 出力を測定して得られた情報を入力へ戻すことで、目標値に近づくように動作する自動制御の基本形。センサ・アクチュエータ・制御器を含む。
- 開放回路
- 出力をフィードバックせず、入力信号だけで動作する制御形式。外乱に弱く、目標値追従が難しくなることが多い。
- フィードバック
- 出力の情報を入力側へ戻して制御の精度を高める仕組み。正負の符号で挙動が変わる。
- 負帰還
- 出力を入力へ戻す際、符号を負にして影響を打ち消し、安定性と線形性を高める。
- 正帰還
- 出力を正の符号で戻し、特定の条件下で発振や不安定性を生むことがあるが、発振制御や特別な用途に使われることもある。
- 制御系
- センサからの情報を受け取り、アクチュエータへ指示を出して設定値を達成する全体の構成。
- 制御ループ
- 入力→制御器→アクチュエータ→出力→センサ→入力へと回る連続する流れ。
- ループゲイン
- 制御ループ内の信号の総合的な増幅度。大きすぎると不安定、過小だと応答が遅くなる。
- 安定性
- 制御系が発散せず、望ましい応答を維持できる性質。
- 過渡応答
- 入力の変化後から定常状態へ落ち着くまでの一連の動き。オーバーシュートや振動が現れることがある。
- 定常誤差
- 長時間安定した状態で残る誤差。理想は0だが、設計次第で発生することがある。
- 飽和
- 出力が物理的上限・下限に到達し、指令どおり動作できなくなる状態。
- 遅延
- 信号の伝搬・処理によって生じる時間遅れ。大きいと安定性・応答に影響。
- ノイズ対策
- ノイズを低減する設計・処理。フィルタ、サンプリング、平均化など。
- アクチュエータ
- 制御信号を物理量へ変換して出力を動かす部品。モーター・シリンダ・バルブなど。
- センサ
- 出力を測定して制御へ情報を提供する検出器。温度・圧力・位置など。
- センサフィードバック
- センサが測定した出力情報を制御へ返す仕組み。
- 伝達関数
- 線形時不変系の入力と出力の関係を表す数学的表現。周波数領域での設計に用いられる。
- 補償
- 制御系の安定性・応答を改善するための設計手法（例：位相補償、振幅補償、ループ補償）。
- ループ補償
- ループの安定性や応答特性を整えるための補償設計。
- PID制御
- Proportional-Integral-Derivativeの3要素を組み合わせ、目標値追従と過渡安定性を両立する基本的な制御法。
- P制御
- 誤差に比例した出力を返す。応答は速いが定常誤差が残ることがある。
- I制御
- 誤差の積分を出力に反映して定常誤差を打ち消す。遅れ・積分の風袋に注意。
- D制御
- 誤差の変化率を利用して出力を調整。過渡応答の急激な変化を抑える。
- PI制御
- PとIを組み合わせ、定常誤差を減らしつつ適度な応答を得る。
- PD制御
- PとDを組み合わせ、速い応答と安定性の両立を狙う。
- 開ループ
- 出力をフィードバックせず、外乱影響を受けやすい制御形式。
- オペアンプ
- アナログ回路で高ゲインを得る部品。閉鎖回路の設計にも頻繁に使われる。
閉鎖回路のおすすめ参考サイト
- closed circuitとは・意味・使い方・読み方・例文 - 英ナビ!辞書 英和辞典
- 回路とは何ですか? - ACEBOTT
- 油圧モータの基本知識 - 日本オイルポンプ
- 循環器系のしくみとはたらき | 看護roo![カンゴルー]
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