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PID制御シミュレーター|ゲイン調整とステップ応答

Kp・積分時間Ti・微分時間Tdを変え、出力と操作量を比較するPID制御の学習ツール。1次遅れ・むだ時間・2次系・積分系を選び、オーバーシュート、90%到達時間、IAEを確認できます。

PIDゲイン
比例ゲイン Kp
積分時間 Ti (s)
s
大きいほどI項が弱い。完全停止は下のチェック欄。

微分時間 Td (s)
s
目標値 SP
シミュレーション時間 (s)
s
プリセット
パフォーマンス指標
閉ループ・ライブ制御(PVがSPを追従)
0.70
目標値 SP
0.000
現在値 PV
0.700
偏差 e
0.00
制御出力 u
0.0%
オーバーシュート
—
立上り時間
—
整定時間
0.700
定常偏差
0.000
Ki=Kp/Ti
0.00
Kd=Kp·Td
PV(液位) SP(目標) e(偏差) u(流入=制御出力)
比例ゲイン Kp1.50
積分時間 Ti (s)8.0
微分時間 Td (s)0.00
目標液位 SP0.70
プロセス時定数 τ (s)5.0
Kp/Ki/Kdを変えると閉ループ応答が「鈍い→俊敏→振動→不安定」と目に見えて変化します。1次遅れプラントではP制御のみで定常偏差=1/(1+Kp·K)が残り、I項を加えると偏差→0になります。
計算結果
—
90%到達時間 (s)
—
整定時間 ts (s)
—
オーバー シュート %
—
終了時偏差 %
—
IAE
—
ITAE
プロセス変数 y(t) とセットポイント
コントローラー出力 u(t)
PID 制御入力 u(t)
プロセス変数 y(t) 目標値 SP 制御出力 u(t)
理論・主要公式
$$u(t)=K_p\!\left[e(t)+\frac{1}{T_i}\!\int_0^t\!e\,d\tau+T_d\frac{de}{dt}\right]$$
ZN整定式(ステップ応答法):
$K_p=1.2\,\tau/(K\cdot L),\quad T_i=2L,\quad T_d=0.5L$

条件をそろえて試す

計算例

初期条件の1次遅れ系(プロセスゲイン1、時定数5秒)、Kp=1、Ti=5秒、Td=0秒、目標値1、計算時間50秒では、90%到達時間は約11.5秒、IAEは約4.99です。まずKpだけを変えて応答と操作量を見比べてください。

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モデルと適用範囲

基本形は u=Kp(e+∫e dt/Ti+Td·de/dt)。並列形との換算は Ki=Kp/Ti、Kd=Kp·Td です。本実装は0.02秒刻みの数値積分、微分フィルター、操作量±10の制限を使います。タンクの実演パネルには独立した設定があります。

よくある質問

Tiを大きくすると積分は強くなりますか?

同じKpならKi=Kp/Tiなので、Tiが大きいほど積分作用は弱くなります。完全に無効化するには「積分作用を無効化」を使います。Pプリセットはこれを選びます。タンク実演ではTi最大値40秒で積分が無効になります。

立上り時間・整定時間はどう読みますか?

立上り時間は目標値の90%への初回到達(10–90%ではありません)。整定時間は最後の帯外サンプルの次から終了まで±2%帯内にいる場合だけ表示します。終了時が帯外なら「—」。終了時偏差は有限時間の値で、定常状態とは限りません。

Ziegler–Nicholsボタンだけで最適化できますか?

初期値の提案です。むだ時間のない系では仮のむだ時間を使い、入力範囲内に制限します。最適性や実機の安定を保証しないため、応答・操作量・飽和を確認して調整してください。

実際の装置にそのまま設定できますか?

できません。装置の単位、PID形式、サンプリング周期、センサー雑音、アクチュエーター制限が必要です。本ページはモデル比較用で、実機への書き込み機能はありません。

理論の参考資料(本ツールの精度保証ではありません)

MathWorks: PID forms

説明を更新:2026年9月6日

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