制御工学 1:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、12 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

安定性
特性多項式のすべての根が左半平面にある
ラウス表、3 次式の s¹ の要素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面の根
第 1 列の符号変化の回数
3 次式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
すべての a > 0 かつ a₂·a₁ > a₀ のとき安定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
固有方程式
1 + K·G(s) = 0
漸近線
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分岐点と合流点
dK/ds = 0
大きさの条件
K = 1/|G(s)|
出発角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

解き方

  1. 閉ループの特性多項式を書きます:1 + K·G(s) = 0 の分母を展開したものです。
  2. 係数を、ラウス表の最初の 2 行に交互に入れ、残りの行を作ります。
  3. 第 1 列の符号変化を数えます:1 回ごとに右半平面の極が 1 個です。表に K が入っているときは、第 1 列のすべての要素が正のままであることを条件にします。
  4. 根軌跡では、極と零点、実軸上の区間、重心から出る漸近線、dK/ds = 0 となる分岐点を記入します。ある点でのゲインには K = 1/|G(s)| を使います。

定常偏差と PID 制御

システムの型
G(s) の s = 0 にある極の個数
偏差定数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
ステップ A
ess = A/(1 + Kp)
ランプ A·t
ess = A/Kv
放物線 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 制御器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
2 次系の目標
s² + 2ζωns + ωn²
オーバーシュートと時間
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

解き方

  1. 開ループ C(s)·G(s) の s = 0 にある極を数えます:それがシステムの型です。
  2. 入力に対応する偏差定数を求めます:ステップには Kp、ランプには Kv、放物線には Ka です。
  3. ess = A/(1 + Kp)、A/Kv、または A/Ka を使うか、それを必要なゲインについて解きます。
  4. 減衰や速度の仕様では、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζω_n·s + ω_n² と係数を合わせます。

2演習問題

1.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 4)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.75) を計算せよ。

F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 4))t = 0.75 s
f(0.75) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 9y′ + 18y = 36·u(t) に従い、y(0) = 5、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 2 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.25) を求めよ。

y″ + 9y′ + 18y = 36·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.25 s
y(0.25) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+6s + 3G(s)C(s)0.1H−

プラント G(s) = 6/(s + 3) を、センサのゲインが H = 0.1 の負帰還ループで制御する。 R に大きさ 24 のステップを加える。定常出力 css を求めよ。

G(s) = 6/(s + 3)H = 0.1R = 24
css =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+Ks(s + 5)(s + 9)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 5)(s + 9)) を単位負帰還ループに入れる。 安定な最大ゲインでは、ループは振動します。振動の周波数 ω を rad/s で求めよ。

G(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))単位負帰還
ω = rad/s
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5?

ある系の伝達関数は G(s) = 10.5/(s² + 6s + 21) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 10.5/(s² + 6s + 21)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)125 %

零点をもたない 2 次系のステップ応答で、オーバーシュートを 25 % にしたい。減衰比 ζ を求めよ。

%OS = 25 %
ζ =
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1s(s + 2)(s + 6)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6)) です。閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))
Kmax =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 5)) の根軌跡は、s = 0 と s = −5 の間で実軸から離れ、円を描いて零点の左側で再び実軸に戻ります。合流点 si を求めなさい。

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 5))
si =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2t+5(s + 1)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 2t が、G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 4)(s + 5)) の単位フィードバックのループに加えられます。定常偏差 ess を求めなさい。

G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 4C(s)−

PI 制御器 C(s) = Kp + Ki/s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 4/(s + 4) を制御しています。閉ループは ωₙ = 5 rad/s、ζ = 0.6 でなければなりません。積分ゲイン Ki を求めなさい。

G(s) = 4/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0.6
Ki =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 100 mHC = 1 µFR = 100 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 100 Ω の両端でとり、L = 100 mH、C = 1 µF である。 中心(共振)周波数 f0 を Hz で求めよ。

R = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF
f0 = Hz
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 76/(s(s + 8)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 76/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.75) = 1.509

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

部分分数展開

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 4)
A = 20/(2·4) = 2.5
B = 20/((−2)·2) = −5
C = 20/((−4)·(−2)) = 2.5

逆変換

f(t) = 2.5 − 5·e−2t + 2.5·e−4t

計算する

f(0.75) = 2.5 − 5·e−2·0.75 + 2.5·e−4·0.75 = 1.509

答え

f(0.75) = 1.509
2.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 4.722

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

方程式を変換する

(s² + 9s + 18)·Y(s) = 5s + 45 + 72/s
Y(s) = (5s² + 45s + 72)/(s(s + 3)(s + 6))

部分分数展開

A = 72/(3·6) = 4
B = −18/((−3)·3) = 2
C = −18/((−6)·(−3)) = −1

結果

y(t) = 4 + 2·e−3t − e−6t
y(0.25) = 4.722

答え

y(0.25) = 4.722

検算:y(0) = A + B + C = 5。

3.ブロック線図

答え: css = 40

ブロック線図の代数:直列のブロックは掛け算(G₁·G₂)、並列のブロックは足し算(G₁ + G₂)になります。前向き経路 G とフィードバック経路 H のループは、負帰還なら T = G/(1 + G·H)、正帰還なら G/(1 − G·H) にまとめられます。内側のループから先に簡単にし、外側へ進みます。閉ループの極は特性方程式 1 + G(s)H(s) = 0 の根です。ループが安定なら、大きさ A のステップ入力に対する定常出力は A·T(0) です。単位フィードバックでは、ステップに対する定常偏差は Kp = G(0) として A/(1 + Kp) です。

閉ループ伝達関数

T(s) = G/(1 + G·H) = 6/(s + 3 + 0.6) = 6/(s + 3.6)

結果

css = R·T(0) = 24·6/3.6 = 40

答え

css = 40
4.ブロック線図

答え: ω = 6.708 rad/s

ブロック線図の代数:直列のブロックは掛け算(G₁·G₂)、並列のブロックは足し算(G₁ + G₂)になります。前向き経路 G とフィードバック経路 H のループは、負帰還なら T = G/(1 + G·H)、正帰還なら G/(1 − G·H) にまとめられます。内側のループから先に簡単にし、外側へ進みます。閉ループの極は特性方程式 1 + G(s)H(s) = 0 の根です。ループが安定なら、大きさ A のステップ入力に対する定常出力は A·T(0) です。単位フィードバックでは、ステップに対する定常偏差は Kp = G(0) として A/(1 + Kp) です。

固有方程式

s³ + 14s² + 45s + K = 0

ラウス表

s³ | 1 45
s² | 14 K
s¹ | (14·45 − K)/14
s⁰ | K

安定限界

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

Kmax = 14·45 = 630

振動の周波数

14·(jω)² + 630 = 0 → ω² = 630/14 = 45
ω = 6.708 rad/s

答え

ω = 6.708 rad/s
5.ステップ応答

答え: %OS = 6.583 %

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

標準形と比べる

分母は s² + 2ζωₙs + ωₙ² と一致しなければなりません。

ωₙ² = 21 → ωₙ = 4.583 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4.583) = 0.6547

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.721 = 6.583 %

答え

%OS = 6.583 %
6.ステップ応答

答え: ζ = 0.4037

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

減衰比

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 1.386/√(9.87 + 1.922) = 0.4037

答え

ζ = 0.4037
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 96

ラウス・フルビッツの安定判別法:線形システムは、特性多項式のすべての根が s 平面の左半平面にあるとき安定です。係数を交互にラウス表の最初の 2 行に書き入れます。新しい行の各要素は、その上の 2 行から求めます。3 次式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ では、s¹ の要素は b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂ です。第 1 列の符号変化の回数は、右半平面にある根の個数に等しくなります。係数にゲイン K が含まれるときは、第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。s¹ の要素が 0 になるゲインが安定限界で、そのときの s² の行から持続振動の周波数が求まります。

固有方程式

s³ + 8s² + 12s + K = 0

ラウス表

s³: 1, 12
s²: 8, K
s¹: (8·12 − K)/8
s⁰: K

条件

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

K > 0
8·12 − K > 0 → K < 96

答え

Kmax = 96

K = 96 のとき、閉ループは ω = √12 = 3.464 rad/s で振動します。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: si = −12.9

根軌跡:ゲイン K を 0 から ∞ まで変えると、閉ループ極、すなわち 1 + K·G(s) = 0 の根は、開ループ極から開ループ零点または無限遠へ移動します。実軸上の点は、その右側にある実極と実零点の個数の合計が奇数のとき、軌跡に属します。無限遠へ向かう n − m 本の枝は、重心 σₐ = (極の和 − 零点の和)/(n − m) から出る漸近線に沿い、その角度は (2q + 1)·180°/(n − m) です。枝は dK/ds = 0 となる点で実軸から離れたり、実軸に合流したりします。角度条件 ∠G(s) = 180° が形を決め、大きさの条件 K = 1/|G(s)| が軌跡上の任意の点でのゲインを与えます。

実軸に沿ったゲイン

K(s) = −(s² + 5s)/(s + 8)

停留点

商の微分法で微分し、分子を 0 とおきます。

(2s + 5)(s + 8) − (s² + 5s) = s² + 16s + 40 = 0
s = −8 ± √24 = −3.101, −12.9

合流点

si = −12.9

答え

si = −12.9

2 つの分岐点の間では、軌跡は零点を中心とする半径 √24 = 4.899 の円になります。

9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 8

定常偏差:開ループ伝達関数 G(s) をもつ単位フィードバックのループでは、偏差は E(s) = R(s)/(1 + G(s)) で、最終値の定理により ess = lims→0 s·E(s) です。システムの型は、G(s) の s = 0 にある極の個数です。偏差定数は Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s)、Ka = lim s²·G(s) で、いずれも s → 0 の極限です。大きさ A のステップ入力では ess = A/(1 + Kp)、ランプ入力 A·t では A/Kv、放物線入力 A·t²/2 では A/Ka になります。0 型のループはステップ入力に有限の偏差で追従し、1 型のループはステップ入力に偏差なく追従し、ランプ入力には有限の偏差で追従します。

速度偏差定数

Kv = lim s·G(s) = 0.25

ランプ偏差

ess = 2/0.25 = 8

答え

ess = 8
10.定常偏差と PID 制御

答え: Ki = 6.25

P 制御、PI 制御、PID 制御:制御器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s は偏差に作用します。比例ゲインはループを速くし、0 型の制御対象の偏差を小さくしますが、なくすことはできません。積分項は s = 0 に極を加えます:システムの型が 1 つ上がり、ステップ入力に偏差なく追従します。微分項は減衰を加えます。ゲインを決めるには、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζωns + ωn² と比較します。すると %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、tp = π/ωd(ωd = ωn√(1 − ζ²))、ts ≈ 4/(ζωn) となります。

特性多項式

1 + C(s)G(s) = 0 に s(s + 4) を掛けます。

s² + (4 + 4Kp)s + 4Ki

目標の多項式

s² + 2·0.6·5s + 5² = s² + 6s + 25

係数を合わせる

4Ki = 25 → Ki = 6.25

答え

Ki = 6.25

積分項によりループは 1 型になるので、ステップ入力に定常偏差なく追従します。

11.ボード線図と余裕

答え: f0 = 503.3 Hz

周波数応答:伝達関数に s = jω を代入します。デシベルでの大きさは 20·log₁₀|H(jω)|、位相は分子の因子の角の和から分母の因子の角を引いたものです。1 次の RC または RL フィルタのカットオフ(−3 dB)周波数は ωc = 1/(RC) または R/L、fc = ωc/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)、φ = −atan(ω/ωc) です。漸近的な(直線近似の)ボード線図では、各極はそのコーナー周波数で大きさを 20 dB/decade ずつ下向きに折り曲げ、各零点は 20 dB/decade ずつ上向きに折り曲げ、積分器 1/s はすべての周波数で −20 dB/decade を与えます。ゲイン交差周波数 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB)、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jωc)。位相交差周波数 ω180:∠L(jω) = −180°、ゲイン余裕 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。両方の余裕が正のとき、閉ループは安定です。

共振周波数

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503.3 Hz

答え

f0 = 503.3 Hz
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 7.104 rad/s

周波数応答:伝達関数に s = jω を代入します。デシベルでの大きさは 20·log₁₀|H(jω)|、位相は分子の因子の角の和から分母の因子の角を引いたものです。1 次の RC または RL フィルタのカットオフ(−3 dB)周波数は ωc = 1/(RC) または R/L、fc = ωc/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)、φ = −atan(ω/ωc) です。漸近的な(直線近似の)ボード線図では、各極はそのコーナー周波数で大きさを 20 dB/decade ずつ下向きに折り曲げ、各零点は 20 dB/decade ずつ上向きに折り曲げ、積分器 1/s はすべての周波数で −20 dB/decade を与えます。ゲイン交差周波数 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB)、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jωc)。位相交差周波数 ω180:∠L(jω) = −180°、ゲイン余裕 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。両方の余裕が正のとき、閉ループは安定です。

ゲイン交差

ω⁴ + 64ω² − 5776 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·5776))/2 = 50.46
ωc = 7.104 rad/s

答え

ωc = 7.104 rad/s

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