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
ReIm−5−105

F(s) = (2s + 26)/(s² + 4s + 40) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = (2s + 26)/(s² + 4s + 40)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 7、y′(0) = 6 の条件で y″ + 6y′ + 5y = 0 を解き、y(0.3) を求めよ。

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 7y′(0) = 6t = 0.3 s
y(0.3) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+12K+10s + 2G(s)C(s)5H₁−−

プラント G(s) = 10/(s + 2) には、ゲイン H₁ = 5 の内側(マイナー)の負帰還ループがある。コントローラのゲイン K = 12 と外側の単位負帰還ループで系が閉じられる。 閉ループの極 p を求めよ。

G(s) = 10/(s + 2)H₁ = 5K = 12
p =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+Ks(s + 4)(s + 9)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 4)(s + 9)) を単位負帰還ループに入れる。 ラウス・フルビッツの安定判別法を用いて、閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))単位負帰還
Kmax =
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) = 43.5/(s² + 6s + 87) 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) = 43.5/(s² + 6s + 87)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
+−24 VR = 261 ΩL = 500 mHC = 4.7 µFvC​

R = 261 Ω、L = 500 mH、C = 4.7 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 24 V のステップを加える。コンデンサは充電されておらず、ステップの前には電流は流れていない。 減衰のない固有角周波数 ωn を rad/s で求めよ。

R = 261 ΩL = 500 mHC = 4.7 µFV = 24 V
ωn = rad/s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+5851s(s + 3)(s + 10)C(s)−

図のループは負帰還で、L(s) = 585/(s(s + 3)(s + 10)) です。右半平面にある閉ループ極の個数 N はいくつですか。

L(s) = 585/(s(s + 3)(s + 10))
N =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10−12j2−0.5

ループ L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)) について、閉ループ極を s = −0.5 に置くゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))s = −0.5
K =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 10410s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 4/(10s + 1) を、比例ゲイン K = 10 で単位フィードバックのループにより制御します。ステップ入力に対する定常偏差 ess を、ステップの大きさに対する百分率で求めなさい。

G(s) = 4/(10s + 1)K = 10
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K1s(s + 2)C(s)−

比例制御器 K が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 1/(s(s + 2)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.6 にするゲイン K を求めなさい。

G(s) = 1/(s(s + 2))ζ = 0.6
K =
11.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 1

ω = 1 rad/s における G(s) = 20(s + 15)/(s(s + 11)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 20(s + 15)/(s(s + 11))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)) である。 ゲイン余裕が 4 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))GM = 4 dB
K =

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 2.777

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)。

平方完成する

s² + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

分子を合わせる

F(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (22/6)·6/((s + 2)² + 6²)

逆変換

f(t) = e−2t·(2·cos 6t + 3.667·sin 6t)
f(0.2) = e−2·0.2·(2·cos(6·0.2) + 3.667·sin(6·0.2)) = 2.777

答え

f(0.2) = 2.777
2.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 6.868

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

s²Y − 7s − 6 + 6(sY − 7) + 5Y = 0
Y(s) = (7s + 48)/((s + 1)(s + 5))

部分分数展開

A = 41/4 = 10.25
B = 13/(−4) = −3.25

結果

y(t) = 10.25·e−t − 3.25·e−5t
y(0.3) = 6.868

答え

y(0.3) = 6.868

検算:y(0) = A + B = 7。

3.ブロック線図

答え: p = −172

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。

内側のループ

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 10/(s + 2 + 10·5) = 10/(s + 52)

外側のループ

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 120/(s + 52 + 120) = 120/(s + 172)

結果

p = −172

答え

p = −172
4.ブロック線図

答え: Kmax = 468

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 + 13s² + 36s + K = 0

ラウス表

s³ | 1 36
s² | 13 K
s¹ | (13·36 − K)/13
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 = 13·36 = 468

答え

Kmax = 468
5.ステップ応答

答え: %OS = 34.4 %

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 = 87 → ωₙ = 9.327 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9.327) = 0.3216

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.067 = 34.4 %

答え

%OS = 34.4 %
6.ステップ応答

答え: ωn = 652.3 rad/s

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。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.5·4.7 × 10⁻⁶) = 652.3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (261/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.5) = 0.4001

結果

ωₙ = 652.3 rad/s

答え

ωn = 652.3 rad/s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: N = 2

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。

特性多項式

s³ + 13s² + 30s + 585 = 0

ラウス表

s³: 1, 30
s²: 13, 585
s¹: −15
s⁰: 585

第 1 列の符号変化

1 → 13 → −15 → 585
N = 2

答え

N = 2

ゲインが限界 K = 390 を超えているので、複素共役の極が右半平面に移っています。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: K = 11.88

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。

大きさの条件

K = |s|·|s + 3|·|s + 10|

その点で評価する

K = 0.5·2.5·9.5 = 11.88

答え

K = 11.88

確認:s(s + 3)(s + 10) + K は s = −0.5 で 0 になります。

9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 2.439 %

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。

位置偏差定数

Kp = 10·4 = 40

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 40) = 2.439 %

答え

ess = 2.439 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: K = 2.778

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

s(s + 2) + 1K = s² + 2s + 1K

固有振動数

2·0.6·ωₙ = 2 → ωₙ = 1.667 rad/s

利得

1K = ωₙ² = 2.778 → K = 2.778

答え

K = 2.778
11.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −91.38 °

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。

角を足す

∠G = atan(1/15) − 90° − atan(1/11) = 3.814° − 90° − 5.194°

結果

∠G(j1) = −91.38°

答え

∠G(jω) = −91.38°
12.ボード線図と余裕

答え: K = 113.6

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。

位相交差

(ω/4)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4.472 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 25)) = K/(4·5·(4 + 5)) = K/180

必要なゲイン

180/K = 104/20 = 1.585
K = 180/1.585 = 113.6

答え

K = 113.6

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