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−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (3s + 19)/(s² + 6s + 10) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.1) を計算せよ。

F(s) = (3s + 19)/(s² + 6s + 10)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 4、y′(0) = −2 の条件で y″ + 8y′ + 15y = 0 を解き、y(0.2) を求めよ。

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = −2t = 0.2 s
y(0.2) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+33s + 7G(s)C(s)0.5H−

プラント G(s) = 33/(s + 7) を、センサのゲインが H = 0.5 の負帰還ループで制御する。 R に大きさ 5 のステップを加える。定常出力 css を求めよ。

G(s) = 33/(s + 7)H = 0.5R = 5
css =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+12s + 4G₁+5s + 3G₂C(s)2H₁−0.2H₂−

G₁ = 12/(s + 4)、G₂ = 5/(s + 3)、G₂ の周りの内側の負帰還 H₁ = 2、外側の負帰還 H₂ = 0.2 のブロック線図を簡単にせよ。C(s)/R(s) の直流ゲイン T(0) を求めよ。

G₁ = 12/(s + 4)G₂ = 5/(s + 3)H₁ = 2H₂ = 0.2
T(0) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1?

ある系の伝達関数は G(s) = 57/(s² + 3s + 57) 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) = 57/(s² + 3s + 57)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 0.2 s25 %

零点をもたない 2 次系のステップ応答で、オーバーシュートは 25 % で、最初のピークは t = 0.2 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 25 %tp = 0.2 s
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)+501s(s + 4)(s + 8)C(s)+

図のループは正帰還で、L(s) = 50/(s(s + 4)(s + 8)) 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) = 50/(s(s + 4)(s + 8))
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(s + 2)(s + 4)C(s)−

単位フィードバックのループで G(s) = K/((s + 2)(s + 4)) です。ステップ入力に対する定常偏差が 20 % となるゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 20 %
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K4s(s + 6)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) = 4/(s(s + 6)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.8 にするゲイン K を求めなさい。

G(s) = 4/(s(s + 6))ζ = 0.8
K =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 10 ΩL = 100 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 10 Ω, L = 100 mH です。3.2 Hz の正弦波入力が加えられます。 vin に対する vout の位相のずれ φ を度で求めよ。

R = 10 ΩL = 100 mHf = 3.2 Hz
φ = °
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 + 1)(s + 10)) である。 ゲイン余裕が 10 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))GM = 10 dB
K =

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.1) = 2.951

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

分子を合わせる

F(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (10/1)·1/((s + 3)² + 1²)

逆変換

f(t) = e−3t·(3·cos 1t + 10·sin 1t)
f(0.1) = e−3·0.1·(3·cos(1·0.1) + 10·sin(1·0.1)) = 2.951

答え

f(0.1) = 2.951
2.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 3.1

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 − 4s − (−2) + 8(sY − 4) + 15Y = 0
Y(s) = (4s + 30)/((s + 3)(s + 5))

部分分数展開

A = 18/2 = 9
B = 10/(−2) = −5

結果

y(t) = 9·e−3t − 5·e−5t
y(0.2) = 3.1

答え

y(0.2) = 3.1

検算:y(0) = A + B = 4。

3.ブロック線図

答え: css = 7.021

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) = 33/(s + 7 + 16.5) = 33/(s + 23.5)

結果

css = R·T(0) = 5·33/23.5 = 7.021

答え

css = 7.021
4.ブロック線図

答え: T(0) = 0.9375

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 5/(s + 13)

外側のループ

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 60/((s + 4)(s + 13) + 12)

直流ゲイン

T(0) = 60/(4·13 + 12) = 60/64 = 0.9375

答え

T(0) = 0.9375
5.ステップ応答

答え: %OS = 52.89 %

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 = 57 → ωₙ = 7.55 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7.55) = 0.1987

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.6369 = 52.89 %

答え

%OS = 52.89 %
6.ステップ応答

答え: ωn = 17.17 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。

減衰比

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

固有振動数

ωd = π/tp = π/0.2 = 15.71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15.71/0.9149 = 17.17 rad/s

答え

ωn = 17.17 rad/s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: N = 1

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 + 12s² + 32s − 50 = 0

ラウス表

s³: 1, 32
s²: 12, −50
s¹: 36.17
s⁰: −50

第 1 列の符号変化

1 → 12 → 36.17 → −50
N = 1

答え

N = 1

正帰還では定数項の係数が負になるため、実極が必ず 1 つ右半平面に移ります。

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: K = 32

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。

必要な偏差定数

1/(1 + Kp) = 0.2 → Kp = 4

利得

K/8 = 4 → K = 32

答え

K = 32

閉ループの安定性も確認しましょう:この 2 次のループでは、K > 0 ならどんな値でも安定です。

10.定常偏差と PID 制御

答え: K = 3.516

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 + 6) + 4K = s² + 6s + 4K

固有振動数

2·0.8·ωₙ = 6 → ωₙ = 3.75 rad/s

利得

4K = ωₙ² = 14.06 → K = 3.516

答え

K = 3.516
11.ボード線図と余裕

答え: φ = 78.63 °

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。

カットオフ周波数

ωc = R/L = 10/0.1 = 100 rad/s
fc = 15.92 Hz → f/fc = 3.2/15.92 = 0.2011

位相

φ = 90° − atan(0.2011) = 78.63°

答え

φ = 78.63°
12.ボード線図と余裕

答え: K = 34.79

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/1)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3.162 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 100)) = K/(1·10·(1 + 10)) = K/110

必要なゲイン

110/K = 1010/20 = 3.162
K = 110/3.162 = 34.79

答え

K = 34.79

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