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−1−2−3−412

F(s) = (4s + 17)/(s² + 8s + 20) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.1) を計算せよ。

F(s) = (4s + 17)/(s² + 8s + 20)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.ラプラス変換むずかしい
ReIm−5−10−15−20

ある系が微分方程式 y″ + 5y′ + 4y = u′ + 19u で表される(入力 u(t)、出力 y(t))。その伝達関数 G(s) = Y(s)/U(s)(初期条件はゼロ)を求め、t = 0.2 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.2) を求めよ。

y″ + 5y′ + 4y = u′ + 19ut = 0.2 s
g(0.2) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+16s(s + 6)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 16/(s(s + 6)) である。基準入力はランプ r(t) = 1·t である。定常偏差 ess を求めよ。

G(s) = 16/(s(s + 6))r(t) = 1·t
ess =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+K(s + 1)(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 1)(s + 7)(s + 8)) 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 + 1)(s + 7)(s + 8))単位負帰還
ω = rad/s
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 30/(s² + 10s + 60) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 30/(s² + 10s + 60)
tp = s
6.ステップ応答むずかしい
+−10 VR = 83 ΩL = 500 mHC = 47 µFvC​

R = 83 Ω、L = 500 mH、C = 47 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 10 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 = 83 ΩL = 500 mHC = 47 µFV = 10 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)+Ks + 4s(s + 1)(s + 2)C(s)−

単位フィードバックのループで L(s) = K(s + 4)/(s(s + 1)(s + 2))、K > 0 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 + 4)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10−12−14j2j4sb​

L(s) = K/((s + 4)(s + 12)) の根軌跡を示します。2 つの閉ループ極が実軸上で一致する分岐点 sb でのゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/((s + 4)(s + 12))
K =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 920.5s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 2/(0.5s + 1) を、比例ゲイン K = 9 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) = 2/(0.5s + 1)K = 9
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 1C(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 + 1) を制御しています。閉ループは ωₙ = 3 rad/s、ζ = 1 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 + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 1
Ki =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 4.7 kΩC = 1 nFvout​

図の RC ローパスフィルタ は R = 4.7 kΩ, C = 1 nF です。17 kHz 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 = 4.7 kΩC = 1 nFf = 17 kHz
φ = °
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 28/(s(s + 2)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 28/(s(s + 2))
PM = °

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.1) = 2.694

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 + 8s + 20 = (s + 4)² + 4 = (s + 4)² + 2²

分子を合わせる

F(s) = 4·(s + 4)/((s + 4)² + 2²) + (1/2)·2/((s + 4)² + 2²)

逆変換

f(t) = e−4t·(4·cos 2t + 0.5·sin 2t)
f(0.1) = e−4·0.1·(4·cos(2·0.1) + 0.5·sin(2·0.1)) = 2.694

答え

f(0.1) = 2.694
2.ラプラス変換

答え: g(0.2) = 2.666

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)。

伝達関数

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 19)/(s² + 5s + 4)

部分分数展開

s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 6, B = −5

インパルス応答

g(t) = 6·e−t − 5·e−4t
g(0.2) = 2.666

答え

g(0.2) = 2.666
3.ブロック線図

答え: ess = 0.375

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。

速度偏差定数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 16/6 = 2.667

定常偏差

ess = A/Kᵥ = 1/2.667 = 0.375

答え

ess = 0.375
4.ブロック線図

答え: ω = 8.426 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 + 16s² + 71s + 56 + K = 0

ラウス表

s³ | 1 71
s² | 16 56 + K
s¹ | (16·71 − 56 − K)/16
s⁰ | 56 + 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 = 16·71 − 56 = 1080

振動の周波数

16·(jω)² + 56 + 1080 = 0 → ω² = 1136/16 = 71
ω = 8.426 rad/s

答え

ω = 8.426 rad/s
5.ステップ応答

答え: tp = 0.531 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。

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 = 60 → ωₙ = 7.746 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7.746) = 0.6455

結果

ωd = 7.746·√(1 − 0.6455²) = 5.916 rad/s → tp = π/ωd = 0.531 s

答え

tp = 0.531 s
6.ステップ応答

答え: ωn = 206.3 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 × 10⁻⁵) = 206.3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (83/2)·√(4.7 × 10⁻⁵/0.5) = 0.4024

結果

ωₙ = 206.3 rad/s

答え

ωn = 206.3 rad/s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 6

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

s(s + 1)(s + 2) + K(s + 4) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 4K

ラウス表

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 4K
s¹: (3·(2 + K) − 4K)/3
s⁰: 4K

条件

6 − 1K > 0
K < 6/1 = 6

答え

Kmax = 6

零点が s = −3 より右にあれば、ループはすべての K > 0 で安定のままです。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: K = 16

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。

分岐点

K = −(s + 4)(s + 12) について dK/ds = 0 とすると 2s + 16 = 0 になります。

sb = −8

大きさの条件

K = |−8 + 4|·|−8 + 12| = 4·4 = 16

答え

K = 16

このゲインで、閉ループは臨界減衰(ζ = 1)になります。

9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 5.263 %

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 = 9·2 = 18

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 18) = 5.263 %

答え

ess = 5.263 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: Ki = 2.25

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 + 1) を掛けます。

s² + (1 + 4Kp)s + 4Ki

目標の多項式

s² + 2·1·3s + 3² = s² + 6s + 9

係数を合わせる

4Ki = 9 → Ki = 2.25

答え

Ki = 2.25

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: φ = −26.66 °

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 = 1/(RC) = 1/(4700·1 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 17000/33863 = 0.502

位相

φ = − atan(0.502) = −26.66°

答え

φ = −26.66°
12.ボード線図と余裕

答え: PM = 21.39 °

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 + 4ω² − 784 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·784))/2 = 26.07
ωc = 5.106 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(5.106/2) = −158.6°
PM = 180° + ∠L = 21.39°

答え

PM = 21.39°

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