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 = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = (5s + 17)/(s² + 10s + 25) の f(t) を求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = (5s + 17)/(s² + 10s + 25)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = −3、y′(0) = 8 の条件で y″ + 7y′ + 10y = 0 を解き、y(0.6) を求めよ。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −3y′(0) = 8t = 0.6 s
y(0.6) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+4K+6s + 5G(s)C(s)3H₁−−

プラント G(s) = 6/(s + 5) には、ゲイン H₁ = 3 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 = 4 と外側の単位負帰還ループで系が閉じられる。 閉ループの直流ゲイン T(0) を求めよ。

G(s) = 6/(s + 5)H₁ = 3K = 4
T(0) =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+8コントローラ+D(s)+4s + 2プラントC(s)−

比例コントローラ K = 8 が、プラント G(s) = 4/(s + 2) を単位負帰還ループで駆動する。外乱 D はプラントの入力に加わる(コントローラの出力に加算される)。 大きさ 5 の基準ステップと大きさ 10 の外乱ステップを同時に加える。定常出力 css を求めよ。

K = 8G(s) = 4/(s + 2)D = 10R = 5
css =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)2

ある系の伝達関数は G(s) = 164/(s² + 10s + 82) で、単位ステップ入力を受ける。 固有角周波数 ωn を rad/s で求めよ。

G(s) = 164/(s² + 10s + 82)
ωn = rad/s
6.ステップ応答むずかしい
R(s)+75s(s + 12)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 75/(s(s + 12)) である。ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、閉ループのステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 75/(s(s + 12))
ts = s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1(s + 3)(s + 4)(s + 6)C(s)−

単位フィードバックのループで L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6))、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 + 3)(s + 4)(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−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1

単位フィードバックのループで L(s) = K/(s(s + 3)(s + 1)) です。根軌跡の漸近線が実軸と交わる点 σa を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 1))
σa =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2t+Ks(s + 5)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 5)) の単位フィードバックのループが、ランプ入力 r(t) = 2t に定常偏差 0.1 で追従しなければなりません。ゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 2tess = 0.1
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 252s(s + 2)C(s)−

比例制御器 K = 25 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s(s + 2)) を制御しています。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 2/(s(s + 2))K = 25
%OS = %
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)−90−450ω = 2

ω = 2 rad/s における G(s) = 28(s + 5)/(s(s + 12)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 28(s + 5)/(s(s + 12))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 116/(s(s + 4)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 116/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 1.251

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)。

分母を因数分解する

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分数展開

5s + 17 = 5(s + 5) + −8
F(s) = 5/(s + 5) − 8/(s + 5)²

逆変換

f(t) = 5·e−5t − 8·t·e−5t
f(0.2) = (5 − 8·0.2)·e−5·0.2 = 1.251

答え

f(0.2) = 1.251
2.ラプラス変換

答え: y(0.6) = −0.736

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 − (−3)s − 8 + 7(sY − (−3)) + 10Y = 0
Y(s) = (−3s − 13)/((s + 2)(s + 5))

部分分数展開

A = −7/3 = −2.333
B = 2/(−3) = −0.6667

結果

y(t) = −2.333·e−2t − 0.6667·e−5t
y(0.6) = −0.736

答え

y(0.6) = −0.736

検算:y(0) = A + B = −3。

3.ブロック線図

答え: T(0) = 0.5106

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) = 6/(s + 5 + 6·3) = 6/(s + 23)

外側のループ

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 24/(s + 23 + 24) = 24/(s + 47)

結果

T(0) = 24/47 = 0.5106

答え

T(0) = 0.5106
4.ブロック線図

答え: css = 5.882

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。

伝達関数

C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 2 + 32)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 32/(s + 2 + 32)

定常状態

css = 5·32/34 + 10·4/34 = 5.882

答え

css = 5.882

K を大きくすると外乱の影響は小さくなりますが、比例コントローラでは 0 にはなりません。

5.ステップ応答

答え: ωn = 9.055 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。

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 = 82 → ωₙ = 9.055 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9.055) = 0.5522

結果

ωₙ = 9.055 rad/s

答え

ωn = 9.055 rad/s
6.ステップ応答

答え: ts = 0.6667 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。

閉ループ伝達関数

T(s) = 75/(s² + 12s + 75): ωₙ = 8.66 rad/s, ζ = 0.6928

整定時間

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.6667 s

答え

ts = 0.6667 s

このループでは K によらず ζωₙ = a/2 です:K を大きくするとオーバーシュートは増えますが、整定時間は短くなりません。

7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 630

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 + 54s + 72 + K = 0

ラウス表

s³: 1, 54
s²: 13, 72 + K
s¹: (13·54 − 72 − K)/13
s⁰: 72 + K

条件

s¹ の要素は正のままでなければなりません。

K < 13·54 − 72 = 630

答え

Kmax = 630

限界では、ループは ω = √54 = 7.348 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: σa = −1.333

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。

極と零点

極: 0, −3, −1
n − m = 3 − 0 = 3

図心

σa = (−4)/3 = −1.333

答え

σa = −1.333

3 本の漸近線は、重心から 60°, 180°, 300° の角度で出ています。

9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 100

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。

必要な速度偏差定数

Kv = A/ess = 2/0.1 = 20

利得

K = 5·Kv = 100

答え

K = 100

ゲインを大きくすると、このループの減衰は非常に小さくなります:ζ = 0.25。この両立の難しさが、補償器を使う理由です。

10.定常偏差と PID 制御

答え: %OS = 63.84 %

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) + 25·2 = s² + 2s + 50

ωₙ と ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 2/(2·7.071) = 0.1414

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.1414π/√(1 − 0.1414²) = 63.84 %

答え

%OS = 63.84 %
11.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −77.66 °

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。

角を足す

∠G = atan(2/5) − 90° − atan(2/12) = 21.8° − 90° − 9.462°

結果

∠G(j2) = −77.66°

答え

∠G(jω) = −77.66°
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 10.41 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 + 16ω² − 13456 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·13456))/2 = 108.3
ωc = 10.41 rad/s

答え

ωc = 10.41 rad/s

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