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 = 0.3f(0.3) = ?

F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 6)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.3) を計算せよ。

F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 6))t = 0.3 s
f(0.3) =
2.ラプラス変換むずかしい
ReIm24

ある系が微分方程式 y″ + 2y′ + 17y = u′ + u 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 = 0.25 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.25) を求めよ。

y″ + 2y′ + 17y = u′ + ut = 0.25 s
g(0.25) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+9(s + 9)(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 9(s + 9)/((s + 3)(s + 8)) である。基準入力に大きさ 2 のステップを加える。定常偏差 ess を求めよ。

G(s) = 9(s + 9)/((s + 3)(s + 8))R = 2
ess =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+4コントローラ+D(s)+5s + 6プラントC(s)−

比例コントローラ K = 4 が、プラント G(s) = 5/(s + 6) 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 10 の基準ステップと大きさ 5 の外乱ステップを同時に加える。定常出力 css を求めよ。

K = 4G(s) = 5/(s + 6)D = 5R = 10
css =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 34.5/(s² + 5s + 69) で、単位ステップ入力を受ける。 ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、ステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 34.5/(s² + 5s + 69)
ts = s
6.ステップ応答むずかしい
+−12 VR = 32 ΩL = 10 mHC = 10 µFvC​

R = 32 Ω、L = 10 mH、C = 10 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 12 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。 電圧の最初のピークの時刻 tp を ms で求めよ。

R = 32 ΩL = 10 mHC = 10 µFV = 12 V
tp = ms
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+10561s(s + 3)(s + 8)C(s)−

図のループは負帰還で、L(s) = 1056/(s(s + 3)(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) = 1056/(s(s + 3)(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−2−4j2j4

L(s) = K/((s + 1)(s² + 6s + 25)) について、上半平面にある複素極からの根軌跡の出発角 θd を、正の実軸から測って求めなさい。

L(s) = K/((s + 1)(s² + 6s + 25))
θd = °
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2t+Ks(s + 10)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 10)) 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 0.05 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 + 10))r(t) = 2tess = 0.05
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 2C(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) = 10/(s + 2) 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) = 10/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 1
Ki =
11.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 2

ω = 2 rad/s における G(s) = 120/((s + 4)(s + 15)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 120/((s + 4)(s + 15))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 430/(s(s + 9)(s + 10)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 430/(s(s + 9)(s + 10))
GM = dB

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.3) = 0.4891

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 + 3) + C/(s + 6)
A = 25/(3·6) = 1.389
B = 25/((−3)·3) = −2.778
C = 25/((−6)·(−3)) = 1.389

逆変換

f(t) = 1.389 − 2.778·e−3t + 1.389·e−6t

計算する

f(0.3) = 1.389 − 2.778·e−3·0.3 + 1.389·e−6·0.3 = 0.4891

答え

f(0.3) = 0.4891
2.ラプラス変換

答え: g(0.25) = 0.4208

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 + 1)/(s² + 2s + 17)

部分分数展開

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 4²
G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (0/4)·4/((s + 1)² + 4²)

インパルス応答

g(t) = e−t·(cos 4t)
g(0.25) = 0.4208

答え

g(0.25) = 0.4208
3.ブロック線図

答え: ess = 0.4571

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。

位置偏差定数

Kₚ = G(0) = 9·9/(3·8) = 3.375

定常偏差

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 3.375) = 0.4571

答え

ess = 0.4571
4.ブロック線図

答え: css = 8.654

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) = 5/(s + 6 + 20)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 20/(s + 6 + 20)

定常状態

css = 10·20/26 + 5·5/26 = 8.654

答え

css = 8.654

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: ts = 1.6 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 = 69 → ωₙ = 8.307 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8.307) = 0.301

結果

ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答え

ts = 1.6 s
6.ステップ応答

答え: tp = 1.152 ms

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/√(0.01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (32/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.01) = 0.506

結果

ωd = 2728 rad/s
tp = π/ωd = 1.152 ms

答え

tp = 1.152 ms
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 + 11s² + 24s + 1056 = 0

ラウス表

s³: 1, 24
s²: 11, 1056
s¹: −72
s⁰: 1056

第 1 列の符号変化

1 → 11 → −72 → 1056
N = 2

答え

N = 2

ゲインが限界 K = 264 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: θd = −26.57 °

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。

極の位置

s² + 6s + 25 = 0 → s = −3 ± j4
s = −1

ほかの極からの角度

∠(−3 + j4 + 1) = atan2(4, -2) = 116.6°
∠(−3 + j4 − (−3 − j4)) = ∠(j8) = 90°

出発角

θd = 180° − 116.6° − 90° = −26.57°

答え

θd = −26.57°
9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 400

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 = 2/0.05 = 40

利得

K = 10·Kv = 400

答え

K = 400

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: Ki = 0.9

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 + 2) を掛けます。

s² + (2 + 10Kp)s + 10Ki

目標の多項式

s² + 2·1·3s + 3² = s² + 6s + 9

係数を合わせる

10Ki = 9 → Ki = 0.9

答え

Ki = 0.9

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: |G(jω)| = 4.975 dB

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。

大きさを掛ける

|G(j2)| = 120/(√(2² + 4²)·√(2² + 15²)) = 120/(4.472·15.13) = 1.773

結果

20·log₁₀(1.773) = 4.975 dB

答え

|G(jω)| = 4.975 dB
12.ボード線図と余裕

答え: GM = 11.99 dB

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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9.487 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(1710/430) = 11.99 dB

答え

GM = 11.99 dB

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