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) = (3s + 5)/(s² + 6s + 9) の f(t) を求め、f(0.3) を計算せよ。

F(s) = (3s + 5)/(s² + 6s + 9)t = 0.3 s
f(0.3) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = −7、y′(0) = 6 の条件で y″ + 7y′ + 10y = 0 を解き、y(0.5) を求めよ。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −7y′(0) = 6t = 0.5 s
y(0.5) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+15K+3s + 5G(s)C(s)2H₁−−

プラント G(s) = 3/(s + 5) には、ゲイン H₁ = 2 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 = 15 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) = 3/(s + 5)H₁ = 2K = 15
T(0) =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+16コントローラ+D(s)+3s + 7プラントC(s)−

比例コントローラ K = 16 が、プラント G(s) = 3/(s + 7) 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)。 R = 0 のとき、大きさ 0.5 の外乱ステップを加える。定常出力 css を求めよ。

K = 16G(s) = 3/(s + 7)D = 0.5R = 0
css =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 90/(s² + 5s + 90) 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) = 90/(s² + 5s + 90)
ts = s
6.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 0.25 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 = 0.25 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 25 %tp = 0.25 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)+201s(s + 3)(s + 5)C(s)+

図のループは正帰還で、L(s) = 20/(s(s + 3)(s + 5)) 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) = 20/(s(s + 3)(s + 5))
N =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6j2j4j6

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5)) の根軌跡を描きました。軌跡が虚軸と交わる周波数 ω を求めなさい。

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

ランプ入力 r(t) = 5t が、G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5)) の単位フィードバックのループに加えられます。定常偏差 ess を求めなさい。

G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 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) = 5/(s + 2) を制御しています。閉ループは ωₙ = 4 rad/s、ζ = 0.6 でなければなりません。比例ゲイン Kp を求めなさい。

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 4 rad/sζ = 0.6
Kp =
11.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 5

ω = 5 rad/s における G(s) = 1000/((s + 10)(s + 20)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 1000/((s + 10)(s + 20))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 140/(s(s + 20)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 140/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.3) = 0.7318

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

部分分数展開

3s + 5 = 3(s + 3) + −4
F(s) = 3/(s + 3) − 4/(s + 3)²

逆変換

f(t) = 3·e−3t − 4·t·e−3t
f(0.3) = (3 − 4·0.3)·e−3·0.3 = 0.7318

答え

f(0.3) = 0.7318
2.ラプラス変換

答え: y(0.5) = −3.337

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 − (−7)s − 6 + 7(sY − (−7)) + 10Y = 0
Y(s) = (−7s − 43)/((s + 2)(s + 5))

部分分数展開

A = −29/3 = −9.667
B = −8/(−3) = 2.667

結果

y(t) = −9.667·e−2t + 2.667·e−5t
y(0.5) = −3.337

答え

y(0.5) = −3.337

検算:y(0) = A + B = −7。

3.ブロック線図

答え: T(0) = 0.8036

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) = 3/(s + 5 + 3·2) = 3/(s + 11)

外側のループ

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 45/(s + 11 + 45) = 45/(s + 56)

結果

T(0) = 45/56 = 0.8036

答え

T(0) = 0.8036
4.ブロック線図

答え: css = 0.02727

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) = 3/(s + 7 + 48)

定常状態

css = 0.5·3/55 = 0.02727

答え

css = 0.02727

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 = 90 → ωₙ = 9.487 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9.487) = 0.2635

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: ωn = 13.74 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/0.25 = 12.57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12.57/0.9149 = 13.74 rad/s

答え

ωn = 13.74 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 + 8s² + 15s − 20 = 0

ラウス表

s³: 1, 15
s²: 8, −20
s¹: 17.5
s⁰: −20

第 1 列の符号変化

1 → 8 → 17.5 → −20
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: ω = 5.568 rad/s

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。

限界ゲイン

s³ + 10s² + 31s + 30 + K = 0
s¹: (10·31 − 30 − K)/10 = 0 → K = 280

交差周波数

10s² + 30 + 280 = 10s² + 310 = 0 → s² = −31
ω = √31 = 5.568 rad/s

答え

ω = 5.568 rad/s
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 8.333

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。

速度偏差定数

Kv = lim s·G(s) = 0.6

ランプ偏差

ess = 5/0.6 = 8.333

答え

ess = 8.333
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kp = 0.56

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 + 5Kp)s + 5Ki

目標の多項式

s² + 2·0.6·4s + 4² = s² + 4.8s + 16

係数を合わせる

2 + 5Kp = 4.8 → Kp = 0.56

答え

Kp = 0.56

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)| = 12.75 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(j5)| = 1000/(√(5² + 10²)·√(5² + 20²)) = 1000/(11.18·20.62) = 4.339

結果

20·log₁₀(4.339) = 12.75 dB

答え

|G(jω)| = 12.75 dB
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 6.643 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 + 400ω² − 19600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·19600))/2 = 44.13
ωc = 6.643 rad/s

答え

ωc = 6.643 rad/s

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