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−2−4−6−8−10−12−14−16−18

F(s) = (s + 16)/(s² + 12s + 32) である。その逆変換は f(t) = A·e−4t + B·e−8t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (s + 16)/(s² + 12s + 32)
A =
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) = −10、y′(0) = −10 の条件で y″ + 7y′ + 10y = 0 を解き、y(0.5) を求めよ。

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

プラント G(s) = K/((s + 7)(s + 10)) を単位負帰還ループに入れる。閉ループが臨界減衰(等しい 2 つの実数極)になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/((s + 7)(s + 10))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+Ks(s + 8)(s + 9)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 8)(s + 9)) を単位負帰還ループに入れる。 ラウス・フルビッツの安定判別法を用いて、閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))単位負帰還
Kmax =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)3

ある系の伝達関数は G(s) = 210/(s² + 10s + 70) で、単位ステップ入力を受ける。 極は s = σ ± jωd である。その実部 σ を求めよ。

G(s) = 210/(s² + 10s + 70)
σ =
6.ステップ応答むずかしい
R(s)+255s(s + 6)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 255/(s(s + 6)) 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) = 255/(s(s + 6))
ts = s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+451s(s + 1)(s + 5)C(s)−

図のループは負帰還で、L(s) = 45/(s(s + 1)(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) = 45/(s(s + 1)(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
ReImζ = 0.3−2j2

L(s) = K/(s(s + 2)) の根軌跡を示します。閉ループ極の減衰比が ζ = 0.3 となるゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2))ζ = 0.3
K =
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​/s4s + 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) = 4/(s + 2) を制御しています。閉ループは ωₙ = 6 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) = 4/(s + 2)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.6
Kp =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 22 nFR = 4.7 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 4.7 kΩ, C = 22 nF です。310 Hz の正弦波入力が加えられます。 ゲイン |H| = |vout/vin| を dB で求めよ。

R = 4.7 kΩC = 22 nFf = 310 Hz
|H| = 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) = 4/(s(s + 1)(s + 2)) である。 ∠L(jω) = −180° となる位相交差周波数 ω180 を求めよ。

L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 2))
ω180 = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: A = 3

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

隠蔽法

(s + 4) を掛けて s = −4 とおくと、B の項は消えます。

A = (s + 16)/(s + 8) |s = −4 = 12/4 = 3

答え

A = 3
(B = −2 なので、f(t) = 3·e−4t − 2·e−8t)
2.ラプラス変換

答え: y(0.5) = −6.537

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 − (−10)s − (−10) + 7(sY − (−10)) + 10Y = 0
Y(s) = (−10s − 80)/((s + 2)(s + 5))

部分分数展開

A = −60/3 = −20
B = −30/(−3) = 10

結果

y(t) = −20·e−2t + 10·e−5t
y(0.5) = −6.537

答え

y(0.5) = −6.537

検算:y(0) = A + B = −10。

3.ブロック線図

答え: K = 2.25

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

1 + K/((s + 7)(s + 10)) = 0 → s² + 17s + 70 + K = 0

重根

2 次式 s² + βs + γ は、β² = 4γ のとき重根をもちます。

17² = 4(70 + K) → K = 289/4 − 70 = 2.25

答え

K = 2.25
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −8.5 にあります。
4.ブロック線図

答え: Kmax = 1224

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 + 17s² + 72s + K = 0

ラウス表

s³ | 1 72
s² | 17 K
s¹ | (17·72 − K)/17
s⁰ | 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 = 17·72 = 1224

答え

Kmax = 1224
5.ステップ応答

答え: σ = −5

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 = 70 → ωₙ = 8.367 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8.367) = 0.5976

結果

σ = −ζωₙ = −10/2 = −5

答え

σ = −5
6.ステップ応答

答え: ts = 1.333 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) = 255/(s² + 6s + 255): ωₙ = 15.97 rad/s, ζ = 0.1879

整定時間

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1.333 s

答え

ts = 1.333 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: 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 + 6s² + 5s + 45 = 0

ラウス表

s³: 1, 5
s²: 6, 45
s¹: −2.5
s⁰: 45

第 1 列の符号変化

1 → 6 → −2.5 → 45
N = 2

答え

N = 2

ゲインが限界 K = 30 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: K = 11.11

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。

標準形と比べる

s² + 2s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.3·ωₙ = 2 → ωₙ = 3.333 rad/s

利得

K = ωₙ² = 3.333² = 11.11

答え

K = 11.11

閉ループ極は、ζ 一定の直線が s = −1 の垂直な枝と交わる点にあります。

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: Kp = 1.3

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 + 4Kp)s + 4Ki

目標の多項式

s² + 2·0.6·6s + 6² = s² + 7.2s + 36

係数を合わせる

2 + 4Kp = 7.2 → Kp = 1.3

答え

Kp = 1.3

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: |H| = −14.09 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。

カットオフ周波数

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·2.2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 310/1539 = 0.2014

利得

|H| = 0.2014/√(1 + 0.2014²) = 0.1974
20·log₁₀(0.1974) = −14.09 dB

答え

|H| = −14.09 dB
12.ボード線図と余裕

答え: ω180 = 1.414 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。

位相交差

(ω/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1.414 rad/s

答え

ω180 = 1.414 rad/s

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