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−1−2−3−4−5−61

F(s) = (5s + 20)/(s² + 9s + 18) である。その逆変換は f(t) = A·e−3t + B·e−6t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (5s + 20)/(s² + 9s + 18)
A =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = −10、y′(0) = 6 の条件で y″ + 11y′ + 30y = 0 を解き、y(0.2) を求めよ。

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = −10y′(0) = 6t = 0.2 s
y(0.2) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+K(s + 1)(s + 9)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 1)(s + 9)) 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 + 1)(s + 9))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+36s(s + 7)G(s)C(s)0.5H−

プラント G(s) = 36/(s(s + 7)) を、センサのゲイン H = 0.5 の負帰還ループに入れる。閉ループの極は複素数である。 その虚部 ωd(正の値)を rad/s で求めよ。

G(s) = 36/(s(s + 7))H = 0.5
ωd = rad/s
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)3tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 156/(s² + 8s + 52) 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) = 156/(s² + 8s + 52)
tp = s
6.ステップ応答むずかしい
k = 200 N/mc = 2 N·s/mm = 0.5 kgF = 5 Nx(t)

質量 m = 0.5 kg のおもりが、ばね定数 k = 200 N/m のばねと粘性ダンパ c = 2 N·s/m にぶら下がっている(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。平衡状態で静止しているところに、一定の力 F = 5 N を突然加える。 減衰比 ζ を求めよ。

m = 0.5 kgk = 200 N/mc = 2 N·s/mF = 5 N
ζ =
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+51s(s + 1)(s + 6)C(s)+

図のループは正帰還で、L(s) = 5/(s(s + 1)(s + 6)) 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) = 5/(s(s + 1)(s + 6))
N =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10−12j2−0.5

ループ L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)) について、閉ループ極を s = −0.5 に置くゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))s = −0.5
K =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 5t+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) = 5t に定常偏差 0.02 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) = 5tess = 0.02
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 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) = 5/(s + 1) を制御しています。閉ループは ωₙ = 4 rad/s、ζ = 0.8 でなければなりません。積分ゲイン Ki を求めなさい。

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 4 rad/sζ = 0.8
Ki =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 10 mHC = 4.7 µFR = 1 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 1 Ω の両端でとり、L = 10 mH、C = 4.7 µF である。 中心(共振)周波数 f0 を Hz で求めよ。

R = 1 ΩL = 10 mHC = 4.7 µF
f0 = Hz
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) = 200/(s(s + 5)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 200/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: A = 1.667

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 + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

隠蔽法

(s + 3) を掛けて s = −3 とおくと、B の項は消えます。

A = (5s + 20)/(s + 6) |s = −3 = 5/3 = 1.667

答え

A = 1.667
(B = 3.333 なので、f(t) = 1.667·e−3t + 3.333·e−6t)
2.ラプラス変換

答え: y(0.2) = −6.613

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 − 6 + 11(sY − (−10)) + 30Y = 0
Y(s) = (−10s − 104)/((s + 5)(s + 6))

部分分数展開

A = −54/1 = −54
B = −44/(−1) = 44

結果

y(t) = −54·e−5t + 44·e−6t
y(0.2) = −6.613

答え

y(0.2) = −6.613

検算:y(0) = A + B = −10。

3.ブロック線図

答え: K = 16

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 + 1)(s + 9)) = 0 → s² + 10s + 9 + K = 0

重根

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

10² = 4(9 + K) → K = 100/4 − 9 = 16

答え

K = 16
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −5 にあります。
4.ブロック線図

答え: ωd = 2.398 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

s(s + 7) + 36·0.5 = 0 → s² + 7s + 18 = 0

根

s = −3.5 ± j·√(18 − 12.25) = −3.5 ± j2.398
ωd = 2.398 rad/s

答え

ωd = 2.398 rad/s
5.ステップ応答

答え: tp = 0.5236 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 = 52 → ωₙ = 7.211 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7.211) = 0.5547

結果

ωd = 7.211·√(1 − 0.5547²) = 6 rad/s → tp = π/ωd = 0.5236 s

答え

tp = 0.5236 s
6.ステップ応答

答え: ζ = 0.1

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 = √(k/m) = √(200/0.5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 2/(2·√(200·0.5)) = 0.1

結果

ζ = 0.1

答え

ζ = 0.1
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 + 7s² + 6s − 5 = 0

ラウス表

s³: 1, 6
s²: 7, −5
s¹: 6.714
s⁰: −5

第 1 列の符号変化

1 → 7 → 6.714 → −5
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: K = 7.125

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。

大きさの条件

K = |s|·|s + 2|·|s + 10|

その点で評価する

K = 0.5·1.5·9.5 = 7.125

答え

K = 7.125

確認:s(s + 2)(s + 10) + K は s = −0.5 で 0 になります。

9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 1250

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 = 5/0.02 = 250

利得

K = 5·Kv = 1250

答え

K = 1250

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 = 0.07071。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 = 3.2

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 + 5Kp)s + 5Ki

目標の多項式

s² + 2·0.8·4s + 4² = s² + 6.4s + 16

係数を合わせる

5Ki = 16 → Ki = 3.2

答え

Ki = 3.2

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: f0 = 734.1 Hz

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。

共振周波数

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·4.7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734.1 Hz

答え

f0 = 734.1 Hz
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 13.71 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 + 25ω² − 40000 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·40000))/2 = 187.9
ωc = 13.71 rad/s

答え

ωc = 13.71 rad/s

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