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−5−10−15−205

F(s) = (2s + 36)/(s² + 8s + 41) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.3) を計算せよ。

F(s) = (2s + 36)/(s² + 8s + 41)t = 0.3 s
f(0.3) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

ある系が y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t) に従い、y(0) = 4、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 4 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.2) を求めよ。

y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.2 s
y(0.2) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+39s + 7G(s)C(s)0.5H−

プラント G(s) = 39/(s + 7) を、センサのゲインが H = 0.5 の負帰還ループで制御する。 R に大きさ 5 のステップを加える。定常出力 css を求めよ。

G(s) = 39/(s + 7)H = 0.5R = 5
css =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+Kコントローラ+D(s)+10s + 10プラントC(s)−

比例コントローラ K が、プラント G(s) = 10/(s + 10) を単位負帰還ループで駆動する。R = 0 のとき、大きさ 5 の外乱ステップがプラントの入力に加わる。定常出力を 0.5 以下に保つ最小のゲイン K を求めよ。

G(s) = 10/(s + 10)D = 5css ≤ 0.5
K =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1?

ある系の伝達関数は G(s) = 33/(s² + 4s + 33) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 33/(s² + 4s + 33)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
+−5 VR = 268 ΩL = 200 mHC = 1 µFvC​

R = 268 Ω、L = 200 mH、C = 1 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 5 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。 コンデンサ電圧のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

R = 268 ΩL = 200 mHC = 1 µFV = 5 V
%OS = %
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+11521s(s + 4)(s + 8)C(s)−

図のループは負帰還で、L(s) = 1152/(s(s + 4)(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) = 1152/(s(s + 4)(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−2−4−6−8−10j2

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 6)) の根軌跡は、s = 0 と s = −6 の間で実軸から離れ、円を描いて零点の左側で再び実軸に戻ります。分岐点 sb を求めなさい。

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 6))
sb =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 10·t²/2+5(s + 4)s²(s + 4)C(s)−

放物線入力 r(t) = 10·t²/2 が、G(s) = 5(s + 4)/(s²(s + 4)) 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) = 5(s + 4)/(s²(s + 4))r(t) = 10·t²/2
ess =
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 = 2 rad/s、ζ = 0.8 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 = 2 rad/sζ = 0.8
Kp =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 10 ΩL = 100 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 10 Ω, L = 100 mH です。48 Hz の正弦波入力が加えられます。 vin に対する vout の位相のずれ φ を度で求めよ。

R = 10 ΩL = 100 mHf = 48 Hz
φ = °
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) = K/(s(s + 4)(s + 6)) である。 ゲイン余裕が 10 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))GM = 10 dB
K =

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.3) = 1.725

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)。

平方完成する

s² + 8s + 41 = (s + 4)² + 25 = (s + 4)² + 5²

分子を合わせる

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 5²) + (28/5)·5/((s + 4)² + 5²)

逆変換

f(t) = e−4t·(2·cos 5t + 5.6·sin 5t)
f(0.3) = e−4·0.3·(2·cos(5·0.3) + 5.6·sin(5·0.3)) = 1.725

答え

f(0.3) = 1.725
2.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 6.39

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

(s² + 11s + 30)·Y(s) = 4s + 44 + 360/s
Y(s) = (4s² + 44s + 360)/(s(s + 5)(s + 6))

部分分数展開

A = 360/(5·6) = 12
B = 240/((−5)·1) = −48
C = 240/((−6)·(−1)) = 40

結果

y(t) = 12 − 48·e−5t + 40·e−6t
y(0.2) = 6.39

答え

y(0.2) = 6.39

検算:y(0) = A + B + C = 4。

3.ブロック線図

答え: css = 7.358

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。

閉ループ伝達関数

T(s) = G/(1 + G·H) = 39/(s + 7 + 19.5) = 39/(s + 26.5)

結果

css = R·T(0) = 5·39/26.5 = 7.358

答え

css = 7.358
4.ブロック線図

答え: K = 9

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。

外乱応答

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·10/(10 + 10K)

K について解く

10 + 10K = 5·10/0.5 = 100
K = (100 − 10)/10 = 9

答え

K = 9
5.ステップ応答

答え: %OS = 31.14 %

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 = 33 → ωₙ = 5.745 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5.745) = 0.3482

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.167 = 31.14 %

答え

%OS = 31.14 %
6.ステップ応答

答え: %OS = 37.28 %

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/√(0.2·1 × 10⁻⁶) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (268/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.2) = 0.2996

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37.28 %

答え

%OS = 37.28 %
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 + 12s² + 32s + 1152 = 0

ラウス表

s³: 1, 32
s²: 12, 1152
s¹: −64
s⁰: 1152

第 1 列の符号変化

1 → 12 → −64 → 1152
N = 2

答え

N = 2

ゲインが限界 K = 384 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: sb = −3.804

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。

実軸に沿ったゲイン

K(s) = −(s² + 6s)/(s + 9)

停留点

商の微分法で微分し、分子を 0 とおきます。

(2s + 6)(s + 9) − (s² + 6s) = s² + 18s + 54 = 0
s = −9 ± √27 = −3.804, −14.2

分岐点

sb = −3.804

答え

sb = −3.804

2 つの分岐点の間では、軌跡は零点を中心とする半径 √27 = 5.196 の円になります。

9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 2

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。

加速度偏差定数

Ka = 5·4/4 = 5

放物線偏差

ess = 10/5 = 2

答え

ess = 2
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kp = 0.3

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 + 2·0.8·2s + 2² = s² + 3.2s + 4

係数を合わせる

2 + 4Kp = 3.2 → Kp = 0.3

答え

Kp = 0.3

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: φ = 18.34 °

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 = R/L = 10/0.1 = 100 rad/s
fc = 15.92 Hz → f/fc = 48/15.92 = 3.016

位相

φ = 90° − atan(3.016) = 18.34°

答え

φ = 18.34°
12.ボード線図と余裕

答え: K = 75.89

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/4)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(4·6) = 4.899 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 36)) = K/(4·6·(4 + 6)) = K/240

必要なゲイン

240/K = 1010/20 = 3.162
K = 240/3.162 = 75.89

答え

K = 75.89

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