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−2−4−62

F(s) = (3s + 17)/(s² + 2s + 10) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.75) を計算せよ。

F(s) = (3s + 17)/(s² + 2s + 10)t = 0.75 s
f(0.75) =
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) = −7、y′(0) = −11 の条件で y″ + 8y′ + 12y = 0 を解き、y(0.2) を求めよ。

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = −7y′(0) = −11t = 0.2 s
y(0.2) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(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(s + 10))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+24コントローラ+D(s)+7s + 6プラントC(s)−

比例コントローラ K = 24 が、プラント G(s) = 7/(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 1 の基準ステップと大きさ 1 の外乱ステップを同時に加える。定常出力 css を求めよ。

K = 24G(s) = 7/(s + 6)D = 1R = 1
css =
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) = 135/(s² + 10s + 45) で、単位ステップ入力を受ける。 減衰比 ζ を求めよ。

G(s) = 135/(s² + 10s + 45)
ζ =
6.ステップ応答むずかしい
k = 500 N/mc = 40 N·s/mm = 5 kgF = 50 Nx(t)

質量 m = 5 kg のおもりが、ばね定数 k = 500 N/m のばねと粘性ダンパ c = 40 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 = 50 N を突然加える。 最大変位 xmax を mm で求めよ。

m = 5 kgk = 500 N/mc = 40 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K = 1201s(s + 4)(s + 6)C(s)−

図のループは K = 120、L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)) で動作しています。閉ループが不安定になるまでに、ゲインを何倍まで上げられますか。倍率 m を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))K = 120
m =
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)(s + 3)(s + 4)) 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 + 1)(s + 3)(s + 4))
ω = rad/s
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 4t+4(s + 3)s(s + 5)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 4t が、G(s) = 4(s + 3)/(s(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) = 4(s + 3)/(s(s + 5))r(t) = 4t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K10s(s + 4)C(s)−

比例制御器 K が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 10/(s(s + 4)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.6 にするゲイン K を求めなさい。

G(s) = 10/(s(s + 4))ζ = 0.6
K =
11.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.010.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0.5

ω = 0.5 rad/s における G(s) = 108/((s + 1)(s + 12)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 108/((s + 1)(s + 12))ω = 0.5 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) = 680/(s(s + 9)(s + 10)) である。 ∠L(jω) = −180° となる位相交差周波数 ω180 を求めよ。

L(s) = 680/(s(s + 9)(s + 10))
ω180 = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.75) = 0.825

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 + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

分子を合わせる

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (14/3)·3/((s + 1)² + 3²)

逆変換

f(t) = e−t·(3·cos 3t + 4.667·sin 3t)
f(0.75) = e−0.75·(3·cos(3·0.75) + 4.667·sin(3·0.75)) = 0.825

答え

f(0.75) = 0.825
2.ラプラス変換

答え: y(0.2) = −6.999

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 − (−11) + 8(sY − (−7)) + 12Y = 0
Y(s) = (−7s − 67)/((s + 2)(s + 6))

部分分数展開

A = −53/4 = −13.25
B = −25/(−4) = 6.25

結果

y(t) = −13.25·e−2t + 6.25·e−6t
y(0.2) = −6.999

答え

y(0.2) = −6.999

検算:y(0) = A + B = −7。

3.ブロック線図

答え: K = 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(s + 10)) = 0 → s² + 10s + K = 0

重根

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

10² = 4K → K = 100/4 = 25

答え

K = 25
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: css = 1.006

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) = 7/(s + 6 + 168)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 168/(s + 6 + 168)

定常状態

css = 1·168/174 + 1·7/174 = 1.006

答え

css = 1.006

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: ζ = 0.7454

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 = 45 → ωₙ = 6.708 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6.708) = 0.7454

結果

ζ = 0.7454

答え

ζ = 0.7454
6.ステップ応答

答え: xmax = 125.4 mm

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) = √(500/5) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(500·5)) = 0.4

結果

xst = F/k = 50/500 m = 100 mm
%OS = 25.38 %
xmax = 100·(1 + 0.2538) = 125.4 mm

答え

xmax = 125.4 mm
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: m = 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。

ラウス表

s³ + 10s² + 24s + K = 0
s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K

安定な最大ゲイン

Kmax = 10·24 = 240

倍率

m = 240/120 = 2

答え

m = 2

この倍率が、比で表したゲイン余裕です:6.021 dB。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 4.359 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 + 8s² + 19s + 12 + K = 0
s¹: (8·19 − 12 − K)/8 = 0 → K = 140

交差周波数

8s² + 12 + 140 = 8s² + 152 = 0 → s² = −19
ω = √19 = 4.359 rad/s

答え

ω = 4.359 rad/s
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 1.667

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) = 2.4

ランプ偏差

ess = 4/2.4 = 1.667

答え

ess = 1.667
10.定常偏差と PID 制御

答え: K = 1.111

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

s(s + 4) + 10K = s² + 4s + 10K

固有振動数

2·0.6·ωₙ = 4 → ωₙ = 3.333 rad/s

利得

10K = ωₙ² = 11.11 → K = 1.111

答え

K = 1.111
11.ボード線図と余裕

答え: |G(jω)| = 18.11 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(j0.5)| = 108/(√(0.5² + 1²)·√(0.5² + 12²)) = 108/(1.118·12.01) = 8.043

結果

20·log₁₀(8.043) = 18.11 dB

答え

|G(jω)| = 18.11 dB
12.ボード線図と余裕

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

答え

ω180 = 9.487 rad/s

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