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−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 40)/(s² + 4s + 5) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.4) を計算せよ。

F(s) = (5s + 40)/(s² + 4s + 5)t = 0.4 s
f(0.4) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

ある系が y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t) に従い、y(0) = 2、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 1 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.5) を求めよ。

y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.5 s
y(0.5) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+K(s + 11)(s + 12)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 11)(s + 12)) 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 + 11)(s + 12))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+K(s + 2)(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 2)(s + 7)(s + 8)) を単位負帰還ループに入れる。 安定な最大ゲインでは、ループは振動します。振動の周波数 ω を rad/s で求めよ。

G(s) = K/((s + 2)(s + 7)(s + 8))単位負帰還
ω = rad/s
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) = 100/(s² + 13s + 100) 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) = 100/(s² + 13s + 100)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 0.5 s20 %

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 20 % で、最初のピークは t = 0.5 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 20 %tp = 0.5 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)+K = 2241s(s + 4)(s + 10)C(s)−

図のループは K = 224、L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)) 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 + 10))K = 224
m =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)) の根軌跡は、s = 0 と s = −3 の間で実軸から離れます。分岐点 sb を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))
sb =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 1t+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) = 1t に定常偏差 0.2 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) = 1tess = 0.2
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 501s(s + 8)C(s)−

比例制御器 K = 50 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 1/(s(s + 8)) を制御しています。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 50
%OS = %
11.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

ω = 30 rad/s における G(s) = 1485/((s + 9)(s + 11)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 1485/((s + 9)(s + 11))ω = 30 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) = 78/(s(s + 2)(s + 9)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 78/(s(s + 2)(s + 9))
GM = dB

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.4) = 7.319

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 + 4s + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

分子を合わせる

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (30/1)·1/((s + 2)² + 1²)

逆変換

f(t) = e−2t·(5·cos 1t + 30·sin 1t)
f(0.4) = e−2·0.4·(5·cos(1·0.4) + 30·sin(1·0.4)) = 7.319

答え

f(0.4) = 7.319
2.ラプラス変換

答え: y(0.5) = 2.282

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 + 7s + 6)·Y(s) = 2s + 14 + 18/s
Y(s) = (2s² + 14s + 18)/(s(s + 1)(s + 6))

部分分数展開

A = 18/(1·6) = 3
B = 6/((−1)·5) = −1.2
C = 6/((−6)·(−5)) = 0.2

結果

y(t) = 3 − 1.2·e−t + 0.2·e−6t
y(0.5) = 2.282

答え

y(0.5) = 2.282

検算:y(0) = A + B + C = 2。

3.ブロック線図

答え: K = 0.25

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 + 11)(s + 12)) = 0 → s² + 23s + 132 + K = 0

重根

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

23² = 4(132 + K) → K = 529/4 − 132 = 0.25

答え

K = 0.25
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −11.5 にあります。
4.ブロック線図

答え: ω = 9.274 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

s³ + 17s² + 86s + 112 + K = 0

ラウス表

s³ | 1 86
s² | 17 112 + K
s¹ | (17·86 − 112 − K)/17
s⁰ | 112 + 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 = 17·86 − 112 = 1350

振動の周波数

17·(jω)² + 112 + 1350 = 0 → ω² = 1462/17 = 86
ω = 9.274 rad/s

答え

ω = 9.274 rad/s
5.ステップ応答

答え: %OS = 6.808 %

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 = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·10) = 0.65

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.687 = 6.808 %

答え

%OS = 6.808 %
6.ステップ応答

答え: ωn = 7.06 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(0.2)/√(π² + ln²(0.2)) = 1.609/√(9.87 + 2.59) = 0.4559

固有振動数

ωd = π/tp = π/0.5 = 6.283 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 6.283/0.89 = 7.06 rad/s

答え

ωn = 7.06 rad/s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: m = 2.5

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 + 14s² + 40s + K = 0
s³: 1, 40
s²: 14, K
s¹: (14·40 − K)/14
s⁰: K

安定な最大ゲイン

Kmax = 14·40 = 560

倍率

m = 560/224 = 2.5

答え

m = 2.5

この倍率が、比で表したゲイン余裕です:7.959 dB。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: sb = −1.333

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) = −s(s + 3)(s + 8) = −(s³ + 11s² + 24s)

停留点

dK/ds = −(3s² + 22s + 24) = 0
s = (−22 ± √(484 − 288))/6 = −1.333, −6

軌跡上の点を選ぶ

軌跡は 0 と −3 の間の実軸上にあります。もう一方の根は軌跡上にありません。

sb = −1.333

答え

sb = −1.333
9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 50

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 = 1/0.2 = 5

利得

K = 10·Kv = 50

答え

K = 50

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 = 0.7071。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: %OS = 11.59 %

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 + 8) + 50·1 = s² + 8s + 50

ωₙ と ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 8/(2·7.071) = 0.5657

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.5657π/√(1 − 0.5657²) = 11.59 %

答え

%OS = 11.59 %
11.ボード線図と余裕

答え: |G(jω)| = 3.428 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(j30)| = 1485/(√(30² + 9²)·√(30² + 11²)) = 1485/(31.32·31.95) = 1.484

結果

20·log₁₀(1.484) = 3.428 dB

答え

|G(jω)| = 3.428 dB
12.ボード線図と余裕

答え: GM = 8.091 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。

位相交差

(ω/2)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4.243 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 81)) = K/(2·9·(2 + 9)) = K/198

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(198/78) = 8.091 dB

答え

GM = 8.091 dB

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