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
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

F(s) = (4s + 1)/(s² + 6s + 9) の f(t) を求め、f(0.1) を計算せよ。

F(s) = (4s + 1)/(s² + 6s + 9)t = 0.1 s
f(0.1) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t) に従い、y(0) = 3、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(0.25) を求めよ。

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.25 s
y(0.25) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+K(s + 5)(s + 7)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 5)(s + 7)) 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 + 5)(s + 7))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+Ks(s + 9)(s + 10)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 9)(s + 10)) 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(s + 9)(s + 10))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) = 99/(s² + 10s + 99) で、単位ステップ入力を受ける。 固有角周波数 ωn を rad/s で求めよ。

G(s) = 99/(s² + 10s + 99)
ωn = rad/s
6.ステップ応答むずかしい
k = 400 N/mc = 27 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

質量 m = 5 kg のおもりが、ばね定数 k = 400 N/m のばねと粘性ダンパ c = 27 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。 変位のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

m = 5 kgk = 400 N/mc = 27 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1s(s + 4)(s + 5)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)) です。閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))
Kmax =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReImζ = 0.3−5j5

L(s) = K/(s(s + 5)) 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 + 5))ζ = 0.3
K =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K(s + 1)(s + 4)C(s)−

単位フィードバックのループで G(s) = K/((s + 1)(s + 4)) です。ステップ入力に対する定常偏差が 5 % となるゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 5 %
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 44s(s + 2)C(s)−

比例制御器 K = 4 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 4/(s(s + 2)) を制御しています。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 4/(s(s + 2))K = 4
tp = s
11.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.1111010100100−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 3

ω = 3 rad/s における G(s) = 38(s + 6)/(s(s + 2)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 38(s + 6)/(s(s + 2))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (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) = 1480/(s(s + 20)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 1480/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.1) = 2.148

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

部分分数展開

4s + 1 = 4(s + 3) + −11
F(s) = 4/(s + 3) − 11/(s + 3)²

逆変換

f(t) = 4·e−3t − 11·t·e−3t
f(0.1) = (4 − 11·0.1)·e−3·0.1 = 2.148

答え

f(0.1) = 2.148
2.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 3.068

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 + 4s + 3)·Y(s) = 3s + 12 + 12/s
Y(s) = (3s² + 12s + 12)/(s(s + 1)(s + 3))

部分分数展開

A = 12/(1·3) = 4
B = 3/((−1)·2) = −1.5
C = 3/((−3)·(−2)) = 0.5

結果

y(t) = 4 − 1.5·e−t + 0.5·e−3t
y(0.25) = 3.068

答え

y(0.25) = 3.068

検算:y(0) = A + B + C = 3。

3.ブロック線図

答え: K = 1

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 + 5)(s + 7)) = 0 → s² + 12s + 35 + K = 0

重根

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

12² = 4(35 + K) → K = 144/4 − 35 = 1

答え

K = 1
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −6 にあります。
4.ブロック線図

答え: ω = 9.487 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 + 19s² + 90s + K = 0

ラウス表

s³ | 1 90
s² | 19 K
s¹ | (19·90 − K)/19
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 = 19·90 = 1710

振動の周波数

19·(jω)² + 1710 = 0 → ω² = 1710/19 = 90
ω = 9.487 rad/s

答え

ω = 9.487 rad/s
5.ステップ応答

答え: ωn = 9.95 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。

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 = 99 → ωₙ = 9.95 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9.95) = 0.5025

結果

ωₙ = 9.95 rad/s

答え

ωn = 9.95 rad/s
6.ステップ応答

答え: %OS = 36.98 %

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) = √(400/5) = 8.944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(400·5)) = 0.3019

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 36.98 %

答え

%OS = 36.98 %
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 180

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。

固有方程式

s³ + 9s² + 20s + K = 0

ラウス表

s³: 1, 20
s²: 9, K
s¹: (9·20 − K)/9
s⁰: K

条件

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

K > 0
9·20 − K > 0 → K < 180

答え

Kmax = 180

K = 180 のとき、閉ループは ω = √20 = 4.472 rad/s で振動します。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: K = 69.44

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 + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.3·ωₙ = 5 → ωₙ = 8.333 rad/s

利得

K = ωₙ² = 8.333² = 69.44

答え

K = 69.44

閉ループ極は、ζ 一定の直線が s = −2.5 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 = 76

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。

必要な偏差定数

1/(1 + Kp) = 0.05 → Kp = 19

利得

K/4 = 19 → K = 76

答え

K = 76

閉ループの安定性も確認しましょう:この 2 次のループでは、K > 0 ならどんな値でも安定です。

10.定常偏差と PID 制御

答え: tp = 0.8112 s

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 + 2) + 4·4 = s² + 2s + 16

ωₙ と ζ

ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 2/(2·4) = 0.25

ピーク時間

ωd = 4·√(1 − 0.25²) = 3.873 rad/s
tp = π/3.873 = 0.8112 s

答え

tp = 0.8112 s
11.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −119.7 °

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。

角を足す

∠G = atan(3/6) − 90° − atan(3/2) = 26.57° − 90° − 56.31°

結果

∠G(j3) = −119.7°

答え

∠G(jω) = −119.7°
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 35.96 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 + 400ω² − 2.19 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·2.19 × 10⁶))/2 = 1293
ωc = 35.96 rad/s

答え

ωc = 35.96 rad/s

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