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) = (3s + 7)/(s² + 6s + 9) の f(t) を求め、f(0.1) を計算せよ。

F(s) = (3s + 7)/(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 = 0.4y(0.4) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = −9、y′(0) = 3 の条件で y″ + 7y′ + 10y = 0 を解き、y(0.4) を求めよ。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −9y′(0) = 3t = 0.4 s
y(0.4) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+40s(s + 1)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 40/(s(s + 1)) である。基準入力はランプ r(t) = 2·t である。定常偏差 ess を求めよ。

G(s) = 40/(s(s + 1))r(t) = 2·t
ess =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+72s(s + 5)G(s)C(s)0.5H−

プラント G(s) = 72/(s(s + 5)) 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) = 72/(s(s + 5))H = 0.5
ωd = rad/s
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5?

ある系の伝達関数は G(s) = 17/(s² + 2s + 34) 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) = 17/(s² + 2s + 34)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
k = 5000 N/mc = 95 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

質量 m = 5 kg のおもりが、ばね定数 k = 5000 N/m のばねと粘性ダンパ c = 95 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。 変位が最大になる時刻 tp を求めよ。

m = 5 kgk = 5000 N/mc = 95 N·s/mF = 5 N
tp = s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K = 901s(s + 4)(s + 5)C(s)−

図のループは K = 90、L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)) 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 + 5))K = 90
m =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2sb​

L(s) = K/((s + 3)(s + 7)) の根軌跡を示します。2 つの閉ループ極が実軸上で一致する分岐点 sb でのゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/((s + 3)(s + 7))
K =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 2410s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 4/(10s + 1) を、比例ゲイン K = 2 で単位フィードバックのループにより制御します。ステップ入力に対する定常偏差 ess を、ステップの大きさに対する百分率で求めなさい。

G(s) = 4/(10s + 1)K = 2
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 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) = 1/(s + 1) を制御しています。閉ループは ωₙ = 8 rad/s、ζ = 0.7 でなければなりません。積分ゲイン Ki を求めなさい。

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.7
Ki =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 2.2 nFR = 22 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 22 kΩ, C = 2.2 nF です。33 kHz 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 = 22 kΩC = 2.2 nFf = 33 kHz
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)−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) = 9/(s(s + 2)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 9/(s(s + 2))
PM = °

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.1) = 2.074

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

3s + 7 = 3(s + 3) + −2
F(s) = 3/(s + 3) − 2/(s + 3)²

逆変換

f(t) = 3·e−3t − 2·t·e−3t
f(0.1) = (3 − 2·0.1)·e−3·0.1 = 2.074

答え

f(0.1) = 2.074
2.ラプラス変換

答え: y(0.4) = −5.614

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 − (−9)s − 3 + 7(sY − (−9)) + 10Y = 0
Y(s) = (−9s − 60)/((s + 2)(s + 5))

部分分数展開

A = −42/3 = −14
B = −15/(−3) = 5

結果

y(t) = −14·e−2t + 5·e−5t
y(0.4) = −5.614

答え

y(0.4) = −5.614

検算:y(0) = A + B = −9。

3.ブロック線図

答え: ess = 0.05

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。

速度偏差定数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 40/1 = 40

定常偏差

ess = A/Kᵥ = 2/40 = 0.05

答え

ess = 0.05
4.ブロック線図

答え: ωd = 5.454 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 + 5) + 72·0.5 = 0 → s² + 5s + 36 = 0

根

s = −2.5 ± j·√(36 − 6.25) = −2.5 ± j5.454
ωd = 5.454 rad/s

答え

ωd = 5.454 rad/s
5.ステップ応答

答え: %OS = 57.88 %

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 = 34 → ωₙ = 5.831 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5.831) = 0.1715

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.5469 = 57.88 %

答え

%OS = 57.88 %
6.ステップ応答

答え: tp = 0.1042 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。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = √(k/m) = √(5000/5) = 31.62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 95/(2·√(5000·5)) = 0.3004

結果

ωd = 30.16 rad/s
tp = π/ωd = 0.1042 s

答え

tp = 0.1042 s
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 + 9s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 9, K
s¹: (9·20 − K)/9
s⁰: K

安定な最大ゲイン

Kmax = 9·20 = 180

倍率

m = 180/90 = 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: K = 4

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。

分岐点

K = −(s + 3)(s + 7) について dK/ds = 0 とすると 2s + 10 = 0 になります。

sb = −5

大きさの条件

K = |−5 + 3|·|−5 + 7| = 2·2 = 4

答え

K = 4

このゲインで、閉ループは臨界減衰(ζ = 1)になります。

9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 11.11 %

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。

位置偏差定数

Kp = 2·4 = 8

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 8) = 11.11 %

答え

ess = 11.11 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: Ki = 64

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 + 1Kp)s + 1Ki

目標の多項式

s² + 2·0.7·8s + 8² = s² + 11.2s + 64

係数を合わせる

1Ki = 64 → Ki = 64

答え

Ki = 64

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 = 5.691 °

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 = 1/(RC) = 1/(22000·2.2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 33000/3288 = 10.04

位相

φ = 90° − atan(10.04) = 5.691°

答え

φ = 5.691°
12.ボード線図と余裕

答え: PM = 36.66 °

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 + 4ω² − 81 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·81))/2 = 7.22
ωc = 2.687 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(2.687/2) = −143.3°
PM = 180° + ∠L = 36.66°

答え

PM = 36.66°

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