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 = 0.3f(0.3) = ?

F(s) = (5s + 23)/(s² + 8s + 16) の f(t) を求め、f(0.3) を計算せよ。

F(s) = (5s + 23)/(s² + 8s + 16)t = 0.3 s
f(0.3) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

ある系が y″ + 5y′ + 4y = 10·u(t) に従う。系は静止状態(y(0) = 0、y′(0) = 0)から始まり、入力は t ≥ 0 で大きさ 2 のステップ u(t) である。ラプラス変換を用いて出力 y(0.4) を求めよ。

y″ + 5y′ + 4y = 10·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.4 s
y(0.4) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 16)) 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 + 16))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+15s + 1G₁+2s + 3G₂C(s)4H₁−0.25H₂−

G₁ = 15/(s + 1)、G₂ = 2/(s + 3)、G₂ の周りの内側の負帰還 H₁ = 4、外側の負帰還 H₂ = 0.25 のブロック線図を簡単にせよ。C(s)/R(s) の直流ゲイン T(0) を求めよ。

G₁ = 15/(s + 1)G₂ = 2/(s + 3)H₁ = 4H₂ = 0.25
T(0) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 84/(s² + 9s + 84) で、単位ステップ入力を受ける。 ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、ステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 84/(s² + 9s + 84)
ts = s
6.ステップ応答むずかしい
k = 200 N/mc = 13 N·s/mm = 2.5 kgF = 25 Nx(t)

質量 m = 2.5 kg のおもりが、ばね定数 k = 200 N/m のばねと粘性ダンパ c = 13 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 = 25 N を突然加える。 最大変位 xmax を mm で求めよ。

m = 2.5 kgk = 200 N/mc = 13 N·s/mF = 25 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)+K1s(s + 6)(s + 10)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)) です。ゲインを上げていくと、閉ループが安定限界に達します。持続振動の周波数 ω を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))
ω = rad/s
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)) の根軌跡は、s = 0 と s = −1 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 + 1)(s + 10))
sb =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2t+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) = 2t に定常偏差 0.01 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) = 2tess = 0.01
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K10s(s + 2)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 + 2)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.4 にするゲイン K を求めなさい。

G(s) = 10/(s(s + 2))ζ = 0.4
K =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 22 kΩC = 22 nFvout​

図の RC ローパスフィルタ は R = 22 kΩ, C = 22 nF です。3.3 kHz の正弦波入力が加えられます。 ゲイン |H| = |vout/vin| を dB で求めよ。

R = 22 kΩC = 22 nFf = 3.3 kHz
|H| = dB
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 90/(s(s + 10)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 90/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.3) = 1.777

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

部分分数展開

5s + 23 = 5(s + 4) + 3
F(s) = 5/(s + 4) + 3/(s + 4)²

逆変換

f(t) = 5·e−4t + 3·t·e−4t
f(0.3) = (5 + 3·0.3)·e−4·0.3 = 1.777

答え

f(0.3) = 1.777
2.ラプラス変換

答え: y(0.4) = 0.8677

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

Y(s) = 20/(s(s + 1)(s + 4))

部分分数展開

A = 20/(1·4) = 5
B = 20/((−1)·3) = −6.667
C = 20/((−4)·(−3)) = 1.667

排泄量

y(t) = 5 − 6.667·e−t + 1.667·e−4t
y(0.4) = 0.8677

答え

y(0.4) = 0.8677
3.ブロック線図

答え: K = 64

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 + 16)) = 0 → s² + 16s + K = 0

重根

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

16² = 4K → K = 256/4 = 64

答え

K = 64
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −8 にあります。
4.ブロック線図

答え: T(0) = 1.622

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。

内側のループ

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 2/(s + 11)

外側のループ

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 30/((s + 1)(s + 11) + 7.5)

直流ゲイン

T(0) = 30/(1·11 + 7.5) = 30/18.5 = 1.622

答え

T(0) = 1.622
5.ステップ応答

答え: ts = 0.8889 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 = 84 → ωₙ = 9.165 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9.165) = 0.491

結果

ζωₙ = 4.5 → ts ≈ 4/4.5 = 0.8889 s

答え

ts = 0.8889 s
6.ステップ応答

答え: xmax = 173.1 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) = √(200/2.5) = 8.944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(200·2.5)) = 0.2907

結果

xst = F/k = 25/200 m = 125 mm
%OS = 38.5 %
xmax = 125·(1 + 0.385) = 173.1 mm

答え

xmax = 173.1 mm
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 7.746 rad/s

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 + 16s² + 60s + K = 0
s³: 1, 60
s²: 16, K
s¹: (16·60 − K)/16
s⁰: K

限界ゲイン

K = 16·60 = 960

補助方程式

限界ゲインでは s¹ の行が 0 になります。s² の行から虚軸上の極が求まります。

16s² + 960 = 0 → s = ±j√60
ω = 7.746 rad/s

答え

ω = 7.746 rad/s
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: sb = −0.4869

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 + 1)(s + 10) = −(s³ + 11s² + 10s)

停留点

dK/ds = −(3s² + 22s + 10) = 0
s = (−22 ± √(484 − 120))/6 = −0.4869, −6.846

軌跡上の点を選ぶ

軌跡は 0 と −1 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 = −0.4869

答え

sb = −0.4869
9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 2000

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 = 2/0.01 = 200

利得

K = 10·Kv = 2000

答え

K = 2000

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 = 0.1118。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: K = 0.625

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) + 10K = s² + 2s + 10K

固有振動数

2·0.4·ωₙ = 2 → ωₙ = 2.5 rad/s

利得

10K = ωₙ² = 6.25 → K = 0.625

答え

K = 0.625
11.ボード線図と余裕

答え: |H| = −20.07 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。

カットオフ周波数

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·2.2 × 10⁻⁸) = 2066 rad/s
fc = 328.8 Hz → f/fc = 3300/328.8 = 10.04

利得

|H| = 1/√(1 + 10.04²) = 0.09916
20·log₁₀(0.09916) = −20.07 dB

答え

|H| = −20.07 dB
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 7.277 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 + 100ω² − 8100 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·8100))/2 = 52.96
ωc = 7.277 rad/s

答え

ωc = 7.277 rad/s

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