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−2−4−6−8−10−12−14

F(s) = (s + 13)/(s² + 8s + 15) である。その逆変換は f(t) = A·e−3t + B·e−5t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (s + 13)/(s² + 8s + 15)
A =
2.ラプラス変換むずかしい
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.50.51

ある系が微分方程式 y″ + 5y′ + 6y = 3u′ + 10u で表される(入力 u(t)、出力 y(t))。その伝達関数 G(s) = Y(s)/U(s)(初期条件はゼロ)を求め、t = 0.3 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.3) を求めよ。

y″ + 5y′ + 6y = 3u′ + 10ut = 0.3 s
g(0.3) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+6(s + 6)(s + 3)(s + 5)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 6(s + 6)/((s + 3)(s + 5)) である。基準入力に大きさ 10 のステップを加える。定常偏差 ess を求めよ。

G(s) = 6(s + 6)/((s + 3)(s + 5))R = 10
ess =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+15コントローラ+D(s)+3s + 5プラントC(s)−

比例コントローラ K = 15 が、プラント G(s) = 3/(s + 5) 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)。 R = 0 のとき、大きさ 10 の外乱ステップを加える。定常出力 css を求めよ。

K = 15G(s) = 3/(s + 5)D = 10R = 0
css =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)2

ある系の伝達関数は G(s) = 142/(s² + 5s + 71) で、単位ステップ入力を受ける。 極は s = σ ± jωd である。その実部 σ を求めよ。

G(s) = 142/(s² + 5s + 71)
σ =
6.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 0.25 s2 %

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 2 % で、最初のピークは t = 0.25 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 2 %tp = 0.25 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)+K1(s + 2)(s + 4)(s + 5)C(s)−

単位フィードバックのループで L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 5))、K > 0 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 + 2)(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
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(t) = 3t+10s(s + 1)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 3t が、G(s) = 10/(s(s + 1)) 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) = 10/(s(s + 1))r(t) = 3t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+25 + Kd​s1s(s + 3)C(s)−

PD 制御器 C(s) = 25 + Kd·s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 1/(s(s + 3)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.5 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 1/(s(s + 3))Kp = 25ζ = 0.5
Kd = s
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 100 ΩL = 10 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 100 Ω, L = 10 mH です。400 Hz 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 = 100 ΩL = 10 mHf = 400 Hz
φ = °
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) = 17.6/(s(s + 8)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 17.6/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3溶液

1.ラプラス変換

答え: A = 5

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 + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)

隠蔽法

(s + 3) を掛けて s = −3 とおくと、B の項は消えます。

A = (s + 13)/(s + 5) |s = −3 = 10/2 = 5

答え

A = 5
(B = −4 なので、f(t) = 5·e−3t − 4·e−5t)
2.ラプラス変換

答え: g(0.3) = 1.789

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)。

伝達関数

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 10)/(s² + 5s + 6)

部分分数展開

s² + 5s + 6 = (s + 2)(s + 3)
A = 4, B = −1

インパルス応答

g(t) = 4·e−2t − e−3t
g(0.3) = 1.789

答え

g(0.3) = 1.789
3.ブロック線図

答え: ess = 2.941

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。

位置偏差定数

Kₚ = G(0) = 6·6/(3·5) = 2.4

定常偏差

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 2.4) = 2.941

答え

ess = 2.941
4.ブロック線図

答え: css = 0.6

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) = 3/(s + 5 + 45)

定常状態

css = 10·3/50 = 0.6

答え

css = 0.6

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: σ = −2.5

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 = 71 → ωₙ = 8.426 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8.426) = 0.2967

結果

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

答え

σ = −2.5
6.ステップ応答

答え: ωn = 20.07 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(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 3.912/√(9.87 + 15.3) = 0.7797

固有振動数

ωd = π/tp = π/0.25 = 12.57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12.57/0.6261 = 20.07 rad/s

答え

ωn = 20.07 rad/s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 378

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。

特性多項式

s³ + 11s² + 38s + 40 + K = 0

ラウス表

s³: 1, 38
s²: 11, 40 + K
s¹: (11·38 − 40 − K)/11
s⁰: 40 + K

条件

s¹ の要素は正のままでなければなりません。

K < 11·38 − 40 = 378

答え

Kmax = 378

限界では、ループは ω = √38 = 6.164 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 = 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 = 0.3

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) = 10

ランプ偏差

ess = 3/10 = 0.3

答え

ess = 0.3
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 2 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 + 3) + 1(25 + Kds) = s² + (3 + 1Kd)s + 25

固有振動数

ωₙ = √25 = 5 rad/s

微分ゲイン

3 + 1Kd = 2·0.5·5 = 5
Kd = 2 s

答え

Kd = 2 s

微分項は、ωₙ を変えずに減衰を加えます。

11.ボード線図と余裕

答え: φ = 75.89 °

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 = R/L = 100/0.01 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 400/1592 = 0.2513

位相

φ = 90° − atan(0.2513) = 75.89°

答え

φ = 75.89°
12.ボード線図と余裕

答え: ωc = 2.126 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 + 64ω² − 309.8 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·309.8))/2 = 4.521
ωc = 2.126 rad/s

答え

ωc = 2.126 rad/s

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