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−2−4−6−8−10−12−142

F(s) = (3s + 37)/(s² + 2s + 10) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = (3s + 37)/(s² + 2s + 10)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ある系が y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t) に従い、y(0) = 4、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 4 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.3) を求めよ。

y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.3 s
y(0.3) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+2s + 2G(s)C(s)0.2H−

プラント G(s) = 2/(s + 2) を、センサのゲインが H = 0.2 の負帰還ループで制御する。 閉ループの時定数 τ を求めよ。

G(s) = 2/(s + 2)H = 0.2
τ = s
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+8s + 3G₁+3s + 4G₂C(s)1H₁−0.25H₂−

G₁ = 8/(s + 3)、G₂ = 3/(s + 4)、G₂ の周りの内側の負帰還 H₁ = 1、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 = 8/(s + 3)G₂ = 3/(s + 4)H₁ = 1H₂ = 0.25
T(0) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)3?

ある系の伝達関数は G(s) = 15/(s² + 3s + 5) 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) = 15/(s² + 3s + 5)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
k = 200 N/mc = 13 N·s/mm = 10 kgF = 50 Nx(t)

質量 m = 10 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 = 50 N を突然加える。 変位が最大になる時刻 tp を求めよ。

m = 10 kgk = 200 N/mc = 13 N·s/mF = 50 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 = 751s(s + 5)(s + 10)C(s)−

図のループは K = 75、L(s) = K/(s(s + 5)(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 + 5)(s + 10))K = 75
m =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4j2j4

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4)) の根軌跡を描きました。軌跡が虚軸と交わる周波数 ω を求めなさい。

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))
ω = rad/s
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 0.5t+50s(s + 2)(s + 5)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 0.5t が、G(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5)) 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) = 50/(s(s + 2)(s + 5))r(t) = 0.5t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 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) = 10/(s + 1) を制御しています。閉ループは ωₙ = 3 rad/s、ζ = 0.5 でなければなりません。比例ゲイン Kp を求めなさい。

G(s) = 10/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0.5
Kp =
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 10 mHR = 100 Ωvout​

図の RL ローパスフィルタ は R = 100 Ω, L = 10 mH です。800 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 = 800 Hz
φ = °
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 120/(s(s + 4)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 120/(s(s + 4))
PM = °

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 7.266

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 + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

分子を合わせる

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (34/3)·3/((s + 1)² + 3²)

逆変換

f(t) = e−t·(3·cos 3t + 11.33·sin 3t)
f(0.2) = e−0.2·(3·cos(3·0.2) + 11.33·sin(3·0.2)) = 7.266

答え

f(0.2) = 7.266
2.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 5.546

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 + 9s + 20)·Y(s) = 4s + 36 + 160/s
Y(s) = (4s² + 36s + 160)/(s(s + 4)(s + 5))

部分分数展開

A = 160/(4·5) = 8
B = 80/((−4)·1) = −20
C = 80/((−5)·(−1)) = 16

結果

y(t) = 8 − 20·e−4t + 16·e−5t
y(0.3) = 5.546

答え

y(0.3) = 5.546

検算:y(0) = A + B + C = 4。

3.ブロック線図

答え: τ = 0.4167 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。

閉ループ伝達関数

T(s) = G/(1 + G·H) = 2/(s + 2 + 0.4) = 2/(s + 2.4)

結果

τ = 1/2.4 = 0.4167 s

答え

τ = 0.4167 s
4.ブロック線図

答え: T(0) = 0.8889

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) = 3/(s + 7)

外側のループ

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 24/((s + 3)(s + 7) + 6)

直流ゲイン

T(0) = 24/(3·7 + 6) = 24/27 = 0.8889

答え

T(0) = 0.8889
5.ステップ応答

答え: %OS = 5.833 %

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 = 5 → ωₙ = 2.236 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2.236) = 0.6708

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.842 = 5.833 %

答え

%OS = 5.833 %
6.ステップ応答

答え: tp = 0.71 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) = √(200/10) = 4.472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(200·10)) = 0.1453

結果

ωd = 4.425 rad/s
tp = π/ωd = 0.71 s

答え

tp = 0.71 s
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: m = 10

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 + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

安定な最大ゲイン

Kmax = 15·50 = 750

倍率

m = 750/75 = 10

答え

m = 10

この倍率が、比で表したゲイン余裕です:20 dB。

8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 5.099 rad/s

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。

限界ゲイン

s³ + 9s² + 26s + 24 + K = 0
s¹: (9·26 − 24 − K)/9 = 0 → K = 210

交差周波数

9s² + 24 + 210 = 9s² + 234 = 0 → s² = −26
ω = √26 = 5.099 rad/s

答え

ω = 5.099 rad/s
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.1

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) = 5

ランプ偏差

ess = 0.5/5 = 0.1

答え

ess = 0.1
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kp = 0.2

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 + 10Kp)s + 10Ki

目標の多項式

s² + 2·0.5·3s + 3² = s² + 3s + 9

係数を合わせる

1 + 10Kp = 3 → Kp = 0.2

答え

Kp = 0.2

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 = −26.69 °

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 = 800/1592 = 0.5027

位相

φ = − atan(0.5027) = −26.69°

答え

φ = −26.69°
12.ボード線図と余裕

答え: PM = 20.68 °

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 + 16ω² − 14400 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·14400))/2 = 112.3
ωc = 10.6 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(10.6/4) = −159.3°
PM = 180° + ∠L = 20.68°

答え

PM = 20.68°

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