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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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 = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = (6s + 13)/(s² + 10s + 25) の f(t) を求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = (6s + 13)/(s² + 10s + 25)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

ある系が y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t) に従い、y(0) = 2、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(0.1) を求めよ。

y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.1 s
y(0.1) =
3.ブロック線図ふつう
R(s)+K(s + 3)(s + 12)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 3)(s + 12)) 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 + 3)(s + 12))単位負帰還
K =
4.ブロック線図むずかしい
R(s)+3s + 5G₁+5s + 5G₂C(s)1H₁−0.2H₂−

G₁ = 3/(s + 5)、G₂ = 5/(s + 5)、G₂ の周りの内側の負帰還 H₁ = 1、外側の負帰還 H₂ = 0.2 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 = 3/(s + 5)G₂ = 5/(s + 5)H₁ = 1H₂ = 0.2
T(0) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 19/(s² + 7s + 38) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 19/(s² + 7s + 38)
tp = s
6.ステップ応答むずかしい
+−12 VR = 25 ΩL = 100 mHC = 100 µFvC​

R = 25 Ω、L = 100 mH、C = 100 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 12 V のステップを加える。コンデンサは充電されておらず、ステップの前には電流は流れていない。 電圧の最初のピークの時刻 tp を ms で求めよ。

R = 25 ΩL = 100 mHC = 100 µFV = 12 V
tp = ms
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1(s + 1)(s + 3)(s + 4)C(s)−

単位フィードバックのループで L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 4))、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 + 1)(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4j2

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 3)) 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 + 1)(s + 2)(s + 3))
ω = rad/s
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2t+2(s + 1)s(s + 4)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 2t が、G(s) = 2(s + 1)/(s(s + 4)) 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) = 2(s + 1)/(s(s + 4))r(t) = 2t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+25 + Kd​s5s(s + 1)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) = 5/(s(s + 1)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.707 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 25ζ = 0.707
Kd = s
11.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 47 mHR = 47 Ωvout​

図の RL ローパスフィルタ は R = 47 Ω, L = 47 mH です。480 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 = 47 ΩL = 47 mHf = 480 Hz
φ = °
12.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 8/(s(s + 2)(s + 5)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 8/(s(s + 2)(s + 5))
GM = dB

3溶液

1.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 0.9565

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分数展開

6s + 13 = 6(s + 5) + −17
F(s) = 6/(s + 5) − 17/(s + 5)²

逆変換

f(t) = 6·e−5t − 17·t·e−5t
f(0.2) = (6 − 17·0.2)·e−5·0.2 = 0.9565

答え

f(0.2) = 0.9565
2.ラプラス変換

答え: y(0.1) = 3.213

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 + 10s + 24)·Y(s) = 2s + 20 + 384/s
Y(s) = (2s² + 20s + 384)/(s(s + 4)(s + 6))

部分分数展開

A = 384/(4·6) = 16
B = 336/((−4)·2) = −42
C = 336/((−6)·(−2)) = 28

結果

y(t) = 16 − 42·e−4t + 28·e−6t
y(0.1) = 3.213

答え

y(0.1) = 3.213

検算:y(0) = A + B + C = 2。

3.ブロック線図

答え: K = 20.25

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 + 3)(s + 12)) = 0 → s² + 15s + 36 + K = 0

重根

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

15² = 4(36 + K) → K = 225/4 − 36 = 20.25

答え

K = 20.25
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −7.5 にあります。
4.ブロック線図

答え: T(0) = 0.283

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) = 5/(s + 10)

外側のループ

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 15/((s + 5)(s + 10) + 3)

直流ゲイン

T(0) = 15/(5·10 + 3) = 15/53 = 0.283

答え

T(0) = 0.283
5.ステップ応答

答え: tp = 0.6191 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 = 38 → ωₙ = 6.164 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6.164) = 0.5678

結果

ωd = 6.164·√(1 − 0.5678²) = 5.074 rad/s → tp = π/ωd = 0.6191 s

答え

tp = 0.6191 s
6.ステップ応答

答え: tp = 10.82 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0.1·1 × 10⁻⁴) = 316.2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (25/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.1) = 0.3953

結果

ωd = 290.5 rad/s
tp = π/ωd = 10.82 ms

答え

tp = 10.82 ms
7.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 140

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 + 8s² + 19s + 12 + K = 0

ラウス表

s³: 1, 19
s²: 8, 12 + K
s¹: (8·19 − 12 − K)/8
s⁰: 12 + K

条件

s¹ の要素は正のままでなければなりません。

K < 8·19 − 12 = 140

答え

Kmax = 140

限界では、ループは ω = √19 = 4.359 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: ω = 3.317 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 + 6s² + 11s + 6 + K = 0
s¹: (6·11 − 6 − K)/6 = 0 → K = 60

交差周波数

6s² + 6 + 60 = 6s² + 66 = 0 → s² = −11
ω = √11 = 3.317 rad/s

答え

ω = 3.317 rad/s
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 4

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) = 0.5

ランプ偏差

ess = 2/0.5 = 4

答え

ess = 4
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 2.962 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 + 1) + 5(25 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 125

固有振動数

ωₙ = √125 = 11.18 rad/s

微分ゲイン

1 + 5Kd = 2·0.707·11.18 = 15.81
Kd = 2.962 s

答え

Kd = 2.962 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 = −71.66 °

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。

カットオフ周波数

ωc = R/L = 47/0.047 = 1000 rad/s
fc = 159.2 Hz → f/fc = 480/159.2 = 3.016

位相

φ = − atan(3.016) = −71.66°

答え

φ = −71.66°
12.ボード線図と余裕

答え: GM = 18.84 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。

位相交差

(ω/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3.162 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(70/8) = 18.84 dB

答え

GM = 18.84 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1