制御工学 2:フィードバック制御の設計:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、10 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.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1

ある系の伝達関数は G(s) = 57/(s² + 4s + 57) 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) = 57/(s² + 4s + 57)
σ =
2.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 10)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 2 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 2 %
K =
3.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 15

ω = 15 rad/s における G(s) = 11(s + 9)/(s(s + 6)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 11(s + 9)/(s(s + 6))ω = 15 rad/s
∠G(jω) = °
4.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.010.010.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 1/(s(s + 2)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 1/(s(s + 2))
PM = °
5.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1s(s + 3)(s + 4)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4)) 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(s + 3)(s + 4))
Kmax =
6.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5j1j2

L(s) = K/((s + 4)(s² + 4s + 8)) について、上半平面にある複素極からの根軌跡の出発角 θd を、正の実軸から測って求めなさい。

L(s) = K/((s + 4)(s² + 4s + 8))
θd = °
7.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 5)) の単位フィードバックのループが、ランプ入力 r(t) = 1t に定常偏差 0.1 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 + 5))r(t) = 1tess = 0.1
K =
8.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+5 + Kd​s10s(s + 2)C(s)−

PD 制御器 C(s) = 5 + Kd·s 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 = 0.8 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 10/(s(s + 2))Kp = 5ζ = 0.8
Kd = s
9.ブロック線図ふつう
R(s)+20K+4s + 2G(s)C(s)3H₁−−

プラント G(s) = 4/(s + 2) には、ゲイン H₁ = 3 の内側(マイナー)の負帰還ループがある。コントローラのゲイン K = 20 と外側の単位負帰還ループで系が閉じられる。 閉ループの直流ゲイン T(0) を求めよ。

G(s) = 4/(s + 2)H₁ = 3K = 20
T(0) =
10.ブロック線図むずかしい
R(s)+K(s + 3)(s + 4)(s + 5)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5)) を単位負帰還ループに入れる。 ラウス・フルビッツの安定判別法を用いて、閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めよ。

G(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5))単位負帰還
Kmax =

3溶液

1.ステップ応答

答え: σ = −2

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 = 57 → ωₙ = 7.55 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7.55) = 0.2649

結果

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

答え

σ = −2
2.ステップ応答

答え: K = 41.12

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。

閉ループ伝達関数

T(s) = K/(s² + 10s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 0.7797

利得

ωₙ = 10/(2ζ) = 6.413 rad/s
K = ωₙ² = 41.12

答え

K = 41.12
3.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −99.16 °

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。

角を足す

∠G = atan(15/9) − 90° − atan(15/6) = 59.04° − 90° − 68.2°

結果

∠G(j15) = −99.16°

答え

∠G(jω) = −99.16°
4.ボード線図と余裕

答え: PM = 76.35 °

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 − 1 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·1))/2 = 0.2361
ωc = 0.4859 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(0.4859/2) = −103.7°
PM = 180° + ∠L = 76.35°

答え

PM = 76.35°
5.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 84

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。

固有方程式

s³ + 7s² + 12s + K = 0

ラウス表

s³: 1, 12
s²: 7, K
s¹: (7·12 − K)/7
s⁰: K

条件

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

K > 0
7·12 − K > 0 → K < 84

答え

Kmax = 84

K = 84 のとき、閉ループは ω = √12 = 3.464 rad/s で振動します。

6.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: θd = 45 °

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。

極の位置

s² + 4s + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −4

ほかの極からの角度

∠(−2 + j2 + 4) = atan2(2, 2) = 45°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

出発角

θd = 180° − 45° − 90° = 45°

答え

θd = 45°
7.定常偏差と PID 制御

答え: K = 50

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 = 1/0.1 = 10

利得

K = 5·Kv = 50

答え

K = 50

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 = 0.3536。この両立の難しさが、補償器を使う理由です。

8.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 0.9314 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 + 2) + 10(5 + Kds) = s² + (2 + 10Kd)s + 50

固有振動数

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s

微分ゲイン

2 + 10Kd = 2·0.8·7.071 = 11.31
Kd = 0.9314 s

答え

Kd = 0.9314 s

微分項は、ωₙ を変えずに減衰を加えます。

9.ブロック線図

答え: T(0) = 0.8511

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 = G/(1 + G·H₁) = 4/(s + 2 + 4·3) = 4/(s + 14)

外側のループ

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 80/(s + 14 + 80) = 80/(s + 94)

結果

T(0) = 80/94 = 0.8511

答え

T(0) = 0.8511
10.ブロック線図

答え: Kmax = 504

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

s³ + 12s² + 47s + 60 + K = 0

ラウス表

s³ | 1 47
s² | 12 60 + K
s¹ | (12·47 − 60 − K)/12
s⁰ | 60 + K

安定限界

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

Kmax = 12·47 − 60 = 504

答え

Kmax = 504

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