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)0.5ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 10/(s² + 5s + 20) 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) = 10/(s² + 5s + 20)
ts = s
2.ステップ応答むずかしい
R(s)+30s(s + 2)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 30/(s(s + 2)) である。ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、閉ループのステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 30/(s(s + 2))
ts = s
3.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)1101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 20

ω = 20 rad/s における G(s) = 3600/((s + 10)(s + 20)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 3600/((s + 10)(s + 20))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
4.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 858/(s(s + 9)(s + 10)) である。 ∠L(jω) = −180° となる位相交差周波数 ω180 を求めよ。

L(s) = 858/(s(s + 9)(s + 10))
ω180 = rad/s
5.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+51s(s + 2)(s + 3)C(s)+

図のループは正帰還で、L(s) = 5/(s(s + 2)(s + 3)) です。右半平面にある閉ループ極の個数 N はいくつですか。

L(s) = 5/(s(s + 2)(s + 3))
N =
6.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 + 5)(s + 10)) の根軌跡は、s = 0 と s = −5 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 + 5)(s + 10))
sb =
7.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 3t+4s(s + 4)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 3t が、G(s) = 4/(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) = 4/(s(s + 4))r(t) = 3t
ess =
8.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 4C(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) = 2/(s + 4) を制御しています。閉ループは ωₙ = 5 rad/s、ζ = 0.6 でなければなりません。積分ゲイン Ki を求めなさい。

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0.6
Ki =
9.ブロック線図ふつう
R(s)+12(s + 1)(s + 5)(s + 9)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 12(s + 1)/((s + 5)(s + 9)) 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) = 12(s + 1)/((s + 5)(s + 9))R = 10
ess =
10.ブロック線図むずかしい
R(s)+52s(s + 8)G(s)C(s)0.5H−

プラント G(s) = 52/(s(s + 8)) を、センサのゲイン H = 0.5 の負帰還ループに入れる。閉ループの極は複素数である。 その実部 σ を求めよ。

G(s) = 52/(s(s + 8))H = 0.5
σ =

3溶液

1.ステップ応答

答え: ts = 1.6 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 = 20 → ωₙ = 4.472 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4.472) = 0.559

結果

ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答え

ts = 1.6 s
2.ステップ応答

答え: ts = 4 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。

閉ループ伝達関数

T(s) = 30/(s² + 2s + 30): ωₙ = 5.477 rad/s, ζ = 0.1826

整定時間

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

答え

ts = 4 s

このループでは K によらず ζωₙ = a/2 です:K を大きくするとオーバーシュートは増えますが、整定時間は短くなりません。

3.ボード線図と余裕

答え: |G(jω)| = 15.11 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。

大きさを掛ける

|G(j20)| = 3600/(√(20² + 10²)·√(20² + 20²)) = 3600/(22.36·28.28) = 5.692

結果

20·log₁₀(5.692) = 15.11 dB

答え

|G(jω)| = 15.11 dB
4.ボード線図と余裕

答え: ω180 = 9.487 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。

位相交差

(ω/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9.487 rad/s

答え

ω180 = 9.487 rad/s
5.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: N = 1

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 + 5s² + 6s − 5 = 0

ラウス表

s³: 1, 6
s²: 5, −5
s¹: 7
s⁰: −5

第 1 列の符号変化

1 → 5 → 7 → −5
N = 1

答え

N = 1

正帰還では定数項の係数が負になるため、実極が必ず 1 つ右半平面に移ります。

6.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: sb = −2.113

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 + 5)(s + 10) = −(s³ + 15s² + 50s)

停留点

dK/ds = −(3s² + 30s + 50) = 0
s = (−30 ± √(900 − 600))/6 = −2.113, −7.887

軌跡上の点を選ぶ

軌跡は 0 と −5 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 = −2.113

答え

sb = −2.113
7.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 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) = 1

ランプ偏差

ess = 3/1 = 3

答え

ess = 3
8.定常偏差と PID 制御

答え: Ki = 12.5

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 + 4) を掛けます。

s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki

目標の多項式

s² + 2·0.6·5s + 5² = s² + 6s + 25

係数を合わせる

2Ki = 25 → Ki = 12.5

答え

Ki = 12.5

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。

9.ブロック線図

答え: ess = 7.895

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) = 12·1/(5·9) = 0.2667

定常偏差

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0.2667) = 7.895

答え

ess = 7.895
10.ブロック線図

答え: σ = −4

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

s(s + 8) + 52·0.5 = 0 → s² + 8s + 26 = 0

根

s = −4 ± j·√(26 − 16) = −4 ± j3.162
σ = −4

答え

σ = −4

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