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) = 99/(s² + 12s + 99) 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) = 99/(s² + 12s + 99)
σ =
2.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 0.2 s8 %

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 8 % で、最初のピークは t = 0.2 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 8 %tp = 0.2 s
ωn = rad/s
3.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 220 ΩL = 47 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 220 Ω, L = 47 mH です。1.5 kHz 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 = 220 ΩL = 47 mHf = 1.5 kHz
φ = °
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) = 256/(s(s + 6)(s + 9)) である。 ∠L(jω) = −180° となる位相交差周波数 ω180 を求めよ。

L(s) = 256/(s(s + 6)(s + 9))
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)+K1s(s + 2)(s + 10)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)) です。ゲインを上げていくと、閉ループが安定限界に達します。持続振動の周波数 ω を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))
ω = rad/s
6.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10−12j2−2.5

ループ L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)) について、閉ループ極を s = −2.5 に置くゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))s = −2.5
K =
7.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 211s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 1/(1s + 1) を、比例ゲイン K = 2 で単位フィードバックのループにより制御します。ステップ入力に対する定常偏差 ess を、ステップの大きさに対する百分率で求めなさい。

G(s) = 1/(1s + 1)K = 2
ess = %
8.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 502s(s + 8)C(s)−

比例制御器 K = 50 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s(s + 8)) を制御しています。 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) = 2/(s(s + 8))K = 50
ts = s
9.ブロック線図ふつう
R(s)+Ks(s + 13)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 13)) 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(s + 13))単位負帰還
K =
10.ブロック線図むずかしい
R(s)+6s + 1G₁+7s + 7G₂C(s)1H₁−0.25H₂−

G₁ = 6/(s + 1)、G₂ = 7/(s + 7)、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 = 6/(s + 1)G₂ = 7/(s + 7)H₁ = 1H₂ = 0.25
T(0) =

3溶液

1.ステップ応答

答え: σ = −6

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 = 99 → ωₙ = 9.95 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9.95) = 0.603

結果

σ = −ζωₙ = −12/2 = −6

答え

σ = −6
2.ステップ応答

答え: ωn = 20.15 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(0.08)/√(π² + ln²(0.08)) = 2.526/√(9.87 + 6.379) = 0.6266

固有振動数

ωd = π/tp = π/0.2 = 15.71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15.71/0.7794 = 20.15 rad/s

答え

ωn = 20.15 rad/s
3.ボード線図と余裕

答え: φ = 26.41 °

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 = 220/0.047 = 4681 rad/s
fc = 745 Hz → f/fc = 1500/745 = 2.013

位相

φ = 90° − atan(2.013) = 26.41°

答え

φ = 26.41°
4.ボード線図と余裕

答え: ω180 = 7.348 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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

答え

ω180 = 7.348 rad/s
5.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 4.472 rad/s

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 + 12s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 12, K
s¹: (12·20 − K)/12
s⁰: K

限界ゲイン

K = 12·20 = 240

補助方程式

限界ゲインでは s¹ の行が 0 になります。s² の行から虚軸上の極が求まります。

12s² + 240 = 0 → s = ±j√20
ω = 4.472 rad/s

答え

ω = 4.472 rad/s
6.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: K = 28.13

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。

大きさの条件

K = |s|·|s + 4|·|s + 10|

その点で評価する

K = 2.5·1.5·7.5 = 28.13

答え

K = 28.13

確認:s(s + 4)(s + 10) + K は s = −2.5 で 0 になります。

7.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 33.33 %

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。

位置偏差定数

Kp = 2·1 = 2

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 2) = 33.33 %

答え

ess = 33.33 %
8.定常偏差と PID 制御

答え: ts = 1 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 + 8) + 50·2 = s² + 8s + 100

ωₙ と ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 8/(2·10) = 0.4

整定時間

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s

答え

ts = 1 s

ここでは整定時間は K によりません:K を上げると、応答がより速く振動するだけです。

9.ブロック線図

答え: K = 42.25

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(s + 13)) = 0 → s² + 13s + K = 0

重根

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

13² = 4K → K = 169/4 = 42.25

答え

K = 42.25
このとき、閉ループの極は 2 つとも s = −6.5 にあります。
10.ブロック線図

答え: T(0) = 1.714

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) = 7/(s + 14)

外側のループ

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 42/((s + 1)(s + 14) + 10.5)

直流ゲイン

T(0) = 42/(1·14 + 10.5) = 42/24.5 = 1.714

答え

T(0) = 1.714

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