【問題のポイント・使用する基本公式】
本問は、折れ線近似されたボード線図(ゲイン特性曲線) から、対応する各要素(積分要素・比例要素・一次遅れ要素)のパラメータを同定し、伝達関数を導出する問題です。
周波数伝達関数とゲインの定義:
伝達関数 G ( s ) G(s) G ( s ) に対し s = j ω s = \mathrm{j}\omega s = j ω とおいた周波数伝達関数 G ( j ω ) G(\mathrm{j}\omega) G ( j ω ) のゲイン g ( ω ) [ d B ] g(\omega)\ [\mathrm{dB}] g ( ω ) [ dB ] は、
g ( ω ) = 20 log 10 ∣ G ( j ω ) ∣ g(\omega) = 20 \log_{10} |G(\mathrm{j}\omega)| g ( ω ) = 20 log 10 ∣ G ( j ω ) ∣
積分要素 G ( s ) = 1 T I s G(s) = \dfrac{1}{T_{\mathrm{I}}s} G ( s ) = T I s 1 のゲイン特性:
g ( ω ) = 20 log 10 ∣ 1 j ω T I ∣ = − 20 log 10 ( ω T I ) g(\omega) = 20 \log_{10} \left|\frac{1}{\mathrm{j}\omega T_{\mathrm{I}}}\right| = -20 \log_{10} (\omega T_{\mathrm{I}}) g ( ω ) = 20 log 10 j ω T I 1 = − 20 log 10 ( ω T I )
角周波数 ω \omega ω が10倍(1 d e c 1\ \mathrm{dec} 1 dec )になるとゲインは − 20 d B -20\ \mathrm{dB} − 20 dB 変化するため、全周波数域で傾き − 20 d B / d e c -20\ \mathrm{dB/dec} − 20 dB/dec の直線となります。また、g ( ω ) = 0 d B g(\omega) = 0\ \mathrm{dB} g ( ω ) = 0 dB となる交点角周波数は ω = 1 T I \omega = \dfrac{1}{T_{\mathrm{I}}} ω = T I 1 です。
一次遅れ要素 G ( s ) = 1 1 + T s G(s) = \dfrac{1}{1 + Ts} G ( s ) = 1 + T s 1 の折れ線近似:
折れ点角周波数を ω c = 1 T \omega_{\mathrm{c}} = \dfrac{1}{T} ω c = T 1 とすると、
ω ≤ ω c \omega \le \omega_{\mathrm{c}} ω ≤ ω c の低周波域:ゲイン 0 d B 0\ \mathrm{dB} 0 dB (傾き 0 d B / d e c 0\ \mathrm{dB/dec} 0 dB/dec )
ω ≥ ω c \omega \ge \omega_{\mathrm{c}} ω ≥ ω c の高周波域:傾き − 20 d B / d e c -20\ \mathrm{dB/dec} − 20 dB/dec で直線的に減衰
伝達関数の積とゲインの加算性:
伝達関数が G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) G(s) = G_1(s)G_2(s) G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) と表されるとき、その合成ゲインは各要素のゲインの和になります:
20 log 10 ∣ G ( j ω ) ∣ = 20 log 10 ∣ G 1 ( j ω ) ∣ + 20 log 10 ∣ G 2 ( j ω ) ∣ 20\log_{10}|G(\mathrm{j}\omega)| = 20\log_{10}|G_1(\mathrm{j}\omega)| + 20\log_{10}|G_2(\mathrm{j}\omega)| 20 log 10 ∣ G ( j ω ) ∣ = 20 log 10 ∣ G 1 ( j ω ) ∣ + 20 log 10 ∣ G 2 ( j ω ) ∣
【小問(1)の解説】
図1から積分要素 G 1 ( s ) = 1 T I s G_1(s) = \dfrac{1}{T_{\mathrm{I}}s} G 1 ( s ) = T I s 1 を決定する
周波数伝達関数は G 1 ( j ω ) = 1 j ω T I G_1(\mathrm{j}\omega) = \dfrac{1}{\mathrm{j}\omega T_{\mathrm{I}}} G 1 ( j ω ) = j ω T I 1 であり、そのゲイン g 1 ( ω ) g_1(\omega) g 1 ( ω ) は次式となります。
g 1 ( ω ) = 20 log 10 ∣ 1 j ω T I ∣ = − 20 log 10 ( ω T I ) [ d B ] g_1(\omega) = 20 \log_{10} \left|\frac{1}{\mathrm{j}\omega T_{\mathrm{I}}}\right| = -20 \log_{10}(\omega T_{\mathrm{I}})\ [\mathrm{dB}] g 1 ( ω ) = 20 log 10 j ω T I 1 = − 20 log 10 ( ω T I ) [ dB ]
より、特性曲線は
ω = 0.1 r a d / s \omega = 0.1\ \mathrm{rad/s} ω = 0.1 rad/s のとき
g 1 = 0 d B g_1 = 0\ \mathrm{dB} g 1 = 0 dB (また
ω = 0.01 \omega = 0.01 ω = 0.01 で
20 d B 20\ \mathrm{dB} 20 dB 、
ω = 1 \omega = 1 ω = 1 で
− 20 d B -20\ \mathrm{dB} − 20 dB )を通っています。
ω = 0.1 r a d / s \omega = 0.1\ \mathrm{rad/s} ω = 0.1 rad/s で
g 1 = 0 d B g_1 = 0\ \mathrm{dB} g 1 = 0 dB となる条件を代入すると、
− 20 log 10 ( 0.1 T I ) = 0 -20 \log_{10}(0.1 T_{\mathrm{I}}) = 0 − 20 log 10 ( 0.1 T I ) = 0
log 10 ( 0.1 T I ) = 0 \log_{10}(0.1 T_{\mathrm{I}}) = 0 log 10 ( 0.1 T I ) = 0
0.1 T I = 10 0 = 1 ⟹ T I = 10 s 0.1 T_{\mathrm{I}} = 10^0 = 1 \implies T_{\mathrm{I}} = 10\ \mathrm{s} 0.1 T I = 1 0 0 = 1 ⟹ T I = 10 s
したがって、求める伝達関数は次のようになります。
G 1 ( s ) = 1 10 s G_1(s) = \frac{1}{10s} G 1 ( s ) = 10 s 1
【小問(2)の解説】
G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) G(s) = G_1(s)G_2(s) G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) と分解したときの G 2 ( s ) G_2(s) G 2 ( s ) を求める
(図2)のゲイン特性は、図1と同じ傾き
− 20 d B / d e c -20\ \mathrm{dB/dec} − 20 dB/dec の直線です。同じ角周波数
ω = 0.1 r a d / s \omega = 0.1\ \mathrm{rad/s} ω = 0.1 rad/s におけるゲインを比較すると、
図1のゲイン:0 d B 0\ \mathrm{dB} 0 dB
図2のゲイン:40 d B 40\ \mathrm{dB} 40 dB
傾きが等しく一定の差を保っていることから、図2の特性は図1の特性を周波数全域にわたり + 40 d B +40\ \mathrm{dB} + 40 dB だけ平行移動(上方シフト)させたものであることが分かります。
ゲインの加算性より、周波数伝達関数 G 2 ( j ω ) G_2(\mathrm{j}\omega) G 2 ( j ω ) のゲイン g 2 ( ω ) g_2(\omega) g 2 ( ω ) は、
g 2 ( ω ) = 20 log 10 ∣ G ( j ω ) ∣ − 20 log 10 ∣ G 1 ( j ω ) ∣ = 40 − 0 = 40 [ d B ] g_2(\omega) = 20 \log_{10}|G(\mathrm{j}\omega)| - 20 \log_{10}|G_1(\mathrm{j}\omega)| = 40 - 0 = 40\ [\mathrm{dB}] g 2 ( ω ) = 20 log 10 ∣ G ( j ω ) ∣ − 20 log 10 ∣ G 1 ( j ω ) ∣ = 40 − 0 = 40 [ dB ]
これは角周波数 ω \omega ω に依存しない一定値であるため、G 2 ( s ) G_2(s) G 2 ( s ) は周波数によらない純粋な比例要素(定数ゲイン K K K )です。
20 log 10 ∣ G 2 ( j ω ) ∣ = 40 ⟹ log 10 ∣ G 2 ( j ω ) ∣ = 2 ⟹ ∣ G 2 ( j ω ) ∣ = 10 2 = 100 20 \log_{10}|G_2(\mathrm{j}\omega)| = 40 \implies \log_{10}|G_2(\mathrm{j}\omega)| = 2 \implies |G_2(\mathrm{j}\omega)| = 10^2 = 100 20 log 10 ∣ G 2 ( j ω ) ∣ = 40 ⟹ log 10 ∣ G 2 ( j ω ) ∣ = 2 ⟹ ∣ G 2 ( j ω ) ∣ = 1 0 2 = 100
問題の仮定より極や零点は右半平面に存在しないため、G 2 ( s ) G_2(s) G 2 ( s ) は正の実数定数となります。
G 2 ( s ) = 100 G_2(s) = 100 G 2 ( s ) = 100
【小問(3)の解説】
図2のゲイン特性から直接 G ( s ) = 1 T I 1 s G(s) = \dfrac{1}{T_{\mathrm{I1}}s} G ( s ) = T I1 s 1 を求める
周波数伝達関数 G ( j ω ) = 1 j ω T I 1 G(\mathrm{j}\omega) = \dfrac{1}{\mathrm{j}\omega T_{\mathrm{I1}}} G ( j ω ) = j ω T I1 1 のゲインは、
g ( ω ) = 20 log 10 ∣ 1 j ω T I 1 ∣ = − 20 log 10 ( ω T I 1 ) [ d B ] g(\omega) = 20 \log_{10} \left|\frac{1}{\mathrm{j}\omega T_{\mathrm{I1}}}\right| = -20 \log_{10}(\omega T_{\mathrm{I1}})\ [\mathrm{dB}] g ( ω ) = 20 log 10 j ω T I1 1 = − 20 log 10 ( ω T I1 ) [ dB ]
題意より、ω = 0.1 r a d / s \omega = 0.1\ \mathrm{rad/s} ω = 0.1 rad/s のとき g = 40 d B g = 40\ \mathrm{dB} g = 40 dB であるため、
− 20 log 10 ( 0.1 T I 1 ) = 40 -20 \log_{10}(0.1 T_{\mathrm{I1}}) = 40 − 20 log 10 ( 0.1 T I1 ) = 40
log 10 ( 0.1 T I 1 ) = − 2 \log_{10}(0.1 T_{\mathrm{I1}}) = -2 log 10 ( 0.1 T I1 ) = − 2
0.1 T I 1 = 10 − 2 = 0.01 ⟹ T I 1 = 0.1 s 0.1 T_{\mathrm{I1}} = 10^{-2} = 0.01 \implies T_{\mathrm{I1}} = 0.1\ \mathrm{s} 0.1 T I1 = 1 0 − 2 = 0.01 ⟹ T I1 = 0.1 s
したがって、G ( s ) G(s) G ( s ) は次のように求められます。
T I 1 = 0.1 s , G ( s ) = 1 0.1 s = 10 s T_{\mathrm{I1}} = 0.1\ \mathrm{s},\quad G(s) = \frac{1}{0.1s} = \frac{10}{s} T I1 = 0.1 s , G ( s ) = 0.1 s 1 = s 10
※ 小問(1)と小問(2)の結果を掛け合わせると G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) = 1 10 s × 100 = 10 s G(s) = G_1(s)G_2(s) = \dfrac{1}{10s} \times 100 = \dfrac{10}{s} G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) = 10 s 1 × 100 = s 10 となり、完全に一致することが確認できます。
【小問(4)の解説】
図3の折れ線近似特性から G ( s ) G(s) G ( s ) を求める
伝達関数を積分要素 G 1 ( s ) = 1 T I 2 s G_1(s) = \dfrac{1}{T_{\mathrm{I2}}s} G 1 ( s ) = T I2 s 1 と一次遅れ要素 G 2 ( s ) = 1 1 + T s G_2(s) = \dfrac{1}{1+Ts} G 2 ( s ) = 1 + T s 1 の直列結合:
G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) = 1 T I 2 s ( 1 + T s ) G(s) = G_1(s)G_2(s) = \frac{1}{T_{\mathrm{I2}}s(1+Ts)} G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) = T I2 s ( 1 + T s ) 1
として分解します。
(図3)の特性曲線を分析して各パラメータを決定します。
1. 一次遅れ要素の時定数 T T T の決定
図3において、ゲインの傾きは ω = 0.5 r a d / s \omega = 0.5\ \mathrm{rad/s} ω = 0.5 rad/s の地点で − 20 d B / d e c -20\ \mathrm{dB/dec} − 20 dB/dec から − 40 d B / d e c -40\ \mathrm{dB/dec} − 40 dB/dec へと急変しています。傾きが − 20 d B / d e c -20\ \mathrm{dB/dec} − 20 dB/dec だけ減少していることから、この折れ点角周波数が一次遅れ要素の折れ点 ω c = 0.5 r a d / s \omega_{\mathrm{c}} = 0.5\ \mathrm{rad/s} ω c = 0.5 rad/s に対応します。
ω c = 1 T = 0.5 r a d / s ⟹ T = 1 0.5 = 2 s \omega_{\mathrm{c}} = \frac{1}{T} = 0.5\ \mathrm{rad/s} \implies T = \frac{1}{0.5} = 2\ \mathrm{s} ω c = T 1 = 0.5 rad/s ⟹ T = 0.5 1 = 2 s
したがって、一次遅れ要素は G 2 ( s ) = 1 1 + 2 s G_2(s) = \dfrac{1}{1+2s} G 2 ( s ) = 1 + 2 s 1 と決定されます。
2. 積分要素の時定数 T I 2 T_{\mathrm{I2}} T I2 の決定
折れ線近似 では、一次遅れ要素 G 2 ( s ) G_2(s) G 2 ( s ) のゲインは折れ点角周波数以下(ω ≤ 0.5 r a d / s \omega \le 0.5\ \mathrm{rad/s} ω ≤ 0.5 rad/s )において 0 d B 0\ \mathrm{dB} 0 dB とみなされます。
したがって、折れ点 ω = 0.5 r a d / s \omega = 0.5\ \mathrm{rad/s} ω = 0.5 rad/s における全体のゲイン 14 d B 14\ \mathrm{dB} 14 dB は、すべて積分要素 G 1 ( s ) G_1(s) G 1 ( s ) が担っていることになります。
g 1 ( 0.5 ) = − 20 log 10 ( 0.5 T I 2 ) = 14 [ d B ] g_1(0.5) = -20\log_{10}(0.5 T_{\mathrm{I2}}) = 14\ [\mathrm{dB}] g 1 ( 0.5 ) = − 20 log 10 ( 0.5 T I2 ) = 14 [ dB ]
問題文に与えられた条件式 14 = 20 log 10 10 0.7 14 = 20 \log_{10} 10^{0.7} 14 = 20 log 10 1 0 0.7 および 10 0.7 = 5.0119 10^{0.7} = 5.0119 1 0 0.7 = 5.0119 を用いて変形します。
20 log 10 ( 1 0.5 T I 2 ) = 20 log 10 10 0.7 20 \log_{10}\left(\frac{1}{0.5 T_{\mathrm{I2}}}\right) = 20 \log_{10} 10^{0.7} 20 log 10 ( 0.5 T I2 1 ) = 20 log 10 1 0 0.7
1 0.5 T I 2 = 10 0.7 = 5.0119 \frac{1}{0.5 T_{\mathrm{I2}}} = 10^{0.7} = 5.0119 0.5 T I2 1 = 1 0 0.7 = 5.0119
T I 2 = 1 0.5 × 5.0119 = 2 5.0119 [ s ] T_{\mathrm{I2}} = \frac{1}{0.5 \times 5.0119} = \frac{2}{5.0119}\ [\mathrm{s}] T I2 = 0.5 × 5.0119 1 = 5.0119 2 [ s ]
これより、積分要素は G 1 ( s ) = 1 T I 2 s = 5.0119 2 s G_1(s) = \dfrac{1}{T_{\mathrm{I2}}s} = \dfrac{5.0119}{2s} G 1 ( s ) = T I2 s 1 = 2 s 5.0119 と求まります。
3. 伝達関数 G ( s ) G(s) G ( s ) の合成
以上を掛け合わせると、伝達関数 G ( s ) G(s) G ( s ) は次のようになります。
G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) = 5.0119 2 s ⋅ 1 1 + 2 s = 5.0119 2 s ( 1 + 2 s ) ≒ 5.01 2 s ( 1 + 2 s ) G(s) = G_1(s)G_2(s) = \frac{5.0119}{2s} \cdot \frac{1}{1+2s} = \frac{5.0119}{2s(1+2s)} \fallingdotseq \frac{5.01}{2s(1+2s)} G ( s ) = G 1 ( s ) G 2 ( s ) = 2 s 5.0119 ⋅ 1 + 2 s 1 = 2 s ( 1 + 2 s ) 5.0119 ≒ 2 s ( 1 + 2 s ) 5.01
なお、分子・分母を整理して分子に比例ゲインをまとめた表記(5.0119 2 ≈ 2.506 \dfrac{5.0119}{2} \approx 2.506 2 5.0119 ≈ 2.506 )も同等に正解です。
G ( s ) = 5.01 2 s ( 1 + 2 s ) ( ≈ 2.51 s ( 1 + 2 s ) ) G(s) = \frac{5.01}{2s(1+2s)}\quad \left(\approx \frac{2.51}{s(1+2s)}\right) G ( s ) = 2 s ( 1 + 2 s ) 5.01 ( ≈ s ( 1 + 2 s ) 2.51 )
【正解の総括】
(1) G 1 ( s ) = 1 10 s G_1(s) = \dfrac{1}{10s} G 1 ( s ) = 10 s 1
(2) G 2 ( s ) = 100 G_2(s) = 100 G 2 ( s ) = 100
(3) T I 1 = 0.1 s , G ( s ) = 10 s T_{\mathrm{I1}} = 0.1\ \mathrm{s},\quad G(s) = \dfrac{10}{s} T I1 = 0.1 s , G ( s ) = s 10
(4) G ( s ) = 5.01 2 s ( 1 + 2 s ) ( または 2.51 s ( 1 + 2 s ) ) G(s) = \dfrac{5.01}{2s(1+2s)}\quad \left(\text{または } \dfrac{2.51}{s(1+2s)}\right) G ( s ) = 2 s ( 1 + 2 s ) 5.01 ( または s ( 1 + 2 s ) 2.51 )
本問のように「ボード線図から伝達関数を逆算する」問題では、①直線の傾きから要素の次数(積分・一次遅れなど)を見極めること、②折れ点角周波数から各要素の時定数 T T T を特定すること、③折れ線近似における基準点(ω c \omega_c ω c において一次遅れのゲインは 0 d B 0\ \mathrm{dB} 0 dB )を利用して積分時定数やゲイン定数を決定すること、の3ステップを着実に実行することが重要です。