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フィードバック制御系の直列補償器設計と定常速度偏差の解析

PID
第二種電気主任技術者 2020年度 機械・制御 問4

図のようなフィードバック制御系について,次の問に答えよ。ただし,R(s) R\left( s\right) は目標値,D(s) D\left( s\right) は外乱,U(s) U\left( s\right) は操作量,Y(s) Y\left( s\right) は制御量,E(s) E\left( s\right) は偏差とする。外乱D(s) D\left( s\right) の時間関数は次に示すランプ関数であり, d(t)={2t(t≧0)0(t<0)\displaystyle \begin{aligned} d\left( t\right) = \begin{cases} \displaystyle 2t & ( t ≧ 0 ) \\ \displaystyle 0 & ( t < 0 ) \end{cases} \end{aligned}とする。

(1) R(s)=0 R\left( s\right) =0 ,C(s)=K>0 C\left( s\right) =K>0 のとき,外乱D(s) D\left( s\right) による定常速度偏差ev e_{\mathrm {v}} を求めよ。

(2) C(s)=K>0 C\left( s\right) =K>0 のとき,閉ループ系の安定性の指標の一つである減衰係数ζ \zeta を0.8 0.8 に設定するためのK K の値を求めよ。

(3) R(s)=0 R\left( s\right) =0 ,C(s)=A⋅s+10.1s+1(A>0) \displaystyle C\left( s\right) =A\cdot \frac {s+1}{0.1s+1}\left( A>0 \right) の場合について,外乱D(s) D\left( s\right) による定常速度偏差ev e_{\mathrm {v}} を求めよ。

(4) 上記(3)のC(s) C\left( s\right) を用いた閉ループ系の減衰定数ζ \zeta が0.8 0.8 になるようなA A の値を求めよ。

(5) 上記(2)と上記(4)の場合,それぞれにおいて閉ループ系の固有角周波数ωn \omega _{\mathrm {n}} を求めよ。その結果,上記(2)の場合に比べて上記(4)の場合は,応答が何倍になるかを示せ。

(6) 上記(2)と上記(4)の場合,それぞれにおいて外乱D(s) D\left( s\right) に対する定常速度偏差ev e_{\mathrm {v}} を求めよ。その結果,上記(2)の場合に比べて上記(4)の場合は,定常速度偏差が何倍になるかを示せ。

問題図

解説

問題のポイントと使用する公式

本問は、直列補償器(位相進み補償)による制御系の動特性(応答速度)および定常特性(外乱抑圧性能)の改善効果を、定量的・体系的に検証する問題です。

  • ランプ関数のラプラス変換: d(t)=2t (t≥0)  ⟺  D(s)=2s2d(t) = 2t\ (t \ge 0) \iff D(s) = \dfrac{2}{s^2}
  • 外乱から偏差への閉ループ伝達関係:
    問題図
    より、出力 Y(s)=C(s)s(s+1)E(s)+D(s)Y(s) = \dfrac{C(s)}{s(s+1)}E(s) + D(s) および E(s)=R(s)−Y(s)E(s) = R(s) - Y(s)。R(s)=0R(s) = 0 のとき、 E(s)=−Y(s)=−11+C(s)s(s+1)D(s)=−s(s+1)s(s+1)+C(s)D(s)E(s) = -Y(s) = -\frac{1}{1 + \dfrac{C(s)}{s(s+1)}} D(s) = -\frac{s(s+1)}{s(s+1) + C(s)} D(s) (※外乱 D(s)D(s) が出力側に加算されるため、正の外乱に対して出力が増加すると、偏差 E(s)=0−Y(s)E(s)=0-Y(s) は負符号となります)
  • 定常偏差(最終値の定理): 閉ループ系が安定なとき、定常速度偏差 eve_{\mathrm{v}} は次式で求められます。 ev=lim⁡t→∞e(t)=lim⁡s→0sE(s)e_{\mathrm{v}} = \lim_{t \to \infty} e(t) = \lim_{s \to 0} s E(s)
  • 2次遅れ系の標準形: 特性方程式 s2+2ζωns+ωn2=0s^2 + 2\zeta \omega_{\mathrm{n}} s + \omega_{\mathrm{n}}^2 = 0 (ζ\zeta:減衰係数、ωn\omega_{\mathrm{n}}:固有角周波数)

(1) R(s)=0, C(s)=K>0R(s) = 0,\ C(s) = K > 0 のときの定常速度偏差 eve_{\mathrm{v}}

外乱から偏差への関係式に R(s)=0, C(s)=KR(s) = 0,\ C(s) = K を代入すると、

E(s)=−s(s+1)s(s+1)+KD(s)=−s(s+1)s2+s+K⋅2s2=−2(s+1)s(s2+s+K)E(s) = -\frac{s(s+1)}{s(s+1) + K} D(s) = -\frac{s(s+1)}{s^2 + s + K} \cdot \frac{2}{s^2} = -\frac{2(s+1)}{s(s^2 + s + K)}

最終値の定理を適用して定常速度偏差 eve_{\mathrm{v}} を求めます。

ev=lim⁡s→0sE(s)=lim⁡s→0[−2(s+1)s2+s+K]=−2Ke_{\mathrm{v}} = \lim_{s \to 0} s E(s) = \lim_{s \to 0} \left[ -\frac{2(s+1)}{s^2 + s + K} \right] = -\frac{2}{K}

(※偏差の大きさとして表す場合は 2K\dfrac{2}{K} となります)

ev=−2Ke_{\mathrm{v}} = -\frac{2}{K}

(2) 減衰係数 ζ=0.8\zeta = 0.8 に設定するための KK の値

閉ループ系の特性方程式は分母多項式より、

s2+s+K=0s^2 + s + K = 0

これを2次遅れ系の標準形 s2+2ζωns+ωn2=0s^2 + 2\zeta \omega_{\mathrm{n}} s + \omega_{\mathrm{n}}^2 = 0 と係数比較します。

{2ζωn=1ωn2=K\begin{cases} 2\zeta \omega_{\mathrm{n}} = 1 \\ \omega_{\mathrm{n}}^2 = K \end{cases}

ζ=0.8\zeta = 0.8 を代入すると、

ωn=12×0.8=11.6=0.625 rad/s\omega_{\mathrm{n}} = \frac{1}{2 \times 0.8} = \frac{1}{1.6} = 0.625\ \mathrm{rad/s}

したがって、KK の値は、

K=ωn2=(0.625)2=2564=0.390625≈0.391K = \omega_{\mathrm{n}}^2 = (0.625)^2 = \frac{25}{64} = 0.390625 \approx 0.391 K≈0.391K \approx 0.391 (または 2564\frac{25}{64})

(3) C(s)=A⋅s+10.1s+1C(s) = A \cdot \dfrac{s+1}{0.1s+1} のときの定常速度偏差 eve_{\mathrm{v}}

一巡伝達関数 G(s)C(s)G(s)C(s) は、補償器の零点 (s+1)(s+1) と制御対象の極 (s+1)(s+1) が相殺(極零相殺)されるため、

C(s)⋅1s(s+1)=A⋅s+10.1s+1⋅1s(s+1)=As(0.1s+1)C(s) \cdot \frac{1}{s(s+1)} = A \cdot \frac{s+1}{0.1s+1} \cdot \frac{1}{s(s+1)} = \frac{A}{s(0.1s+1)}

となります。したがって、R(s)=0R(s) = 0 のときの偏差 E(s)E(s) は、

E(s)=−11+As(0.1s+1)D(s)=−s(0.1s+1)0.1s2+s+A⋅2s2=−2(0.1s+1)s(0.1s2+s+A)E(s) = -\frac{1}{1 + \dfrac{A}{s(0.1s+1)}} D(s) = -\frac{s(0.1s+1)}{0.1s^2 + s + A} \cdot \frac{2}{s^2} = -\frac{2(0.1s+1)}{s(0.1s^2 + s + A)}

最終値の定理より、

ev=lim⁡s→0sE(s)=lim⁡s→0[−2(0.1s+1)0.1s2+s+A]=−2Ae_{\mathrm{v}} = \lim_{s \to 0} s E(s) = \lim_{s \to 0} \left[ -\frac{2(0.1s+1)}{0.1s^2 + s + A} \right] = -\frac{2}{A} ev=−2Ae_{\mathrm{v}} = -\frac{2}{A}

(4) 減衰定数 ζ=0.8\zeta = 0.8 になるような AA の値

相殺後の閉ループ系の特性方程式は 0.1s2+s+A=00.1s^2 + s + A = 0 です。最高次の係数を 11 にするために全体を 0.10.1 で割ると、

s2+10s+10A=0s^2 + 10s + 10A = 0

標準形 s2+2ζωns+ωn2=0s^2 + 2\zeta \omega_{\mathrm{n}} s + \omega_{\mathrm{n}}^2 = 0 と係数比較します。

{2ζωn=10ωn2=10A\begin{cases} 2\zeta \omega_{\mathrm{n}} = 10 \\ \omega_{\mathrm{n}}^2 = 10A \end{cases}

ζ=0.8\zeta = 0.8 より、

ωn=102×0.8=101.6=6.25 rad/s\omega_{\mathrm{n}} = \frac{10}{2 \times 0.8} = \frac{10}{1.6} = 6.25\ \mathrm{rad/s}

したがって、AA の値は、

10A=ωn2=(6.25)2=39.0625  ⟹  A=3.90625≈3.9110A = \omega_{\mathrm{n}}^2 = (6.25)^2 = 39.0625 \implies A = 3.90625 \approx 3.91 A≈3.91A \approx 3.91 (または 12532\frac{125}{32})

(5) 固有角周波数 ωn\omega_{\mathrm{n}} の比較と応答速度の倍率

それぞれの固有角周波数 ωn\omega_{\mathrm{n}} は次の通りです。

  • (2) の場合:ωn(2)=0.625 rad/s\omega_{\mathrm{n}(2)} = 0.625\ \mathrm{rad/s}
  • (4) の場合:ωn(4)=6.25 rad/s\omega_{\mathrm{n}(4)} = 6.25\ \mathrm{rad/s}

減衰係数 ζ\zeta が同一である場合、系の応答速度は固有角周波数 ωn\omega_{\mathrm{n}} に比例します。その比をとると、

ωn(4)ωn(2)=6.250.625=10\frac{\omega_{\mathrm{n}(4)}}{\omega_{\mathrm{n}(2)}} = \frac{6.25}{0.625} = 10

したがって、(4)の場合は(2)の場合に比べて応答が 1010 倍速くなります。

(2)のとき ωn=0.625 rad/s\omega_{\mathrm{n}} = 0.625\ \mathrm{rad/s}、(4)のとき ωn=6.25 rad/s\omega_{\mathrm{n}} = 6.25\ \mathrm{rad/s}、応答は 1010 倍速くなる

(6) 定常速度偏差 eve_{\mathrm{v}} の比較と偏差の倍率

それぞれの定常速度偏差 eve_{\mathrm{v}} にパラメータを代入して求めます。

  • (2) の場合:ev(2)=−2K=−20.390625=−5.12e_{\mathrm{v}(2)} = -\dfrac{2}{K} = -\dfrac{2}{0.390625} = -5.12
  • (4) の場合:ev(4)=−2A=−23.90625=−0.512e_{\mathrm{v}(4)} = -\dfrac{2}{A} = -\dfrac{2}{3.90625} = -0.512

定常速度偏差の比をとると、

ev(4)ev(2)=−0.512−5.12=0.1=110\frac{e_{\mathrm{v}(4)}}{e_{\mathrm{v}(2)}} = \frac{-0.512}{-5.12} = 0.1 = \frac{1}{10}

したがって、(4)の場合は(2)の場合に比べて定常速度偏差が 0.10.1 倍(110\dfrac{1}{10} 倍)になります。

(2)のとき ev=−5.12e_{\mathrm{v}} = -5.12、(4)のとき ev=−0.512e_{\mathrm{v}} = -0.512、定常速度偏差は 0.10.1 倍(110\frac{1}{10} 倍)

まとめ

直列補償器 C(s)=A⋅s+10.1s+1C(s) = A \cdot \dfrac{s+1}{0.1s+1} を導入することで、制御系の遅れ要素 (s+1)(s+1) を補償器の分子零点で打ち消し(極零相殺)、より速い極 (0.1s+1)(0.1s+1) へと置き換えることができました。その結果、安定性の指標である減衰係数 ζ=0.8\zeta = 0.8 を一定に保ったまま、応答速度を 1010 倍に高め、外乱による定常偏差を 110\frac{1}{10} に抑制できる という劇的な改善効果が確認できます。