フィードバック制御系の目標値応答・外乱応答と定常特性
図1はフィードバック制御系の基本構成を示し,は補償器の伝達関数,は制御対象の伝達関数を表している。また,,,及びは,目標値,偏差,外乱及び制御量をそれぞれラプラス変換したものである。,として,次の問に答えよ。
(1) としたとき,からまでの伝達関数を求めよ。
(2) 上記(1)において,目標値として図2に示す大きさのステップ信号を入力したときの定常偏差を求めよ。
(3) 上記(1)において,目標値として図3に示す傾きのランプ信号を入力したときの定常偏差を求めよ。
(4) としたとき,からまでの伝達関数を求めよ。
(5) 上記(4)において,外乱として図2に示す大きさのステップ信号を印加したとき,制御量の最終値を求めよ。
(6) 上記(4)において,外乱として図3に示す傾きのランプ信号を印加したとき,制御量は発散することを示せ。


解説
問題のポイント・使用する基本公式
本問は、単位負帰還制御系における「目標値応答」と「外乱応答」の伝達関数を導出し、ステップ入力およびランプ入力に対する定常特性(最終値の定理と安定性)を論述する、古典制御の基礎を網羅した重要問題です。
- 偏差伝達関数(目標値 から偏差 ):
- 外乱伝達関数(外乱 から出力 ):
- 代表的な入力信号のラプラス変換:
- ステップ信号(大きさ ):
- ランプ信号(傾き ):
- 最終値の定理:閉ループ系が安定(すべての極が複素左半平面)であるとき、
【準備】一巡伝達関数と閉ループ特性多項式の計算
与えられた補償器 と制御対象 より、一巡伝達関数は以下のようになります。
分母多項式を展開します。
したがって、特性多項式(閉ループ系の共通分母)は次のようになります。
この特性多項式についてラウスの安定判別を行うと、第1列の数列は となりすべて正であるため、この閉ループ系は安定です。これにより、最終値の定理が適用可能です。
(1) のときの から までの伝達関数

を消去して整理します。
分子・分母を展開すると、求める伝達関数が得られます。
※ 分子を因数分解した形 でも正解です。
(2) ステップ信号入力時の定常偏差

最終値の定理を適用して、定常偏差 を求めます。
したがって、定常偏差は次の通りです。
※ 一巡伝達関数が原点に極(、積分動作)を1つ持つ「型番号1(Type 1)」の制御系であるため、ステップ目標値に対する定常偏差は になります。
(3) ランプ信号入力時の定常偏差

最終値の定理を適用します。
したがって、定常偏差は次の通りです。
(4) のときの から までの伝達関数
目標値 のとき、偏差は となります。
ブロック線図より、外乱加算点の出力信号は となるので、制御量 は次式で表されます。
伝達関数を代入して整理します。
したがって、伝達関数は以下のようになります。
(5) 外乱ステップ印加時の制御量の最終値
外乱が大きさ のステップ信号のとき、 です。
閉ループ系は安定であるため、最終値の定理より最終値 を求めます。
したがって、制御量の最終値は次の通りです。
※ 外乱印加点より前方に積分器がないため、ステップ外乱の影響を完全には相殺できず、定常値として が残留します。
(6) 外乱ランプ印加時に制御量が発散することの証明
外乱が傾き のランプ信号のとき、 です。制御量 は、
となります。閉ループ極(分母多項式 の根)の実部はすべて負であり、分母の原点極は (2重極)です。
を部分分数分解すると、以下の形になります。
ここで、原点2重極の係数 を求めると、
これを逆ラプラス変換すると、時間領域の応答 は次のようになります。
過渡項は で に減衰しますが、第1項にランプ項 が残るため、 のとき において は発散します( のとき )。
したがって、制御量は発散することが示されました。
制御量 は原点に2重極をもち、時間領域の応答に のランプ項が含まれるため、 において発散する。正解のまとめ
- (1)
- (2) ステップ入力時の定常偏差:
- (3) ランプ入力時の定常偏差:
- (4)
- (5) 外乱ステップ印加時の最終値:
- (6) 発散の証明: が原点に2重極をもち、 に の項が現れるため発散する
