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速度フィードバック制御系の伝達関数・安定判別と定常特性

PID
第二種電気主任技術者 2009年度 機械・制御 問4

図に示す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,U(s) U \left( s\right) は操作量,Y(s) Y \left( s\right) は出力,E(s) E \left( s\right) は偏差であり,時間信号r(t) r \left( t\right) ,u(t) u \left( t\right) ,y(t) y \left( t\right) ,e(t) e \left( t\right) をそれぞれラプラス変換したものである。

問題図

(1) 点線で囲まれたブロック線図だけを取り出したとき,U(s) U \left( s\right) からY(s) Y \left( s\right) までの伝達関数を求めよ。

(2) R(s) R \left( s\right) からY(s) Y \left( s\right) までの伝達関数を求めよ。

(3) 図のフィードバック制御系が安定となるためのK1 K_{1} とK2 K_{2} が満たすべき条件及び安定限界における持続振動の角周波数ωc \omega _{c} をK2 K_{2} を用いて表せ。

(4) 目標値r(t) r \left( t\right) がランプ関数r(t)=t r \left( t\right) =t のときの定常速度偏差を求めよ。

(5) 図のフィードバック制御系が安定となるようにK1 K_{1} とK2 K_{2} が選ばれるとする。上記(3)及び(4)の結果を踏まえて,以下の問に答えよ。

 a.K1 K_{1} を固定したとき,K2 K_{2} を大きくすると,速応性と定常特性はどのように変化するかを理由とともに答えよ。

 b.K2 K_{2} を固定したとき,K1 K_{1} を大きくすると,減衰特性と定常特性はどのように変化するかを理由とともに答えよ。

解説

本問は、マイナーループに速度フィードバック(微分フィードバック)をもつ3次フィードバック制御系の総合問題です。ブロック線図の等価変換、ラウスの安定判別法、持続振動の角周波数、ランプ入力に対する定常速度偏差(最終値の定理)、ならびに制御パラメータ(ゲイン)の変化が制御系の諸特性(速応性・減衰特性・定常特性)に与える影響を論理的に導出・考察します。

使用する重要公式

  • 負帰還の合成伝達関数:前向き伝達関数 G(s)G(s)、帰還伝達関数 H(s)H(s) のとき、W(s)=G(s)1+G(s)H(s)W(s) = \frac{G(s)}{1 + G(s)H(s)}
  • 最終値の定理:時間領域の定常値は、ess=lim⁡t→∞e(t)=lim⁡s→0sE(s)e_{\mathrm{ss}} = \lim_{t \to \infty} e(t) = \lim_{s \to 0} s E(s)
  • ランプ入力のラプラス変換:r(t)=t ⟷ R(s)=1s2r(t) = t \ \longleftrightarrow \ R(s) = \frac{1}{s^2}

(1) U(s)U(s) から Y(s)Y(s) までの伝達関数

問題図
の点線内部(マイナーループ)に着目します。内側のフィードバックループにおける前向き要素は Gp(s)=1s(s+1)(s+5)\displaystyle G_p(s) = \frac{1}{s(s+1)(s+5)}、帰還要素は H1(s)=K2sH_1(s) = K_2 s(負帰還)です。

加算点と出力の関係式を立てると、Y(s)=Gp(s)[U(s)−K2sY(s)]Y(s) = G_p(s) \left[ U(s) - K_2 s Y(s) \right]

両辺に s(s+1)(s+5)=s(s2+6s+5)s(s+1)(s+5) = s(s^2+6s+5) を乗じて整理します。{s(s2+6s+5)}Y(s)=U(s)−K2sY(s)\left\{ s(s^2+6s+5) \right\} Y(s) = U(s) - K_2 s Y(s){s(s2+6s+5)+K2s}Y(s)=U(s)\left\{ s(s^2+6s+5) + K_2 s \right\} Y(s) = U(s)s(s2+6s+K2+5)Y(s)=U(s)s \left( s^2 + 6s + K_2 + 5 \right) Y(s) = U(s)

したがって、U(s)U(s) から Y(s)Y(s) までの伝達関数は次のようになります。

Y(s)U(s)=1s(s2+6s+K2+5)(=1s3+6s2+(K2+5)s)\frac{Y(s)}{U(s)} = \frac{1}{s(s^2 + 6s + K_2 + 5)} \quad \left( = \frac{1}{s^3 + 6s^2 + (K_2 + 5)s} \right)

(2) R(s)R(s) から Y(s)Y(s) までの伝達関数

(1)で求めた伝達関数を G(s)=Y(s)U(s)=1s(s2+6s+K2+5)\displaystyle G(s) = \frac{Y(s)}{U(s)} = \frac{1}{s(s^2+6s+K_2+5)} とおきます。

系全体は、比例ゲイン K1K_1 と G(s)G(s) が直列に接続された前向き要素 K1G(s)K_1 G(s) に対して、出力 Y(s)Y(s) をそのまま差し引く単位負フィードバック系となっています。したがって、閉ループ伝達関数 Y(s)R(s)\displaystyle \frac{Y(s)}{R(s)} は次のように表されます。Y(s)R(s)=K1G(s)1+K1G(s)\frac{Y(s)}{R(s)} = \frac{K_1 G(s)}{1 + K_1 G(s)}

G(s)G(s) の分母・分子を代入して整理します。 Y(s)R(s)=K1⋅1s(s2+6s+K2+5)1+K1⋅1s(s2+6s+K2+5)=K1s(s2+6s+K2+5)+K1\begin{align*} \frac{Y(s)}{R(s)} &= \frac{K_1 \cdot \frac{1}{s(s^2+6s+K_2+5)}}{1 + K_1 \cdot \frac{1}{s(s^2+6s+K_2+5)}} \\ &= \htmlClass{answer-mark}{\frac{K_1}{s(s^2+6s+K_2+5) + K_1}} \end{align*}

(3) 安定条件および安定限界における持続振動の角周波数 ωc\omega_c

1. 安定条件の導出(ラウスの安定判別法)

(2)で求めた閉ループ伝達関数の分母を 00 とおいた特性方程式は次の通りです。s3+6s2+(K2+5)s+K1=0s^3 + 6s^2 + (K_2 + 5)s + K_1 = 0

これに対するラウス配列を作成します。

行 第1列 第2列
s3s^3 11 K2+5K_2+5
s2s^2 66 K1K_1
s1s^1 6(K2+5)−1⋅K16\displaystyle \frac{6(K_2+5) - 1 \cdot K_1}{6} 00
s0s^0 K1K_1

系が安定であるための必要十分条件は、ラウス配列の第1列の要素がすべて同符号(正)であることです。K1>0かつ6(K2+5)−K16>0  ⟹  K1<6(K2+5)K_1 > 0 \quad \text{かつ} \quad \frac{6(K_2+5) - K_1}{6} > 0 \implies K_1 < 6(K_2 + 5)

これらをまとめると、安定条件は 0<K1<6(K2+5)0 < K_1 < 6(K_2+5)(ただし K2>−5K_2 > -5)となります。

2. 安定限界における持続振動の角周波数 ωc\omega_c

安定限界は第1列の s1s^1 の要素が 00 になるとき、すなわち K1=6(K2+5)K_1 = 6(K_2+5) のときです。このとき、1つ上の s2s^2 行より補助方程式を作ると、6s2+K1=0  ⟹  6s2+6(K2+5)=0  ⟹  s2+(K2+5)=06s^2 + K_1 = 0 \implies 6s^2 + 6(K_2 + 5) = 0 \implies s^2 + (K_2 + 5) = 0

持続振動状態では極が虚軸上にあるため s=jωcs = j\omega_c と置くと、(jωc)2+(K2+5)=0  ⟹  −ωc2+(K2+5)=0  ⟹  ωc=K2+5(ωc>0)(j\omega_c)^2 + (K_2+5) = 0 \implies -\omega_c^2 + (K_2+5) = 0 \implies \omega_c = \sqrt{K_2+5} \quad (\omega_c > 0)

安定条件:0<K1<6(K2+5)(または K1>0, K2>K16−5),ωc=K2+5\text{安定条件:} 0 < K_1 < 6(K_2 + 5) \quad (\text{または } K_1 > 0, \ K_2 > \frac{K_1}{6}-5), \quad \omega_c = \sqrt{K_2 + 5}

(4) ランプ入力に対する定常速度偏差

目標値 R(s)R(s) から偏差 E(s)=R(s)−Y(s)E(s) = R(s) - Y(s) までの伝達関数は、E(s)=[1−Y(s)R(s)]R(s)=s(s2+6s+K2+5)s3+6s2+(K2+5)s+K1R(s)E(s) = \left[ 1 - \frac{Y(s)}{R(s)} \right] R(s) = \frac{s(s^2 + 6s + K_2 + 5)}{s^3 + 6s^2 + (K_2 + 5)s + K_1} R(s)

目標値がランプ関数 r(t)=tr(t) = t のとき、R(s)=1s2\displaystyle R(s) = \frac{1}{s^2} です。最終値の定理を適用して定常偏差 esse_{\mathrm{ss}} を求めます。ess=lim⁡t→∞e(t)=lim⁡s→0sE(s)=lim⁡s→0{s⋅s(s2+6s+K2+5)s3+6s2+(K2+5)s+K1⋅1s2}=lim⁡s→0s2+6s+K2+5s3+6s2+(K2+5)s+K1=K2+5K1\begin{align*}e_{\mathrm{ss}} &= \lim_{t \to \infty} e(t) = \lim_{s \to 0} s E(s) \\ &= \lim_{s \to 0} \left\{ s \cdot \frac{s(s^2 + 6s + K_2 + 5)}{s^3 + 6s^2 + (K_2 + 5)s + K_1} \cdot \frac{1}{s^2} \right\} \\ &= \lim_{s \to 0} \frac{s^2 + 6s + K_2 + 5}{s^3 + 6s^2 + (K_2 + 5)s + K_1} \\ &= \htmlClass{answer-mark}{\frac{K_2 + 5}{K_1}}\end{align*}

(5) パラメータ変化に伴う特性の変化

a. K1K_1 を固定して K2K_2 を大きくした場合

  • 速応性:K2K_2 は出力の微分値(速度成分)をフィードバックする要素であり、大きくすると系に対する制動(ブレーキ)効果が強まる(過制動に近づく)。また開ループ伝達関数のゲイン定数が低下するため、立ち上がりが遅くなり、速応性は低下する。
  • 定常特性:(4)より定常速度偏差は ess=K2+5K1\displaystyle e_{\mathrm{ss}} = \frac{K_2+5}{K_1} である。K2K_2 を大きくすると定常速度偏差が増大するため、定常特性は悪化(低下)する。

b. K2K_2 を固定して K1K_1 を大きくした場合

  • 減衰特性:(3)より安定限界は K1=6(K2+5)K_1 = 6(K_2+5) である。K1K_1 を大きくすると安定限界に近づくため、極が虚軸に接近して系の減衰比が小さくなり振動的になる。したがって、減衰特性は悪化する。
  • 定常特性:(4)より定常速度偏差は ess=K2+5K1\displaystyle e_{\mathrm{ss}} = \frac{K_2+5}{K_1} である。K1K_1 を大きくすると定常速度偏差が減少するため、定常特性は改善(向上)する。

a. K2K_2 を大きくすると、速度フィードバックによる制動効果が増大してゲインが低下するため速応性は低下し、定常速度偏差が増大するため定常特性は悪化する。

b. K1K_1 を大きくすると、安定限界に近づいて系が振動的になるため減衰特性は悪化し、定常速度偏差が減少するため定常特性は改善する。

総括と学習のポイント

  • 速度フィードバックの効果:本問の K2sK_2 s のように出力の微分値を内側ループでフィードバックすると、系のダンピング(減衰)を高めて安定化を図ることができますが、代償として定常偏差が増大し、速応性が低下するというトレードオフ関係が明確に現れます。
  • 定常偏差の公式確認:開ループ伝達関数 L(s)=K1s(s2+6s+K2+5)\displaystyle L(s) = \frac{K_1}{s(s^2+6s+K_2+5)} は積分器を1つ含む「1型系」であるため、ランプ入力に対する速度偏差定数 Kv=lim⁡s→0sL(s)=K1K2+5\displaystyle K_v = \lim_{s\to 0} sL(s) = \frac{K_1}{K_2+5} より、直ちに ess=1Kv=K2+5K1\displaystyle e_{\mathrm{ss}} = \frac{1}{K_v} = \frac{K_2+5}{K_1} と確かめることができます。