問題のポイント・使用する基本公式
本問は、古典制御理論の根幹をなすブロック線図の結合(直列・並列)、最終値の定理、逆ラプラス変換による時間応答解析、および周波数伝達関数の位相特性を問う総合問題です。
- 直列結合と並列結合:
図1の直列結合伝達関数は積 W1(s)=G1(s)G2(s)、
図2の並列結合伝達関数は和 W2(s)=G1(s)+G2(s) となります。
- 最終値の定理:
系が安定(sY(s) の極の実部がすべて負)であるとき、出力の定常値は次式で与えられます。
t→∞limy(t)=s→0limsY(s)
- ラプラス変換の対応関係:
L[δ(t)]=1,L[u(t)]=s1,L[e−at]=s+a1
- 部分分数分解(ヘビサイドの展開定理):
単極のみをもつ伝達関数 F(s)=(s−p1)(s−p2)…P(s) の各係数は、留数法 Ck=lims→pk(s−pk)F(s) により短時間で計算可能です。
小問(1)の解説:直列結合された伝達関数の導出
図1
において、
G1(s) の出力が直接
G2(s) の入力となっているため、全体の伝達関数
W1(s)=U(s)Y1(s) は各ブロックの積となります。
W1(s)=G1(s)G2(s)=s+23⋅s2+5s+65=(s+2)(s2+5s+6)15
問題文の指定「分母及び分子は s の多項式で示すこと」に従い、分母を展開します。
(s+2)(s2+5s+6)=s(s2+5s+6)+2(s2+5s+6)=s3+5s2+6s+2s2+10s+12=s3+7s2+16s+12
したがって、求める伝達関数は次のようになります。
U(s)Y1(s)=s3+7s2+16s+1215
小問(2)の解説:単位ステップ応答の定常値
単位ステップ信号のラプラス変換は U(s)=s1 であるため、出力量 Y1(s) は次式となります。
Y1(s)=W1(s)U(s)=s3+7s2+16s+1215⋅s1=(s+2)2(s+3)s15
sY1(s) の極は s=−2(重極)および s=−3 であり、すべて実部が負(複素平面の左半面)に存在するため、系は安定であり最終値の定理が適用できます。
t→∞limy1(t)=s→0limsY1(s)=s→0lim(s⋅s3+7s2+16s+1215⋅s1)=s→0lims3+7s2+16s+1215=1215=45=1.25
1.25(または 45)
小問(3)の解説:並列結合のインパルス応答
図2
より、並列結合された制御系の伝達関数
W2(s) は各要素の和になります。
W2(s)=U(s)Y2(s)=G1(s)+G2(s)=s+23+s2+5s+65
ここで分母を因数分解すると s2+5s+6=(s+2)(s+3) です。通分して整理します。
W2(s)=(s+2)(s+3)3(s+3)+(s+2)(s+3)5=(s+2)(s+3)3s+14
入力が単位インパルス信号であるとき U(s)=1 であるため、出力量は Y2(s)=W2(s) と一致します。これを逆ラプラス変換するために部分分数分解します。
Y2(s)=(s+2)(s+3)3s+14=s+2A+s+3B
ヘビサイドの展開定理(留数法)を用いると、係数 A,B は直ちに求まります。
AB=(s+2)Y2(s)∣s=−2=s+33s+14s=−2=−2+33(−2)+14=8=(s+3)Y2(s)∣s=−3=s+23s+14s=−3=−3+23(−3)+14=−5
したがって、Y2(s)=s+28−s+35 となります。逆ラプラス変換を行うと、時間応答 y2(t) は次のようになります。
y2(t)=8e−2t−5e−3t(t≥0)
【別解(スマートな部分分数分解)】
G2(s)=(s+2)(s+3)5=s+25−s+35 と先に分解しておけば、
W2(s)=G1(s)+G2(s)=s+23+(s+25−s+35)=s+28−s+35
と通分することなく瞬時に分解形を得ることができます。
小問(4)の解説:指数関数入力に対する時間応答
入力 u(t)=2e−t のラプラス変換は U(s)=s+12 です。小問(3)で求めた W2(s) に乗じることで、出力 Y2(s) を導きます。
Y2(s)=W2(s)U(s)=(s+2)(s+3)3s+14⋅s+12=(s+1)(s+2)(s+3)6s+28
これを部分分数に展開します。
Y2(s)=s+1C+s+2D+s+3E
ヘビサイドの展開定理を用いて各定数を求めます。
CDE=(s+2)(s+3)6s+28s=−1=(−1+2)(−1+3)6(−1)+28=1⋅222=11=(s+1)(s+3)6s+28s=−2=(−2+1)(−2+3)6(−2)+28=(−1)⋅116=−16=(s+1)(s+2)6s+28s=−3=(−3+1)(−3+2)6(−3)+28=(−2)⋅(−1)10=5
よって、Y2(s) は以下のように分解されます。
Y2(s)=s+111−s+216+s+35
これを逆ラプラス変換することにより、時間応答 y2(t) が求まります。
y2(t)=11e−t−16e−2t+5e−3t(t≥0)
※検算: t=0 を代入すると y2(0)=11−16+5=0 となり、初期値定理 lims→∞sY2(s)=0 と正しく一致します。
小問(5)の解説:高周波領域における周波数応答の位相
小問(3)で求めた並列結合伝達関数 W2(s)=(s+2)(s+3)3s+14 に s=jω を代入すると、周波数伝達関数 W2(jω) が得られます。
W2(jω)=(2+jω)(3+jω)3jω+14
複素数の偏角(位相)の性質 arg(BCA)=arg(A)−arg(B)−arg(C) より、位相 ϕ(ω) は次のように表せます。
ϕ(ω)=tan−1(143ω)−tan−1(2ω)−tan−1(3ω)
ここで、周波数を十分に大きくする(ω→∞)と、各逆正接項はすべて tan−1(∞)=90∘(2πrad)に収束します。
ω→∞limϕ(ω)=90∘−90∘−90∘=−90∘
(なお、高周波領域において分母・分子の最高次数の項に注目すると、
W2(jω)≈(jω)23jω=jω3=−jω3
となり、純虚数かつ係数が負(−j)であることから、位相が −90∘ となることが視覚的にも容易に確認できます。)
−90∘(または −2π rad)
解答のまとめ
- (1) U(s)Y1(s)=s3+7s2+16s+1215
- (2) 1.25(45)
- (3) y2(t)=8e−2t−5e−3t(t≥0)
- (4) y2(t)=11e−t−16e−2t+5e−3t(t≥0)
- (5) −90∘(−2π rad)