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状態フィードバックによる極配置と閉ループ系の定常偏差解析

PID現代制御理論
第二種電気主任技術者 2016年度 機械・制御 問4

図に示す構造の制御系を考える。ここで r(t)r(t) は目標値,e(t)e(t) は制御偏差,u(t)u(t) は入力,x(t)\boldsymbol{x}(t) は状態,y(t)y(t) は出力を表し,制御対象は次の状態方程式で記述される。
x˙(t)=Ax(t)+bu(t)\dot{\boldsymbol{x}}(t) = \boldsymbol{Ax}(t)+\boldsymbol{b}u(t) y(t)=cx(t)y(t) = \boldsymbol{cx}(t) A=(010−1),b=(01),c=(21)\boldsymbol A =\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & -1 \end{pmatrix},\boldsymbol b =\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix},\boldsymbol c =\begin{pmatrix} 2 & 1 \end{pmatrix}

問題図
次の問に答えよ。
(1) 図中の直列補償器のゲインk k を零として,状態フィードバック係数ベクトル f=(f1f2)\boldsymbol f =\begin{pmatrix} f_{1} & f_{2} \end{pmatrix} を用いて見掛け上の制御対象の特性改善を図る。行列 A−bf\textit{\textbf{A}} -\textit{\textbf{bf}} の固有値を −3-3,−4-4 に配置する f\textit{\textbf{f}} を計算せよ。
(2) 上記小問(1)で求めた f\textit{\textbf{f}} を用いて特性改善をした見掛け上の制御対象に対して,目標値 r(t)r(t) に出力y(t) y\left( t\right) が追従することを目的に,図に示すフィードバック制御系を構成した。閉ループ系が安定になるように直列補償器のゲイン k k を設計できたとするとき,入力 u(t)u(t) を x(t) \textit{\textbf{x}}(t),r(t)r(t),c\textit{\textbf{c}},f\textit{\textbf{f}},kk を用いて表せ。
(3) 上記小問(2)の入力u(t)u(t)を制御対象に加える。閉ループ系の状態方程式をx˙(t)\dot{\boldsymbol{x}}(t),x(t) \boldsymbol x(t) ,r(t) r(t),A\boldsymbol A,b\boldsymbol b,c\boldsymbol c,f\boldsymbol f,kk を用いて表せ。
(4) 上記小問(3)で求めた状態方程式の中のA \boldsymbol A ,b \boldsymbol b ,c \boldsymbol c ,f \boldsymbol f に,与えられた数値及び上記小問(1)で求めた数値を代入して整理せよ。ただし,k k は変数のままとする。
(5) 目標値の大きさr0 r_{0} でステップ状に変化させる場合を考える。上記小問(2)の仮定より閉ループ系は安定なので,状態x(t) \boldsymbol x\left( t\right) は定常,すなわちx˙(∞)=(00)\dot{\boldsymbol{x}}(\infty) =\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} となる。このときの定常値x(∞) \boldsymbol x\left( \infty \right) をk k とr0 r_{0} を用いて表せ。
(6) 関係式e(∞)=r0−y(∞)=r0−cx(∞) e\left( \infty \right) =r_{0} -y\left( \infty \right) =r_{0}-\boldsymbol{cx}\left( \infty \right) を使って,定常偏差e(∞) e\left( \infty \right) をk k とr0 r_{0} を用いて表せ。

解説

問題のポイント・使用する基本公式

本問は、現代制御理論における「状態フィードバックによる極配置法」と、目標値に対する「閉ループ系の定常偏差解析」を組み合わせた総合問題です。ブロック線図の各信号の符号を正確に読み取り、行列演算を順序立てて展開することが鍵となります。

  • 状態方程式と出力方程式: x˙(t)=Ax(t)+bu(t),y(t)=cx(t)\boldsymbol{\dot x}(t) = \boldsymbol{A}\boldsymbol{x}(t) + \boldsymbol{b}u(t), \quad y(t) = \boldsymbol{c}\boldsymbol{x}(t)
  • 行列の固有値(特性多項式): det⁡(sI−M)=0\det \left( s\boldsymbol{I} - \boldsymbol{M} \right) = 0
  • 定常状態の条件: 系が安定であり、目標値が一定値 r0r_0(ステップ入力)のとき、十分な時間が経過すると状態の時間変化率は零となる。 x˙(∞)=(00)\boldsymbol{\dot x}(\infty) = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}

(1) 行列 A−bf\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} の固有値を −3,−4-3, -4 に配置する f\boldsymbol{f} の導出

状態フィードバック係数ベクトルを f=(f1f2)\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} f_1 & f_2 \end{pmatrix} とおきます。与えられたベクトル b=(01)\boldsymbol{b} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix} との内積・積を計算すると、

bf=(01)(f1f2)=(00f1f2)\boldsymbol{b}\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} f_1 & f_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ f_1 & f_2 \end{pmatrix}

よって、行列 A−bf\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} は次のように求まります。

A−bf=(010−1)−(00f1f2)=(01−f1−1−f2)\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ f_1 & f_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -f_1 & -1-f_2 \end{pmatrix}

この行列の特性方程式 det⁡[sI−(A−bf)]=0\det\left[ s\boldsymbol{I} - (\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f}) \right] = 0 を求めます。

det⁡(s−1f1s+1+f2)=s(s+1+f2)−(−1)f1=s2+(1+f2)s+f1=0\det \begin{pmatrix} s & -1 \\ f_1 & s + 1 + f_2 \end{pmatrix} = s(s + 1 + f_2) - (-1)f_1 = s^2 + (1 + f_2)s + f_1 = 0

一方、目標とする固有値が −3,−4-3, -4 であることから、望ましい特性方程式は次のようになります。

(s+3)(s+4)=s2+7s+12=0(s + 3)(s + 4) = s^2 + 7s + 12 = 0

両式の係数を比較します。

1+f2=7  ⟹  f2=61 + f_2 = 7 \implies f_2 = 6 f1=12f_1 = 12

したがって、求める状態フィードバック係数ベクトルは次の通りです。

f=(126)\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} 12 & 6 \end{pmatrix}

(2) 入力 u(t)u(t) の導出

問題図
のブロック線図において、加え合わせ点の符号に注目して各信号の関係式を立てます。

  • 偏差信号: e(t)=r(t)−y(t)=r(t)−cx(t)e(t) = r(t) - y(t) = r(t) - \boldsymbol{c}\boldsymbol{x}(t)
  • 制御入力: 直列補償器の出力 ke(t)k e(t) から状態フィードバック信号 fx(t)\boldsymbol{f}\boldsymbol{x}(t) を減算したもの

したがって、入力 u(t)u(t) は次のように表されます。

u(t)=ke(t)−fx(t)=k{r(t)−cx(t)}−fx(t)=−(f+kc)x(t)+kr(t)\begin{aligned} u(t) &= k e(t) - \boldsymbol{f}\boldsymbol{x}(t) \\ &= k\left\{ r(t) - \boldsymbol{c}\boldsymbol{x}(t) \right\} - \boldsymbol{f}\boldsymbol{x}(t) \\ &= -(\boldsymbol{f} + k\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + kr(t) \end{aligned}

u(t)=−(f+kc)x(t)+kr(t)u(t) = -(\boldsymbol{f} + k\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + kr(t)

(3) 閉ループ系の状態方程式の導出

制御対象の状態方程式 x˙(t)=Ax(t)+bu(t)\boldsymbol{\dot x}(t) = \boldsymbol{A}\boldsymbol{x}(t) + \boldsymbol{b}u(t) に、小問(2)で求めた u(t)u(t) を代入します。

x˙(t)=Ax(t)+b{−(f+kc)x(t)+kr(t)}=Ax(t)−bfx(t)−kbcx(t)+kbr(t)=(A−bf−kbc)x(t)+kbr(t)\begin{aligned} \boldsymbol{\dot x}(t) &= \boldsymbol{A}\boldsymbol{x}(t) + \boldsymbol{b}\left\{ -(\boldsymbol{f} + k\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + kr(t) \right\} \\ &= \boldsymbol{A}\boldsymbol{x}(t) - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f}\boldsymbol{x}(t) - k\boldsymbol{b}\boldsymbol{c}\boldsymbol{x}(t) + k\boldsymbol{b}r(t) \\ &= (\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} - k\boldsymbol{b}\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + k\boldsymbol{b}r(t) \end{aligned}

x˙(t)=(A−bf−kbc)x(t)+kbr(t)\boldsymbol{\dot x}(t) = (\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} - k\boldsymbol{b}\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + k\boldsymbol{b}r(t)

(4) 各数値を代入した状態方程式の導出

小問(1)で求めた f=(126)\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} 12 & 6 \end{pmatrix} および与えられた A,b,c\boldsymbol{A}, \boldsymbol{b}, \boldsymbol{c} を代入します。

A−bf=(01−12−7)\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -12 & -7 \end{pmatrix} bc=(01)(21)=(0021)\boldsymbol{b}\boldsymbol{c} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}

これより、閉ループ系のシステム行列は次のように整理されます。

A−bf−kbc=(01−12−7)−k(0021)=(01−12−2k−7−k)\begin{aligned} \boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} - k\boldsymbol{b}\boldsymbol{c} &= \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -12 & -7 \end{pmatrix} - k\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -12 - 2k & -7 - k \end{pmatrix} \end{aligned}

また、入力係数ベクトルは kb=(0k)k\boldsymbol{b} = \begin{pmatrix} 0 \\ k \end{pmatrix} です。よって状態方程式は次の通りになります。

x˙(t)=(01−12−2k−7−k)x(t)+(0k)r(t)\boldsymbol{\dot x}(t) = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -12 - 2k & -7 - k \end{pmatrix}\boldsymbol{x}(t) + \begin{pmatrix} 0 \\ k \end{pmatrix}r(t)

(5) 定常値 x(∞)\boldsymbol{x}(\infty) の導出

目標値がステップ入力 r(t)=r0r(t) = r_0 であり、閉ループ系が安定であるため、十分時間が経過した定常状態では微係数が零となります。

x˙(∞)=(00)\boldsymbol{\dot x}(\infty) = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}

小問(4)の状態方程式に定常状態の値を代入し、状態ベクトルを x(∞)=(x1(∞)x2(∞))\boldsymbol{x}(\infty) = \begin{pmatrix} x_1(\infty) \\ x_2(\infty) \end{pmatrix} とおくと、

(00)=(01−12−2k−7−k)(x1(∞)x2(∞))+(0k)r0\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -12 - 2k & -7 - k \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x_1(\infty) \\ x_2(\infty) \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\ k \end{pmatrix}r_0

各行を行列の積として展開します。

  • 第1行より: 0⋅x1(∞)+1⋅x2(∞)+0=0  ⟹  x2(∞)=00 \cdot x_1(\infty) + 1 \cdot x_2(\infty) + 0 = 0 \implies x_2(\infty) = 0
  • 第2行より: −(12+2k)x1(∞)−(7+k)x2(∞)+kr0=0-(12 + 2k)x_1(\infty) - (7 + k)x_2(\infty) + kr_0 = 0

x2(∞)=0x_2(\infty) = 0 を代入すると、

−(12+2k)x1(∞)+kr0=0  ⟹  x1(∞)=kr012+2k=kr02(6+k)-(12 + 2k)x_1(\infty) + kr_0 = 0 \implies x_1(\infty) = \frac{k r_0}{12 + 2k} = \frac{k r_0}{2(6 + k)}

したがって、定常値ベクトルは次のようになります。

x(∞)=(kr02(6+k)0)\boldsymbol{x}(\infty) = \begin{pmatrix} \dfrac{k r_0}{2(6 + k)} \\[10pt] 0 \end{pmatrix}

(6) 定常偏差 e(∞)e(\infty) の導出

まず、定常出力 y(∞)y(\infty) を計算します。

y(∞)=cx(∞)=(21)(kr02(6+k)0)=2⋅kr02(6+k)+1⋅0=kr06+ky(\infty) = \boldsymbol{c}\boldsymbol{x}(\infty) = \begin{pmatrix} 2 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \dfrac{k r_0}{2(6 + k)} \\[6pt] 0 \end{pmatrix} = 2 \cdot \frac{k r_0}{2(6 + k)} + 1 \cdot 0 = \frac{k r_0}{6 + k}

題意に与えられた関係式 e(∞)=r0−y(∞)e(\infty) = r_0 - y(\infty) に代入して整理します。

e(∞)=r0−kr06+k=(6+k)−k6+kr0=6r06+ke(\infty) = r_0 - \frac{k r_0}{6 + k} = \frac{(6 + k) - k}{6 + k}r_0 = \frac{6 r_0}{6 + k}

e(∞)=6r06+ke(\infty) = \frac{6 r_0}{6 + k}

(補足: 本制御系は目標値追従のための積分要素(1/s1/s)を含まない「0型系」となっているため、ゲイン kk をどれだけ大きくしても定常偏差を完全に零にすることはできません。)

正解のまとめ

  • (1) f=(126)\boldsymbol{f} = \begin{pmatrix} 12 & 6 \end{pmatrix}
  • (2) u(t)=−(f+kc)x(t)+kr(t)u(t) = -(\boldsymbol{f} + k\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + kr(t)
  • (3) x˙(t)=(A−bf−kbc)x(t)+kbr(t)\boldsymbol{\dot x}(t) = (\boldsymbol{A} - \boldsymbol{b}\boldsymbol{f} - k\boldsymbol{b}\boldsymbol{c})\boldsymbol{x}(t) + k\boldsymbol{b}r(t)
  • (4) x˙(t)=(01−12−2k−7−k)x(t)+(0k)r(t)\boldsymbol{\dot x}(t) = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -12 - 2k & -7 - k \end{pmatrix}\boldsymbol{x}(t) + \begin{pmatrix} 0 \\ k \end{pmatrix}r(t)
  • (5) x(∞)=(kr02(6+k)0)\boldsymbol{x}(\infty) = \begin{pmatrix} \dfrac{k r_0}{2(6 + k)} \\[6pt] 0 \end{pmatrix}
  • (6) e(∞)=6r06+ke(\infty) = \dfrac{6 r_0}{6 + k}

教えて!アイミラージュ先生