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速度帰還をもつ3次制御系の閉ループ伝達関数とインパルス応答

PID
第二種電気主任技術者 2019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。ここで,R(s) R(s) とY(s) Y(s) は,それぞれ目標値r(t) r(t) と制御量y(t) y(t) のラプラス変換である。

(1) 目標値R(s) R(s) から制御量Y(s) Y(s) までの閉ループ伝達関数W(s) W(s) を求めよ。

(2) この閉ループ系の特性根のうちの二つを−1 -1 ,−2 -2 とするためには,K1 K_{1} 及びK2 K_{2} の値をいくらにすればよいか。また,このときのその他の特性根も求めよ。

(3) 小問(2)で得られたK1 K_{1} 及びK2 K_{2} を用いて,単位インパルス応答y(t) y(t) を求めよ。

問題図

解説

【問題のポイント・使用する基本公式】

本問は、マイナーループ(内側フィードバック)をもつ制御系における閉ループ伝達関数の導出、極配置(特性根の指定)によるゲインの決定、および単位インパルス応答のラプラス逆変換計算を問う、自動制御の頻出・最重要問題です。

  • 閉ループ伝達関数の導出:ブロック線図の各加算点(減算点)における信号関係を丁寧に立式し、制御量 Y(s)Y(s) と目標値 R(s)R(s) の関係に整理します。
  • 特性根と特性方程式:伝達関数 W(s)W(s) の分母多項式を 00 と置いた方程式を特性方程式と呼びます。その解が特性根(閉ループ極)です。3次方程式の「根と係数の関係」を利用すると、極めて迅速に未知の特性根やゲインを決定できます。
  • 単位インパルス応答:単位インパルス入力 δ(t)\delta(t) のラプラス変換は R(s)=1R(s) = 1 であるため、応答は Y(s)=W(s)Y(s) = W(s) となります。これを部分分数分解(ヘビサイドの展開定理)してラプラス逆変換します。 L−1[1s+a]=e−at(t≥0)\mathcal{L}^{-1}\left[\frac{1}{s + a}\right] = e^{-at} \quad (t \ge 0)

【ステップバイステップ解法】

(1) 目標値 R(s)R(s) から制御量 Y(s)Y(s) までの閉ループ伝達関数 W(s)W(s)

ブロック線図

問題図
を見ると、内側の加算点に速度帰還 K2sY(s)K_2 s Y(s)、外側の加算点に主フィードバック Y(s)Y(s) がそれぞれ負帰還されています。各加算点の出力信号を定義して立式します。

① 外側の減算点の出力(制御偏差)を E(s)E(s) とすると、

E(s)=R(s)−Y(s)E(s) = R(s) - Y(s)

② これに比例ゲイン K1K_1 が掛かり、さらに内側の減算点で帰還信号 K2sY(s)K_2 s Y(s) が減算されます。制御対象 1s(s+2)(s+4)\dfrac{1}{s(s+2)(s+4)} への入力信号を U(s)U(s) とおくと、

U(s)=K1E(s)−K2sY(s)=K1{R(s)−Y(s)}−K2sY(s)U(s) = K_1 E(s) - K_2 s Y(s) = K_1 \{R(s) - Y(s)\} - K_2 s Y(s)

③ 出力 Y(s)Y(s) は、入力 U(s)U(s) に制御対象の伝達関数を乗じたものであるため、

Y(s)=1s(s+2)(s+4)U(s)=K1R(s)−(K1+K2s)Y(s)s(s+2)(s+4)Y(s) = \frac{1}{s(s+2)(s+4)} U(s) = \frac{K_1 R(s) - (K_1 + K_2 s) Y(s)}{s(s+2)(s+4)}

両辺に分母 s(s+2)(s+4)s(s+2)(s+4) を掛けます。

s(s+2)(s+4)Y(s)=K1R(s)−(K1+K2s)Y(s)s(s+2)(s+4) Y(s) = K_1 R(s) - (K_1 + K_2 s) Y(s)

Y(s)Y(s) を含む項をすべて左辺に移項して整理します。

[s(s+2)(s+4)+K2s+K1]Y(s)=K1R(s)\left[ s(s+2)(s+4) + K_2 s + K_1 \right] Y(s) = K_1 R(s)

ここで、多項式を展開します。

s(s+2)(s+4)=s(s2+6s+8)=s3+6s2+8ss(s+2)(s+4) = s(s^2 + 6s + 8) = s^3 + 6s^2 + 8s

したがって、括弧内は

s3+6s2+(8+K2)s+K1s^3 + 6s^2 + (8 + K_2)s + K_1

となり、閉ループ伝達関数 W(s)=Y(s)R(s)W(s) = \dfrac{Y(s)}{R(s)} は次のようになります。

W(s)=K1s3+6s2+(8+K2)s+K1W(s) = \frac{K_1}{s^3 + 6s^2 + (8 + K_2)s + K_1}

(2) 特性根を −1,−2-1, -2 とするゲイン K1,K2K_1, K_2 およびその他の特性根

閉ループ系の特性方程式は、伝達関数 W(s)W(s) の分母多項式を 00 と置いたものです。

s3+6s2+(8+K2)s+K1=0s^3 + 6s^2 + (8 + K_2)s + K_1 = 0

この3次方程式の3つの根を −1-1、−2-2、そして残りのもう一つの根を s3s_3 とおきます。

【解法:根と係数の関係の利用】
3次の代数方程式 s3+a2s2+a1s+a0=0s^3 + a_2 s^2 + a_1 s + a_0 = 0 において、根の和は −a2-a_2 に等しくなります。
本問の特性方程式における s2s^2 の係数は 66 ですから、

(−1)+(−2)+s3=−6(-1) + (-2) + s_3 = -6 −3+s3=−6  ⟹  s3=−3-3 + s_3 = -6 \implies s_3 = -3

これにより、直ちにその他の特性根が −3-3 であることが求まります。

したがって、特性多項式は次のように因数分解されます。

(s+1)(s+2)(s+3)=0(s + 1)(s + 2)(s + 3) = 0

この左辺を展開します。

(s2+3s+2)(s+3)=s3+6s2+11s+6=0(s^2 + 3s + 2)(s + 3) = s^3 + 6s^2 + 11s + 6 = 0

特性方程式 s3+6s2+(8+K2)s+K1=0s^3 + 6s^2 + (8 + K_2)s + K_1 = 0 と各次数の係数を比較すると、

  • ss の係数:8+K2=11  ⟹  K2=38 + K_2 = 11 \implies K_2 = 3
  • 定数項:K1=6K_1 = 6
K1=6,K2=3,その他の特性根: −3K_1 = 6, \quad K_2 = 3, \quad \text{その他の特性根: } -3

(3) 単位インパルス応答 y(t)y(t)

小問(2)で得られた K1=6K_1 = 6、K2=3K_2 = 3 を代入すると、閉ループ伝達関数は次のようになります。

W(s)=6(s+1)(s+2)(s+3)W(s) = \frac{6}{(s+1)(s+2)(s+3)}

入力が単位インパルス信号 r(t)=δ(t)r(t) = \delta(t) のとき、そのラプラス変換は R(s)=1R(s) = 1 です。したがって、出力 Y(s)Y(s) は伝達関数そのものに一致します。

Y(s)=W(s)R(s)=6(s+1)(s+2)(s+3)Y(s) = W(s) R(s) = \frac{6}{(s+1)(s+2)(s+3)}

この有理関数を次のように部分分数分解します。

Y(s)=As+1+Bs+2+Cs+3Y(s) = \frac{A}{s+1} + \frac{B}{s+2} + \frac{C}{s+3}

各係数 A,B,CA, B, C はヘビサイドの展開定理(留数計算)を用いて効率的に求められます。

  • A=lim⁡s→−1(s+1)Y(s)=6(−1+2)(−1+3)=6(1)(2)=3A = \lim_{s \to -1} (s+1)Y(s) = \frac{6}{(-1+2)(-1+3)} = \frac{6}{(1)(2)} = 3
  • B=lim⁡s→−2(s+2)Y(s)=6(−2+1)(−2+3)=6(−1)(1)=−6B = \lim_{s \to -2} (s+2)Y(s) = \frac{6}{(-2+1)(-2+3)} = \frac{6}{(-1)(1)} = -6
  • C=lim⁡s→−3(s+3)Y(s)=6(−3+1)(−3+2)=6(−2)(−1)=3C = \lim_{s \to -3} (s+3)Y(s) = \frac{6}{(-3+1)(-3+2)} = \frac{6}{(-2)(-1)} = 3

よって、Y(s)Y(s) は次のように展開されます。

Y(s)=3s+1−6s+2+3s+3Y(s) = \frac{3}{s+1} - \frac{6}{s+2} + \frac{3}{s+3}

公式 L−1[1s+a]=e−at\mathcal{L}^{-1}\left[\dfrac{1}{s+a}\right] = e^{-at} を用いて各項をラプラス逆変換すると、単位インパルス応答 y(t)y(t) が求まります。

y(t)=3e−t−6e−2t+3e−3t(t≥0)y(t) = 3e^{-t} - 6e^{-2t} + 3e^{-3t} \quad (t \ge 0)
【検算・物理的妥当性の確認】
t=0t = 0 を代入すると y(0)=3(1)−6(1)+3(1)=0y(0) = 3(1) - 6(1) + 3(1) = 0 となり、制御対象(3次遅れ系)の初期応答として整合します。
また、t→∞t \to \infty で y(t)→0y(t) \to 0 となり、インパルス入力に対する安定な系の応答として完全に成立していることが確認できます。

【最終結論】

(1) 閉ループ伝達関数 W(s)W(s)

W(s)=K1s3+6s2+(8+K2)s+K1W(s) = \frac{K_1}{s^3 + 6s^2 + (8 + K_2)s + K_1}

(2) ゲイン K1,K2K_1, K_2 およびその他の特性根

K1=6,K2=3,その他の特性根: −3K_1 = 6, \quad K_2 = 3, \quad \text{その他の特性根: } -3

(3) 単位インパルス応答 y(t)y(t)

y(t)=3e−t−6e−2t+3e−3t(t≥0)y(t) = 3e^{-t} - 6e^{-2t} + 3e^{-3t} \quad (t \ge 0)