6章�安定性� 例:2次要素のフィードバック制御 比例制御を考える 目標値と現在位置との誤差を定数倍した値を制御 対象の入力とする 目標値 誤差 制御量 s + 1 K� x (s + 2)(s + 8) xd=1� + r� e=x −x � d r − 閉ループ伝達関数は 2次要素のフィードバック制御� 閉ループ伝達関数の極(分母が0となるs) Kが正である範囲で考えると :負の2実数根� :負の実数の重根� :負の実数部をもつ2複素根� :2虚数根� :正の実数部をもつ2複素根� :正の実数の重根� :正の2実数根� 値が発散してしまう� 制御系の設計の際には まず発散しないように 設計をする必要� 6.1�安定条件� 前向き要素G(s) 、フィードバック要素H(s) からなるフィードバック制御系 基準入力 R(s) + − 偏差 e(s) G(s) H(s) 検出部 出力応答 C(s) BIBO (Bounded Input-Bounded Output)� 閉ループ系に任意の有界な入力をしたとき に、有界な出力を生じるとき 有界入力─有界出力安定 あるいは 安定 という。この必要十分条件はインパルス応答 go(t)について であること。つまり、インパルス応答の絶対値 の積分が有界� 安定判別� • システムが安定か不安定かを見分けるこ とを安定判別という。� • インパルス応答の積分を求めることは一般 に困難なので、より簡便な方法が必要 • 一般にn次の線形システムの伝達関数は、� sの多項式の比で表される。� • ここで部分分数展開するには分母の多項 式の根(極)を求める。� • ここで、仮にすべての根が異なるとすると、� Biを極siの留数という。� これを逆ラプラス変換すると� • siが負の実数である場合 es i t は時間経過と共に減少 0 に漸近する • siが正の実数である場合 esi t は時間経過と共に増大 e s t i ついには無限大になる si > 0 si = 0 1 si < 0 t 2次要素の極が負の実数の場合� インパルス応答は 以降、留数Biが1である例を考える� 極が負の実数の場合の インパルス応答� 減衰の遅い項に 収束する早さは依存� 2次要素の極が正の実数の場合� インパルス応答は 極が正の実数の場合の インパルス応答� 2次要素の極が正負の実数の場合� � インパルス応答は 極が正負である場合の インパルス応答� 発散する� ただし� αが0である場合� インパルス応答� インパルス応答は � 持続振動� αが負である場合� インパルス応答� インパルス応答は � 振動しながら振幅は減少� αが正である場合� インパルス応答� インパルス応答は � 振動しながら振幅は増大 発散する� αが負である項が複数の場合� � インパルス応答は αが負である項が複数の場合の インパルス応答� 減衰の遅い項に 収束する早さは依存� αが正と負である項を含む場合� � インパルス応答は αが正と負である項を含む場合の インパルス応答� 発散する� 極がすべて負の実数もしくは実数部 が負である複素根である場合� � インパルス応答は 安定な場合のインパルス応答� 極に正の実数を含む場合� � インパルス応答は 不安定な場合のインパルス応答� 極がすべて負の実数、もしくは負の実数部を 含む複素数である場合は安定 極に1つでも正の実数、もしくは正の実数部を もつ複素数がある場合には、応答は発散 すなわち極がわかれば、システムが安定か�� 不安定かを判定できる� 例題�6.1� 閉ループ伝達関数が で与えられるフィードバック系のインパルス応 答を求めて安定性を論ぜよ 例題�6.1� 根の実数部が負なので安定� 例題�6.1� インパルス応答� ステップ応答� 6.1.2�特性方程式� 閉ループ伝達関数Go(s)の安定の必要十分条件は すべての極siが以下の条件を満たしていること 1. 実数のとき������si < 0 2. 複素数の場合�Re[si] < 0 • 極siがs平面の左半平面にあることが安定の必要十分条件 と言い換えられる。 • 極siが虚軸上にあるときは安定限界→�持続振動� • 高次のシステムの場合、虚軸から離れている極は��� 減衰が早いので過渡応答特性にあまり影響を与えず、 虚軸、原点に近い極が重要。� 極の位置による安定判別� すべての極が複素平面上の左半面にあれば 安定� Im 高周波数 安定領域 不安定領域 Re 0 安定限界 (持続振動) 減衰 発散 特性方程式� • 特性方程式: 閉ループ伝達関数の分母の多項式 • 特性根:特性方程式の根 – 特性根でシステムの安定性はわかるが、一般 に特性方程式が多項式の場合、特性根を求め ることは困難 • 多項式の根が求められるのは2次方程式まで� 過渡応答の詳細は問わず、システムが安定か (特性根の必要十分条件を満たしているか)�� だけを判定する簡便な安定判別法が必要� 6.2 ラウス・フルビッツの安定判別法� 6.2.1 ラウス(Routh) の安定判別法� 特性方程式が次のように与えられる場合 1. 係数a0, a1, …, anがすべて同じ符号である (一般にはすべて正) 2. 特性方程式の正の実部をもつ根の数は、 ラウス配列の最初の列a0, a1, b1, c1, d1,… の正負の符号変化の回数に等しい。つまり、 システムが安定であるためには、この数列 の符号がすべて等しい ラウス配列� ラウス配列� 一般的に書くと� 例題�6.1� 閉ループ伝達関数が で与えられるフィードバック系の安定性を 判別せよ 特性方程式は すべての係数は正。 例題 6.1� ラウス配列を求める � 安定である� 例題 6.2� フィードバック系のシステムの安定判別を行え� 例題 6.2� 特性方程式を求める より特性方程式は ラウス配列は 例題 6.2� ラウス配列の最初の列は 2、 1、 −7、 6.43、 10 符号変化は2回なので実部が 正の特性根を2個もつ。 つまり�不安定� 例題 6.2� インパルス応答� ステップ応答� 6.2.2 フルビッツ(Hurwitz) の 安定判別法� 特性方程式が次のように与えられる場合 1. 係数a0、 a1、 …、 anがすべて同じ符号で ある(一般にはすべて正)� 2. 次の行列式Di(i=1〜n−1)がすべて正であ ること� フルビッツの安定判別法� ラウス・フルビッツの安定判別法� 本質的にはラウスの安定判別法と、フルビッツ の安定判別法は同じであることが分かっている。 すなわちラウス配列の1列目だけ見ると� となるため、両方の符号が一致するのは明らか� 例題6.2をフルビッツの 安定判別法で� 特性方程式は� 例題� 次のフィードバックループが安定である ゲイン係数Kの値の範囲を求めよ。� 例題� 閉ループ伝達関数� 特性方程式は� ラウスの判別法 1. 係数がすべて正 ⇒�K>0 2. ラウス配列 30−K>0かつK>0より安定である条件は0<K<30� フルビッツの安定判別法� 特性方程式� � これをすべて正にするには0<K<30� 例題(K=10)� インパルス応答� ステップ応答� 例題(K=30)� インパルス応答� ステップ応答� 例題(K=50)� ラウス・フルビッツの安定判別法 • 特性方程式の係数が必要 • 一般のシステムは必ずしも特性方程式の正 確な式は得られない • 特性方程式が多項式に限られる 6.3 ナイキストの安定判別法� 開ループ伝達関数G(s)H(s)のナイキスト線図 を用い、閉ループ系の安定性を周波数領域で 図的に判別する方法 ナイキスト線図は実験的にも得られる • システムに角周波数ωの正弦波を入力して、ゲイン、 位相を求める。 • ωを0から∞まで変化させ、複素平面にプロットする – 特性方程式が必ずしも必要ない – 特性方程式が多項式でなくても良い 6.3.1 G(s)H(s) の極がs 平面の 右半平面にない場合� 1. 簡易ナイキストの安定判別法 開ループ伝達関数が不安定でない場合、つまり G(s)H(s)の極がすべて複素平面の左半平面にあ る場合 開ループ伝達関数のナイキスト線図において ωが0〜∞まで増加する向きにたどるときに、 (−1, j0)点を左側にみれば安定、右側にみれ ば不安定 Im Im Im 安定限界 0 + = −1 −1 + 0 0 Re 不安定 0 Re Im Im −1 + −1 0 Re 0 0 安定 + −1 Re 0 + Re 位相交差周波数ωπ ナイキスト線図が 負の実軸と交わる 角周波数� ω増加 0 0 ω=0 または ω→0、ω=ωπ、ω→∞に注目してナイキスト線図を描く� 簡易ナイキストの安定判別法� そのためにはω=0 または ω→0、ω=ωπ、 ω→∞に注目してナイキスト線図を描くとよい。 ただしωπはナイキスト線図が負の実軸と交わ る角周波数(位相交差周波数)。� 例題� • 開ループ伝達関数が次式の場合 • ナイキスト線図を描くために、周波数伝達 関数を計算する� 例題� • ω→0、ω→+∞を考えると� 例題� Im[G(jω)H(jω)] =0となるωπを求めると と書けるので このときのゲインρ (=Re[G(jωπ)]) は a, b, c > 0であるから|ρ|<1を満たすようなa, b, c ならば安定である 例題� 例えば 1) a = 0.5、 b = 2、 c = 4、 K = 40、 ρ = −0.593 2) a = 1、 b = 2、 c = 3、 K = 60、 ρ = −1 3) a = 4、 b = 5、 c = 6、 K = 1200、 ρ = −1.212 のナイキスト線図を描いてみると、次のよう になり、(1)は安定、(2)は安定限界、(3)は不 安定であることがわかる。� ナイキスト線図� 1) a = 0.5、 b = 2、 c = 4、 K = 40 2) 3) a = 1、 b = 2、 c = 3、 K = 60 a = 4、 b = 5、 c = 6、 K = 1200 演習問題6 2番� • 極は0, −1, −0.5 � s=0の極が1つだけの場合は簡易型の安定判別 法が使える • 周波数伝達関数� 演習問題6 2番� 1) ω→0のとき 3 lim Re[G(j )] = lim = 3 4 2 0 0 4 +5 +1 2 2 1 lim Im[G(j )] = lim = 4 2 0 0 (4 + 5 + 1) 演習問題6 2番� 2) ω→∞のとき� 3 lim Re[G(j )] = lim 4 4+5 2+1 3 = 1lim 0 4 4+ 5 2 + 1 4 =0 lim Im[G(j )] = lim (4 2 2 1 4 +5 2 2 = 1lim 0 =0 1 3 4+ 5 5 2 + 1 4 + 1) 演習問題6 2番� 3) ωπ (位相角周波数)���� Im[G(jωπ)] = 0となる時の角周波数 (演習ではω0 ) Im[G(j 1 = 2 Re[G(j )] = 2 2 (4 4 1 +5 3 )] = 4 14 + 5 3 2 = 9 = 3 2 1 2 2 + 1) +1 より 演習問題6 2番 ナイキスト線図� (−1, 0j)� (−1, 0j)を 左に見るので 安定� 例題 6.3 (K=10)� インパルス応答� ステップ応答� ナイキスト線図� 左に見ている ので安定� 例題 6.3 (K=30)� インパルス応答� ステップ応答� 安定限界� 例題 6.3 (K=50)� 右に見ている ので不安定� ラウスの安定判別法と比較� • 閉ループ伝達関数を求めると� ラウスの安定判別� 特性方程式 2s3+3s2+s+1=0 1) 係数はすべて正 2) ラウス配列は� ⇒�安定である� 例題 6.4� 開ループ伝達関数が 10 G(s)H(s) = s(s + 1)(s + 5) で与えられるフィードバック制御系がある.ナイキスト線 図の概形を描き,制御系の安定性について調べよ.� ① ナイキスト線図(ベクトル軌跡)を描く a) 周波数伝達関数を計算する b) ω→0,ω→∞ におけるゲインと位相を求める ω=ωπ と,そのときのゲイン ρ を求める c) ② ω→0,ωπ→∞と増加させたとき,(-1, j0) 点を左側に見 れば安定,右側に見れば不安定 例題 6.4:解答例� ① ナイキスト線図(ベクトル軌跡)を描く a) 周波数伝達関数を計算する� 10 10 G(j )H(j ) = = j (j + 1)(j + 5) 6 2 + j (5 2 60 10(5 )/ = j 2 2 2 2 )2 36 + (5 ) 36 2 + (5 |G(j )H(j )| = G(j )H(j ) = 2) 10 36 90 2 2 )2 + (5 tan 6 1 5 a 2 b θ −90 − tan −1 90 − θ tan(90 − θ ) = a b a b b) ω→0,ω→∞におけるゲインと位相を求める lim |G(j )H(j )| = 0 lim 0 G(j )H(j ) = 90 60 lim Re [G(j )H(j )] = 0 36 2 + (5 2 )2 0 60 = = 25 lim |G(j )H(j )| = 0 lim G(j )H(j ) = 270 c) ω=ωπ と,そのときのゲイン ρ を求める� 10(5 Im [G(j )H(j )] = 36 2 + (5 = |G(j )H(j )| = 2 )/ 2 )2 = 0 より 10 36 2 + (5 = 1 = 2 )2 3 5 2.4 例題6.4 ナイキスト線図� (-1, j0)� -2.4� + これでは分かりにくい� ⇒周波数範囲を適切に選ぶことが大事� 0 ② ω→0,ωπ→∞と増加させたとき,(-1, j0) 点を 左側に見ているので安定 例題6.4 ナイキスト線図� -2.4� (-1, j0)� (-1, j0)� = 5 = 5 0.33� 0.33� これでは分かりにくい 周波数範囲を適切に選ぶことが大事 0 + 6.3.2 G(s)H(s) の極がs 平面の 右半平面にある場合� 2. 拡張ナイキストの安定判別法 – 不安定な開ループ伝達関数G(s)H(s)の極の 総数をPとする。� – ωが−∞から+∞まで変化するときG(s)H(s)のナ イキスト線図が(−1, j0)点を反時計方向にN回 まわるならば、この制御系が安定である条件 はN=Pである 例題 6.6� システムの安定性について検討せよ� 例題 6.6� システムの安定性について検討せよ� 例題 6.6� � 開ループ伝達関数は これは1次遅れ要素であるから、ナイキスト線 図は円になる。� また、この開ループ伝達関数の極は 1つである(P=1)� 例題 6.6� � � ナイキスト線図を描くために、周波数伝達関 数を計算する したがって� 例題 6.6� 第2象限� 第3象限� ただし、180−= 180−ε、 180+=180+ε 例題 6.6� • ということはωが−∞〜+∞に増加するとき、 原点から虚軸の正の方向に動き始め、ω=0 で(−K, j0)を通り、再び、虚軸の負の方向 から原点に向かう円となる。� • ナイキストの安定判別では(−1,j0)との関係 が重要であるから、K>1とK<1に分けて考 える。� 例題 6.6� 1. K>1の場合 – ナイキスト線図は(−1, j0)の点の外側を通るの でこの点を半時計方向に1周することになる。 したがってN=1。つまりP=Nなので、安定� K=2� 例題 6.6� 1. K<1の場合 ナイキスト線図は(−1, j0)の点の右側で一周する のでN=0。つまりP≦Nなので、不安定。 K=0.5� したがってK>1が安定条件である。 例題 6.6� 閉ループ伝達関数を求めると、 � であるので極はs=1−K したがってK−1>0, K>1が安定条件� 6.4 安定度� • そのシステムが十分に安定かどうかは、ナイ キスト線図で、どれぐらい(−1, j0) から離れて いるかが問題。⇒安定度 – ゲイン余裕:ナイキスト線図で負の実軸と交わる ときの開ループゲインρが1より小さければ安定 1 GM = 20 log = 20 log – 位相余裕:ナイキスト線図がゲイン1である単位 円と交わる点が180[deg]から離れていれば安定。 交わるときの角周波数をゲイン交差周波数ωc� PM = + G(j c )H(j c ) Im� ゲイン余裕 位相交点 = GM = 20 log ρ� + −1 1 = 20 log Re� 0 ゲイン交点 = c 0 位相余裕 PM = + G(j c )H(j c ) ゲイン余裕 gdB [dB]� GM = 20 log 1 = 20 log ωc� 0 ゲイン交点 ω� GM� ωπ� 0 φ [deg]� ω� −180 PM� 位相余裕 位相交点 PM = + G(j c )H(j c ) 6.3節の例� 1. a = 0.5、 b = 2、 c = 4、 K = 40の場合 このときρ = −0.593であるのでゲイン余裕は 例題 6.7� 開ループ伝達関数が であるフィードバック系のナイキスト線図を求 め、ゲイン余裕や位相余裕を求めよ。� 周波数伝達関数は� 例題 6.7� ω→0、ω→+∞を考えて、ナイキスト線図を描く� 15.1 lim |G(j )H(j )| = = 2.52 0 6 0 1 lim G(j )H(j ) = tan =0 0 6 lim |G(j )H(j )| = lim lim 15.1 (j ) 3 G(j )H(j ) = lim tan 1 = lim tan 1 =0 2 6 ( )= 11 6 2 270 ⇒第2象限� 例題 6.7� ωπを求めると、虚部が0の場合だから� 代入すると� G(j )H(j )= 15.1 , j0 60 ナイキスト線図� ゲイン余裕 (−1, j0)� (−0.252, j0)� ω→∞� 位相余裕� ω→0� 例題6.7 ボード線図� GM = 12dB� ωc=1.5� = PM = 60[deg]� 11 例題 6.7� ゲイン余裕は 例題 6.7� 位相余裕:位相φ(ω)を求める � � |G(jω)H(jω)=1|となるゲイン交差周波数は���� ωc =1.5[rad/sec]であるので したがって位相余裕PMは
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