ちなみに ω n を固定角周波数,ζを減衰比(damping ratio)といいます. ← 戻る 1 2 次へ →
みなさん,こんにちは おかしょです. この記事では2次遅れ系の伝達関数を逆ラプラス変換する方法を解説します. そして,求められた微分方程式を解いてどのような応答をするのかを確かめてみたいと思います. この記事を読むと以下のようなことがわかる・できるようになります. 逆ラプラス変換のやり方 2次遅れ系の微分方程式 微分方程式の解き方 この記事を読む前に この記事では微分方程式を解きますが,微分方程式の解き方については以下の記事の方が詳細に解説しています. 微分方程式の解き方を知らない方は,以下の記事を先に読んだ方がこの記事の内容を理解できるかもしれないので以下のリンクから読んでください. 2次遅れ系の伝達関数とは 一般的な2次遅れ系の伝達関数は以下のような形をしています. \[ G(s) = \frac{\omega^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega s +\omega^{2}} \tag{1} \] 上式において \(\zeta\)は減衰率,\(\omega\)は固有角振動数 を意味しています. これらの値はシステムによってきまり,入力に対する応答を決定します. 特徴的な応答として, \(\zeta\)が1より大きい時を過減衰,1の時を臨界減衰,1未満0以上の時を不足減衰 と言います. 二次遅れ系 伝達関数. 不足減衰の時のみ,応答が振動的になる特徴があります. また,減衰率は負の値をとることはありません. 2次遅れ系の伝達関数の逆ラプラス変換 それでは,2次遅れ系の説明はこの辺にして 逆ラプラス変換をする方法を解説していきます. そもそも,伝達関数はシステムの入力と出力の比を表します. 入力と出力のラプラス変換を\(U(s)\),\(Y(s)\)とします. すると,先程の2次遅れ系の伝達関数は以下のように書きなおせます. \[ \frac{Y(s)}{U(s)} = \frac{\omega^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega s +\omega^{2}} \tag{2} \] 逆ラプラス変換をするための準備として,まず左辺の分母を取り払います. \[ Y(s) = \frac{\omega^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega s +\omega^{2}} \cdot U(s) \tag{3} \] 同じように,右辺の分母も取り払います. \[ (s^{2}+2\zeta \omega s +\omega^{2}) \cdot Y(s) = \omega^{2} \cdot U(s) \tag{4} \] これで,両辺の分母を取り払うことができたので かっこの中身を展開します.
\[ y(t) = (At+B)e^{-t} \tag{24} \] \[ y(0) = B = 1 \tag{25} \] \[ \dot{y}(t) = Ae^{-t} – (At+B)e^{-t} \tag{26} \] \[ \dot{y}(0) = A – B = 0 \tag{27} \] \[ A = 1, \ \ B = 1 \tag{28} \] \[ y(t) = (t+1)e^{-t} \tag{29} \] \(\zeta\)が1未満の時\((\zeta = 0. 5)\) \[ \lambda = -0. 5 \pm i \sqrt{0. 75} \tag{30} \] \[ y(t) = e^{(-0. 75}) t} \tag{31} \] \[ y(t) = Ae^{(-0. 5 + i \sqrt{0. 75}) t} + Be^{(-0. 5 – i \sqrt{0. 75}) t} \tag{32} \] ここで,上の式を整理すると \[ y(t) = e^{-0. 5 t} (Ae^{i \sqrt{0. 75} t} + Be^{-i \sqrt{0. 75} t}) \tag{33} \] オイラーの公式というものを用いてさらに整理します. オイラーの公式とは以下のようなものです. \[ e^{ix} = \cos x +i \sin x \tag{34} \] これを用いると先程の式は以下のようになります. \[ \begin{eqnarray} y(t) &=& e^{-0. 75} t}) \\ &=& e^{-0. 5 t} \{A(\cos {\sqrt{0. 75} t} +i \sin {\sqrt{0. 75} t}) + B(\cos {\sqrt{0. 二次遅れ要素とは - E&M JOBS. 75} t} -i \sin {\sqrt{0. 75} t})\} \\ &=& e^{-0. 5 t} \{(A+B)\cos {\sqrt{0. 75} t}+i(A-B)\sin {\sqrt{0. 75} t}\} \tag{35} \end{eqnarray} \] ここで,\(A+B=\alpha, \ \ i(A-B)=\beta\)とすると \[ y(t) = e^{-0. 5 t}(\alpha \cos {\sqrt{0. 75} t}+\beta \sin {\sqrt{0.
2次系 (1) 伝達関数について振動に関する特徴を考えます.ここであつかう伝達関数は数学的な一般式として,伝達関数式を構成するパラメータと物理的な特徴との関係を導きます. ここでは,式2-3-30が2次系伝達関数の一般式として話を進めます. 式2-3-30 まず,伝達関数パラメータと 極 の関係を確認しましょう.式2-3-30をフーリエ変換すると(ラプラス関数のフーリエ変換は こちら参照 ) 式2-3-31 極は伝達関数の利得が∞倍の点なので,[分母]=0より極の周波数ω k は 式2-3-32 式2-3-32の極の一般解には,虚数が含まれています.物理現象における周波数は虚数を含みませんので,物理解としては虚数を含まない条件を解とする必要があります.よって式2-3-30の極周波数 ω k は,ζ=0の条件における ω k = ω n のみとなります(ちなみにこの条件をRLC直列回路に見立てると R =0の条件に相当). つづいてζ=0以外の条件での振動条件を考えます.まず,式2-3-30から単位インパルスの過渡応答を導きましょう. インパルス応答を考える理由は, 単位インパルス関数 は,-∞〜+∞[rad/s]の範囲の余弦波(振幅1)を均一に合成した関数であるため,インパルスの過渡応答関数が得られれば,-∞〜+∞[rad/s]の範囲の余弦波のそれぞれの過渡応答の合成波形が得られることになり,伝達関数の物理的な特徴をとらえることができます. たとえば,インパルス過渡応答関数に,sinまたはcosが含まれるか否かによって振動の有無,あるいは特定の振動周波数を数学的に抽出することができます. この方法は,以前2次系システム(RLC回路の過渡)のSTEP応答に関する記事で,過渡電流が振動する条件と振動しない条件があることを解説しました. ( 詳細はこちら ) ここでも同様の方法で,振動条件を抽出していきます.まず,式2-3-30から単位インパルス応答関数を求めます. C ( s)= G ( s) R ( s) 式2-3-33 R(s)は伝達システムへの入力関数で単位インパルス関数です. 二次遅れ系 伝達関数 ボード線図 求め方. 式2-3-34 より C ( s)= G ( s) 式2-3-35 単位インパルス応答関数は伝達関数そのものとなります( 伝達関数の定義 の通りですが). そこで,式2-3-30を逆ラプラス変換して,時間領域の過渡関数に変換すると( 計算過程はこちら ) 条件 単位インパルスの過渡応答関数 |ζ|<1 ただし ζ≠0 式2-3-36 |ζ|>1 式2-3-37 ζ=1 式2-3-38 表2-3-1 2次伝達関数のインパルス応答と振動条件 |ζ|<1で振動となりζが振動に関与していることが分かると思います.さらに式2-3-36および式2-3-37より,ζが負になる条件(ζ<0)で, e の指数が正となることから t →∞ で発散することが分かります.
039\zeta+1}{\omega_n} $$ となります。 まとめ 今回は、ロボットなどの動的システムを表した2次遅れ系システムの伝達関数から、システムのステップ入力に対するステップ応答の特性として立ち上がり時間を算出する方法を紹介しました。 次回 は、2次系システムのステップ応答特性について、他の特性を算出する方法を紹介したいと思います。 2次遅れ系システムの伝達関数とステップ応答(その2) ロボットなどの動的システムを示す伝達関数を用いて、システムの入力に対するシステムの応答の様子を算出することが出来ます。...
\[ Y(s)s^{2}+2\zeta \omega Y(s) s +\omega^{2} Y(s) = \omega^{2} U(s) \tag{5} \] ここまでが,逆ラプラス変換をするための準備です. 準備が完了したら,逆ラプラス変換をします. \(s\)を逆ラプラス変換すると1階微分,\(s^{2}\)を逆ラプラス変換すると2階微分を意味します. つまり,先程の式を逆ラプラス変換すると以下のようになります. \[ \ddot{y}(t)+2\zeta \omega \dot{y}(t)+\omega^{2} y(t) = \omega^{2} u(t) \tag{6} \] ここで,\(u(t)\)と\(y(t)\)は\(U(s)\)と\(Y(s)\)の逆ラプラス変換を表します. この式を\(\ddot{y}(t)\)について解きます. \[ \ddot{y}(t) = -2\zeta \omega \dot{y}(t)-\omega^{2} y(t) + \omega^{2} u(t) \tag{7} \] 以上で,2次遅れ系の伝達関数の逆ラプラス変換は完了となります. 2次遅れ系の微分方程式を解く 微分方程式を解くうえで,入力項は制御器によって異なってくるので,今回は無視することにします. つまり,今回解く微分方程式は以下になります. \[ \ddot{y}(t) = -2\zeta \omega \dot{y}(t)-\omega^{2} y(t) \tag{8} \] この微分方程式を解くために,解を以下のように置きます. \[ y(t) = e^{\lambda t} \tag{9} \] これを微分方程式に代入します. 二次遅れ系 伝達関数 求め方. \[ \begin{eqnarray} \ddot{y}(t) &=& -2\zeta \omega \dot{y}(t)-\omega^{2} y(t)\\ \lambda^{2} e^{\lambda t} &=& -2\zeta \omega \lambda e^{\lambda t}-\omega^{2} e^{\lambda t}\\ (\lambda^{2}+2\zeta \omega \lambda+\omega^{2}) e^{\lambda t} &=& 0 \tag{10} \end{eqnarray} \] これを\(\lambda\)について解くと以下のようになります.
このページでは伝達関数の基本となる1次遅れ要素・2次遅れ要素・積分要素・比例要素と、それぞれの具体例について解説します。 ※伝達関数の基本を未学習の方は、まずこちらの記事をご覧ください。 このページのまとめ 伝達関数の基本は、1次遅れ要素・2次遅れ要素・積分要素・比例要素 上記要素を理解していれば、より複雑なシステムもこれらの組み合わせで対応できる!
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