8に示す。 図1. 8 ドア開度の時間的振る舞い 問1. 2 図1. 8の三つの時間応答に対応して,ドアはそれぞれどのように閉まるか説明しなさい。 *ばねとダンパの特性値を調整するためのねじを回すことにより行われる。 **本書では, のように書いて,△を○で定義・表記する(△は○に等しいとする)。 1. 3 直流モータ 代表的なアクチュエータとしてモータがある。例えば図1. 1. 物理法則から状態方程式を導く | 制御系CAD. 9に示すのは,ロボットアームを駆動する直流モータである。 図1. 9 直流モータ このモデルは図1. 10のように表される。 図1. 10 直流モータのモデル このとき,つぎが成り立つ。 (15) (16) ここで,式( 15)は機械系としての運動方程式であるが,電流による発生トルクの項 を含む。 はトルク定数と呼ばれる。また,式( 16)は電気系としての回路方程式であるが,角速度 による逆起電力の項 を含む。 は逆起電力定数と呼ばれる。このように,モータは機械系と電気系の混合系という特徴をもつ。式( 15)と式( 16)に (17) を加えたものを行列表示すると (18) となる 。この左から, をかけて (19) のような状態方程式を得る。状態方程式( 19)は二つの入力変数 をもち, は操作できるが, は操作できない 外乱 であることに注意してほしい。 問1. 3 式( 19)を用いて,直流モータのブロック線図を描きなさい。 さて,この直流モータに対しては,角度 の 倍の電圧 と,角加速度 の 倍の電圧 が測れるものとすると,出力方程式は (20) 図1. 11 直流モータの時間応答 ところで,私たちは物理的な感覚として,機械的な動きと電気的な動きでは速さが格段に違うことを知っている。直流モータは機械系と電気系の混合系であることを述べたが,制御目的は位置制御や速度制御のように機械系に関わるのが普通であるので,状態変数としては と だけでよさそうである。式( 16)をみると,直流モータの電気的時定数( の時定数)は (21) で与えられ,上の例では である。ところが,図1. 11からわかるように, の時定数は約 である。したがって,電流は角速度に比べて10倍速く落ち着くので,式( 16)の左辺を零とおいてみよう。すなわち (22) これから を求めて,式( 15)に代入してみると (23) を得る。ここで, の時定数 (24) は直流モータの機械的時定数と呼ばれている。上の例で計算してみると である。したがって,もし,直流モータの電気的時定数が機械的時定数に比べて十分小さい場合(経験則は)は,式( 17)と式( 23)を合わせて,つぎの状態方程式をもつ2次系としてよい。 (25) 式( 19)と比較すると,状態空間表現の次数を1だけ減らしたことになる。 これは,モデルの 低次元化 の一例である。 低次元化の過程を図1.
1 状態空間表現の導出例 1. 1. 1 ペースメーカ 高齢化社会の到来に伴い,より優れた福祉・医療機器の開発が工学分野の大きなテーマの一つとなっている。 図1. 1 に示すのは,心臓のペースメーカの簡単な原理図である。これは,まず左側の閉回路でコンデンサへの充電を行い,つぎにスイッチを切り替えてできる右側の閉回路で放電を行うという動作を周期的に繰り返すことにより,心臓のペースメーカの役割を果たそうとするものである。ここでは,状態方程式を導く最初の例として,このようなRC回路における充電と放電について考える。 そのために,キルヒホッフの電圧則より,左側閉回路と右側閉回路の回路方程式を考えると,それぞれ (1) (2) 図1. 1 心臓のペースメーカ 式( 1)は,すでに, に関する1階の線形微分方程式であるので,両辺を で割って,つぎの 状態方程式 を得る。この解変数 を 状態変数 と呼ぶ。 (3) 状態方程式( 3)を 図1. 2 のように図示し,これを状態方程式に基づく ブロック線図 と呼ぶ。この描き方のポイントは,式( 3)の右辺を表すのに加え合わせ記号○を用いることと,また を積分して を得て右辺と左辺を関連付けていることである。なお,加え合わせにおけるプラス符号は省略することが多い。 図1. キルヒホッフの連立方程式の解き方を教えていただきたいのですが - 問題I... - Yahoo!知恵袋. 2 ペースメーカの充電回路のブロック線図 このブロック線図から,外部より与えられる 入力変数 が,状態変数 の微分値に影響を与え, が外部に取り出されることが見てとれる。状態変数は1個であるので,式( 3)で表される動的システムを 1次システム (first-order system)または 1次系 と呼ぶ。 同様に,式( 2)から得られる状態方程式は (4) であり,これによるブロック線図は 図1. 3 のように示される。 図1. 3 ペースメーカの放電回路のブロック線図 微分方程式( 4)の解が (5) と与えられることはよいであろう(式( 4)に代入して確かめよ)。状態方程式( 4)は入力変数をもたないが,状態変数の初期値によって,状態変数の時間的振る舞いが現れる。この意味で,1次系( 4)は 自励系 (autonomous system) 自由系 (unforced system) と呼ばれる。つぎのシミュレーション例 をみてみよう。 シミュレーション1. 1 式( 5)で表されるコンデンサ電圧 の時間的振る舞いを, , の場合について図1.
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I 1, I 2, I 3 を未知数とする連立方程式を立てる. 上の接続点(分岐点)についてキルヒホフの第1法則を適用すると I 1 =I 2 +I 3 …(1) 左側の閉回路についてキルヒホフの第2法則を適用すると 4I 1 +5I 3 =4 …(2) 右側の閉回路についてキルヒホフの第2法則を適用すると 2I 2 −5I 3 =2 …(3) (1)を(2)に代入して I 1 を消去すると 4(I 2 +I 3)+5I 3 =4 4I 2 +9I 3 =4 …(2') (2')−(3')×2により I 2 を消去すると −) 4I 2 +9I 3 =4 4I 3 −10I 3 =4 19I 3 =0 I 3 =0 (3)に代入 I 2 =1 (1)に代入 I 1 =1 →【答】(3) [問題2] 図のような直流回路において,抵抗 6 [Ω]の端子間電圧の大きさ V [V]の値として,正しいものは次のうちどれか。 (1) 2 (2) 5 (3) 7 (4) 12 (5) 15 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成15年度「理論」問5 各抵抗に流れる電流を右図のように I 1, I 2, I 3 とおく.
17 連結台車 【3】 式 23 で表される直流モータにおいて,一定入力 ,一定負荷 のもとで,一定角速度 の平衡状態が達成されているものとする。この平衡状態を基準とする直流モータの時間的振る舞いを表す状態方程式を示しなさい。 【4】 本書におけるすべての数値計算は,対話型の行列計算環境である 学生版MATLAB を用いて行っている。また,すべての時間応答のグラフは,(非線形)微分方程式による対話型シミュレーション環境である 学生版SIMULINK を用いて得ている。時間応答のシミュレーションのためには,状態方程式のブロック線図を描くことが必要となる。例えば,心臓のペースメーカのブロック線図(図1. 3)を得たとすると,SIMULINKでは,これを図1. 18のようにほぼそのままの構成で,対話型操作により表現する。ブロックIntegratorの初期値とブロックGainの値を設定し,微分方程式のソルバーの種類,サンプリング周期,シミュレーション時間などを設定すれば,ブロックScopeに図1. 1の時間応答を直ちにみることができる。時系列データの処理やグラフ化はMATLABで行える。 MATLABとSIMULINKが手元にあれば, シミュレーション1. 3 と同一条件下で,直流モータの低次元化後の状態方程式 25 による角速度の応答を,低次元化前の状態方程式 19 によるものと比較しなさい。 図1. 18 SIMULINKによる微分方程式のブロック表現 *高橋・有本:回路網とシステム理論,コロナ社 (1974)のpp. 65 66から引用。 **, D. 2. Bernstein: Benchmark Problems for Robust Control Design, ACC Proc. pp. 2047 2048 (1992) から引用。 ***The Student Edition of MATLAB-Version\, 5 User's Guide, Prentice Hall (1997) ****The Student Edition of SIMULINK-Version\, 2 User's Guide, Prentice Hall (1998)
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行政施設 金沢区, 横浜市 保存 共有 新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の世界的大流行を考慮し、事前に電話して営業時間を確認した上、社会的距離を保つことを忘れないでください 1 件のTipとレビュー ここにTipを残すには ログイン してください。 最寄であるシーサイドライン幸浦駅から徒歩7分、京浜急行線能見台駅から徒歩15分かかります。 23 枚の写真
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