自動制御 8.制御系の安定判別法(ナイキスト線図) 前回の記事は こちら 要チェック! 一瞬で理解する定常偏差【自動制御】 自動制御 7.定常偏差 前回の記事はこちら 定常偏差とは フィードバック制御は目標値に向かって制御値が変動するが、時間が十分経過して制御が終わった後にも残ってしまった誤差のことを定常偏差といいます。... 続きを見る 制御系の安定判別 一般的にフィードバック制御系において、目標値の変動や外乱があったとき制御系に振動などが生じる。 その振動が収束するか発散するかを表すものを制御系の安定性という。 ポイント 振動が減衰して制御系が落ち着く → 安定 振動が持続するor発散する → 不安定 安定判別法 制御系の安定性については理解したと思いますので、次にどうやって安定か不安定かを見分けるのかについて説明します。 制御系の安定判別法は大きく2つに分けられます。 ①ナイキスト線図 ②ラウス・フルビッツの安定判別法 あおば なんだ、たったの2つか。いけそうだな! ラウスの安定判別法 0. 今回は、①ナイキスト線図について説明します。 ナイキスト線図 ナイキスト線図とは、ある周波数応答\(G(j\omega)\)について、複素数平面上において\(\omega\)を0から\(\infty\)まで変化させた軌跡のこと です。 別名、ベクトル軌跡とも呼ばれます。この呼び方の違いは、ナイキスト線図が機械系の呼称、ベクトル軌跡が電気・電子系の呼称だそうです。 それでは、ナイキスト線図での安定判別について説明しますが、やることは単純です。 最初に大まかに説明すると、 開路伝達関数\(G(s)\)に\(s=j\omega\)を代入→グラフを描く→安定か不安定か目で確認する の流れです。 まずは、ナイキスト線図を使った安定判別の方法について具体的に説明します。 ここが今回の重要ポイントとなります。 複素数平面上に描かれたナイキスト線図のグラフと点(-1, j0)の位置関係で安定判別をする. 複素平面上の(-1, j0)がグラフの左側にあれば 安定 複素平面上の(-1, j0)がグラフを通れば 安定限界 (安定と不安定の間) 複素平面上の(-1, j0)がグラフの右側にあれば 不安定 あとはグラフの描き方さえ分かれば全て解決です。 それは演習問題を通して理解していきましょう。 演習問題 一巡(開路)伝達関数が\(G(s) = 1+s+ \displaystyle \frac{1}{s}\)の制御系について次の問題に答えよ.
MathWorld (英語).
\(\epsilon\)が負の時は\(s^3\)から\(s^2\)と\(s^2\)から\(s^1\)の時の2回符号が変化しています. どちらの場合も2回符号が変化しているので,システムを 不安定化させる極が二つある ということがわかりました. 演習問題3 以下のような特性方程式をもつシステムの安定判別を行います. \begin{eqnarray} D(s) &=& a_3 s^3+a_2 s^2+a_1 s+a_0 \\ &=& s^3+2s^2+s+2 \end{eqnarray} このシステムのラウス表を作ると以下のようになります. \begin{array}{c|c|c|c} \hline s^3 & a_3 & a_1& 0 \\ \hline s^2 & a_2 & a_0 & 0 \\ \hline s^1 & b_0 & 0 & 0\\ \hline s^0 & c_0 & 0 & 0 \\ \hline \end{array} \begin{eqnarray} b_0 &=& \frac{ \begin{vmatrix} a_3 & a_1 \\ a_2 & a_0 \end{vmatrix}}{-a_2} \\ &=& \frac{ \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2 & 2 \end{vmatrix}}{-2} \\ &=& 0 \end{eqnarray} またも問題が発生しました. 今度も0となってしまったので,先程と同じように\(\epsilon\)と置きたいのですが,この行の次の列も0となっています. このように1行すべてが0となった時は,システムの極の中に実軸に対して対称,もしくは虚軸に対して対象となる極が1組あることを意味します. ラウスの安定判別法（例題：安定なKの範囲1） - YouTube. つまり, 極の中に実軸上にあるものが一組ある,もしくは虚軸上にあるものが一組ある ということです. 虚軸上にある場合はシステムを不安定にするような極ではないので,そのような極は安定判別には関係ありません. しかし,実軸上にある場合は虚軸に対して対称な極が一組あるので,システムを不安定化する極が必ず存在することになるので,対称極がどちらの軸上にあるのかを調べる必要があります. このとき,注目すべきは0となった行の一つ上の行です. この一つ上の行を使って以下のような方程式を立てます. $$ 2s^2+2 = 0 $$ この方程式を補助方程式と言います.これを整理すると $$ s^2+1 = 0 $$ この式はもともとの特性方程式を割り切ることができます.
みなさん,こんにちは おかしょです. 制御工学において,システムを安定化できるかどうかというのは非常に重要です. 制御器を設計できたとしても,システムを安定化できないのでは意味がありません. システムが安定となっているかどうかを調べるには,極の位置を求めることでもできますが,ラウス・フルビッツの安定判別を用いても安定かどうかの判別ができます. この記事では,そのラウス・フルビッツの安定判別について解説していきます. 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. ラウス・フルビッツの安定判別とは何か ラウス・フルビッツの安定判別の計算方法 システムの安定判別の方法 この記事を読む前に この記事では伝達関数の安定判別を行います. 伝達関数とは何か理解していない方は,以下の記事を先に読んでおくことをおすすめします. ラウス・フルビッツの安定判別とは ラウス・フルビッツの安定判別とは,安定判別法の 「ラウスの方法」 と 「フルビッツの方法」 の二つの総称になります. これらの手法はラウスさんとフルビッツさんが提案したものなので,二人の名前がついているのですが,どちらの手法も本質的には同一のものなのでこのようにまとめて呼ばれています. ラウスの安定判別法 例題. ラウスの方法の方がわかりやすいと思うので,この記事ではラウスの方法を解説していきます. この安定判別法の大きな特徴は伝達関数の極を求めなくてもシステムの安定判別ができることです. つまり,高次なシステムに対しては非常に有効な手法です. $$ G(s)=\frac{2}{s+2} $$ 例えば,左のような伝達関数の場合は極(s=-2)を簡単に求めることができ,安定だということができます. $$ G(s)=\frac{1}{s^5+2s^4+3s^3+4s^2+5s+6} $$ しかし,左のように特性方程式が高次な場合は因数分解が困難なので極の位置を求めるのは難しいです. ラウス・フルビッツの安定判別はこのような 高次のシステムで極を求めるのが困難なときに有効な安定判別法 です. ラウス・フルビッツの安定判別の条件 例えば,以下のような4次の特性多項式を持つシステムがあったとします. $$ D(s) =a_4 s^4 +a_3 s^3 +a_2 s^2 +a_1 s^1 +a_0 $$ この特性方程式を解くと,極の位置が\(-p_1, \ -p_2, \ -p_3, \ -p_4\)と求められたとします.このとき,上記の特性方程式は以下のように書くことができます.
(1)ナイキスト線図を描け (2)上記(1)の線図を用いてこの制御系の安定性を判別せよ (1)まず、\(G(s)\)に\(s=j\omega\)を代入して周波数伝達関数\(G(j\omega)\)を求める. $$G(j\omega) = 1 + j\omega + \displaystyle \frac{1}{j\omega} = 1 + j(\omega - \displaystyle \frac{1}{\omega}) $$ このとき、 \(\omega=0\)のとき \(G(j\omega) = 1 - j\infty\) \(\omega=1\)のとき \(G(j\omega) = 1\) \(\omega=\infty\)のとき \(G(j\omega) = 1 + j\infty\) あおば ここでのポイントは\(\omega=0\)と\(\omega=\infty\)、実軸や虚数軸との交点を求めること! ラウスの安定判別法. これらを複素数平面上に描くとこのようになります. (2)グラフの左側に(-1, j0)があるので、この制御系は安定である. 今回は以上です。演習問題を通してナイキスト線図の安定判別法を理解できましたか? 次回も安定判別法の説明をします。お疲れさまでした。 参考 制御系の安定判別法について、より深く学びたい方は こちらの本 を参考にしてください。 演習問題も多く記載されています。 次の記事はこちら 次の記事 ラウス・フルビッツの安定判別法 自動制御 9.制御系の安定判別法(ラウス・フルビッツの安定判別法) 前回の記事はこちら 今回理解すること 前回の記事でナイキスト線図を使う安定判別法を説明しました。 今回は、ラウス・フルビッツの安定判... 続きを見る
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