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. 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. 伝達関数の基本要素と、よくある伝達関数例まとめ. 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.
\[ \lambda = -\zeta \omega \pm \omega \sqrt{\zeta^{2}-1} \tag{11} \] この時の右辺第2項に注目すると,ルートの中身の\(\zeta\)によって複素数になる可能性があることがわかります. ここからは,\(\zeta\)の値によって解き方を解説していきます. また,\(\omega\)についてはどの場合でも1として解説していきます. \(\zeta\)が1よりも大きい時\((\zeta = 2)\) \(\lambda\)にそれぞれの値を代入すると以下のようになります. 2次系伝達関数の特徴. \[ \lambda = -2 \pm \sqrt{3} \tag{12} \] このことから,微分方程式の基本解は \[ y(t) = e^{(-2 \pm \sqrt{3}) t} \tag{13} \] となります. 以下では見やすいように二つの\(\lambda\)を以下のように置きます. \[ \lambda_{+} = -2 + \sqrt{3}, \ \ \lambda_{-} = -2 – \sqrt{3} \tag{14} \] 微分方程式の一般解は二つの基本解の線形和になるので,\(A\)と\(B\)を任意の定数とすると \[ y(t) = Ae^{\lambda_{+} t} + Be^{\lambda_{-} t} \tag{15} \] 次に,\(y(t)\)と\(\dot{y}(t)\)の初期値を1と0とすると,微分方程式の特殊解は以下のようにして求めることができます. \[ y(0) = A+ B = 1 \tag{16} \] \[ \dot{y}(t) = A\lambda_{+}e^{\lambda_{+} t} + B\lambda_{-}e^{\lambda_{-} t} \tag{17} \] であるから \[ \dot{y}(0) = A\lambda_{+} + B\lambda_{-} = 0 \tag{18} \] となります. この2式を連立して解くことで,任意定数の\(A\)と\(B\)を求めることができます.
\[ Y(s)s^{2}+2\zeta \omega Y(s) s +\omega^{2} Y(s) = \omega^{2} U(s) \tag{5} \] 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. 二次遅れ系 伝達関数. 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. \[ \begin{eqnarray} \ddot{y}(t) &=& -2\zeta \omega \dot{y}(t)-\omega^{2} y(t)\\ \lambda^{2} e^{\lambda t} &=& -2\zeta \omega \lambda e^{\lambda t}-\omega^{2} e^{\lambda t}\\ (\lambda^{2}+2\zeta \omega \lambda+\omega^{2}) e^{\lambda t} &=& 0 \tag{10} \end{eqnarray} \] これを\(\lambda\)について解くと以下のようになります.
二次遅れ要素 よみ にじおくれようそ 伝達関数表示が図のような制御要素。二次遅れ要素の伝達関数は、分母が $$s$$ に関して二次式の表現となる。 $$K$$ は ゲイン定数 、 $$\zeta$$ は 減衰係数 、 $$\omega_n$$ は 固有振動数 (固有角周波数)と呼ばれ、伝達要素の特徴を示す重要な定数である。二次遅れ要素は、信号の周波数成分が高くなるほど、位相を遅れさせる特性を持っている。位相の変化は、 0° から- 180° の範囲である。 二次振動要素とも呼ばれる。 他の用語を検索する カテゴリーから探す
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