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\[ \lambda = -\zeta \omega \pm \omega \sqrt{\zeta^{2}-1} \tag{11} \] 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. 二次遅れ系 伝達関数 共振周波数. \[ \lambda = -2 \pm \sqrt{3} \tag{12} \] 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.
\[ y(t) = (At+B)e^{-t} \tag{24} \] \[ y(0) = B = 1 \tag{25} \] \[ \dot{y}(t) = Ae^{-t} – (At+B)e^{-t} \tag{26} \] \[ \dot{y}(0) = A – B = 0 \tag{27} \] \[ A = 1, \ \ B = 1 \tag{28} \] \[ y(t) = (t+1)e^{-t} \tag{29} \] \(\zeta\)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. \[ \begin{eqnarray} y(t) &=& e^{-0. 75} t}) \\ &=& e^{-0. 5 t} \{A(\cos {\sqrt{0. 75} t} +i \sin {\sqrt{0. 75} t}) + B(\cos {\sqrt{0. 75} t} -i \sin {\sqrt{0. 75} t})\} \\ &=& e^{-0. 5 t} \{(A+B)\cos {\sqrt{0. 75} t}+i(A-B)\sin {\sqrt{0. 75} t}\} \tag{35} \end{eqnarray} \] ここで,\(A+B=\alpha, \ \ i(A-B)=\beta\)とすると \[ y(t) = e^{-0. 5 t}(\alpha \cos {\sqrt{0. 二次遅れ要素とは - E&M JOBS. 75} t}+\beta \sin {\sqrt{0.
\[ Y(s)s^{2}+2\zeta \omega Y(s) s +\omega^{2} Y(s) = \omega^{2} U(s) \tag{5} \] 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. 二次遅れ系 伝達関数. \[ \ddot{y}(t) = -2\zeta \omega \dot{y}(t)-\omega^{2} y(t) \tag{8} \] 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.
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。...