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17 マザー・テレサ書簡集 平和をもたらすため Simoun 第14話 キミはオレだけのモノ 熱湯! !ローション風呂 裏ブロンド生ハメ 114 Honey★Honey☆Lover 2 にくしょく恐竜 3〜6歳向き くろねこ軒のさくさく、ほろほろ欧風クッキー 贅沢な時間を楽しむ、本当においしいレシピ 第48話 項羽と劉邦 King's War いちご文学館・1期 全10巻 チャールズ・M・シュルツ勇気が出る言葉 炎の孕ませ同級生 第2話 野望はどこまでも 御意見無用-36 凌辱電影 永遠まで 現代ロシア法 大人になる呪文新学期 2 うしろからハメられる101人のロ●ータ少女4時間 ラパン (クリアパープル) 源氏物語表現構造と水脈 個別えっち指導塾 GENERATIONS from EXILE TRIBE/Always with you(DVD付) ハレムの彼方に陽が昇る-望郷の念に涙して マコちゃん絵日記(13) デイリーアウトドア 自然とつながって心ゆたかに暮らそう ムヒョとロージーの魔法律相談事務所 6
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.
001 [A]を用いて,以下において,電流の単位を[A]で表す. 左下図のように,電流と電圧について7個の未知数があるが,これを未知数7個・方程式7個の連立方程式として解かなくても,次の手順で順に求ることができる. V 1 → V 2 → I 2 → I 3 → V 3 → V 4 → I 4 オームの法則により V 1 =I 1 R 1 =2 V 2 =V 1 =2 V 2 = I 2 R 2 2=10 I 2 I 2 =0. 2 キルヒホフの第1法則により I 3 =I 1 +I 2 =0. 1+0. 2=0. 3 V 3 =I 3 R 3 =12 V 4 =V 1 +V 3 =2+12=14 V 4 = I 4 R 4 14=30 I 4 I 4 =14/30=0. 467 [A] I 4 =467 [mA]→【答】(4) キルヒホフの法則を用いて( V 1, V 2, V 3, V 4 を求めず), I 2, I 3, I 4 を未知数とする方程式3個,未知数3個の連立方程式として解くこともできる. 1. 物理法則から状態方程式を導く | 制御系CAD. 右側2個の接続点について,キルヒホフの第1法則を適用すると I 1 +I 2 =I 3 だから 0. 1+I 2 =I 3 …(1) 上の閉回路について,キルヒホフの第2法則を適用すると I 1 R 1 −I 2 R 2 =0 だから 2−10I 2 =0 …(2) 真中のの閉回路について,キルヒホフの第2法則を適用すると I 2 R 2 +I 3 R 3 −I 4 R 4 =0 だから 10I 2 +40I 3 −30I 4 =0 …(3) (2)より これを(1)に代入 I 3 =0. 3 これらを(3)に代入 2+12−30I 4 =0 [問題4] 図のように,既知の電流電源 E [V],未知の抵抗 R 1 [Ω],既知の抵抗 R 2 [Ω]及び R 3 [Ω]からなる回路がある。抵抗 R 3 [Ω]に流れる電流が I 3 [A]であるとき,抵抗 R 1 [Ω]を求める式として,正しのは次のうちどれか。 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成18年度「理論」問6 未知数を分かりやすくするために,左下図で示したように電流を x, y ,抵抗 R 1 を z で表す. 接続点 a においてキルヒホフの第1法則を適用すると x = y +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 x z + y R 2 =E …(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 y R 2 −I 3 R 3 =0 …(3) y = x = +I 3 =I 3 これらを(2)に代入 I 3 z + R 2 =E I 3 z =E−I 3 R 3 z = (E−I 3 R 3)= ( −R 3) = ( −1) →【答】(5) [問題5] 図のような直流回路において,電源電圧が E [V]であったとき,末端の抵抗の端子間電圧の大きさが 1 [V]であった。このとき電源電圧 E [V]の値として,正しのは次のうちどれか。 (1) 34 (2) 20 (3) 14 (4) 6 (5) 4 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成15年度「理論」問6 左下図のように未知の電流と電圧が5個ずつありますが,各々の抵抗が分かっているから,オームの法則 V = I R (またはキルヒホフの第2法則)を用いると電流 I ・電圧 V のいずれか一方が分かれば,他方は求まります.
1を用いて (41) (42) のように得られる。 ここで,2次系の状態方程式が,二つの1次系の状態方程式 (43) に分離されており,入力から状態変数への影響の考察をしやすくなっていることに注意してほしい。 1. 4 状態空間表現の直列結合 制御対象の状態空間表現を求める際に,図1. 15に示すように,二つの部分システムの状態空間表現を求めておいて,これらを 直列結合 (serial connection)する場合がある。このときの結合システムの状態空間表現を求めることを考える。 図1. 15 直列結合() まず,その結果を定理の形で示そう。 定理1. 2 二つの状態空間表現 (44) (45) および (46) (47) に対して, のように直列結合した場合の状態空間表現は (48) (49) 証明 と に, を代入して (50) (51) となる。第1式と をまとめたものと,第2式から,定理の結果を得る。 例題1. 2 2次系の制御対象 (52) (53) に対して( は2次元ベクトル),1次系のアクチュエータ (54) (55) を, のように直列結合した場合の状態空間表現を求めなさい。 解答 定理1. 2を用いて,直列結合の状態空間表現として (56) (57) が得られる 。 問1. 4 例題1. 2の直列結合の状態空間表現を,状態ベクトルが となるように求めなさい。 *ここで, 行列の縦線と横線, 行列の横線は,状態ベクトルの要素 , のサイズに適合するように引かれている。 演習問題 【1】 いろいろな計測装置の基礎となる電気回路の一つにブリッジ回路がある。 例えば,図1. 16に示すブリッジ回路 を考えてみよう。この回路方程式は (58) (59) で与えられる。いま,ブリッジ条件 (60) が成り立つとして,つぎの状態方程式を導出しなさい。 (61) この状態方程式に基づいて,平衡ブリッジ回路のブロック線図を描きなさい。 図1. キルヒホッフの法則 | 電験3種Web. 16 ブリッジ回路 【2】 さまざまな柔軟構造物の制振問題は,重要な制御のテーマである。 その特徴は,図1. 17に示す連結台車 にもみられる。この運動方程式は (62) (63) で与えられる。ここで, と はそれぞれ台車1と台車2の質量, はばね定数である。このとき,つぎの状態方程式を導出しなさい。 (64) この状態方程式に基づいて,連結台車のブロック線図を描きなさい。 図1.
そこで,右側から順に電圧⇔電流を「将棋倒しのように」求めて行けます. 内容的には, x, y, z, s, t, E の6個の未知数からなる6個の方程式の連立になりますが,これほど多いと混乱し易いので,「筋道を立てて算数的に」解く方が楽です. 末端の抵抗 0. 25 [Ω]に加わる電圧が 1 [V]だから,電流は =4 [A] したがって z =4 [A] Z =4×0. 25=1 [V] 右端の閉回路にキルヒホフの第2法則を適用 0. 25×4+0. 25×4−0. 5 t =0 t =4 ( T =2) y =z+t=8 ( Y =4) 真中の閉回路にキルヒホフの第2法則を適用 0. 5y+0. 5t−1 s =0 s =4+2=6 ( S =6) x =y+s=8+6=14 ( X =14) 1x+1s= E E =14+6=20 →【答】(2) [問題6] 図のように,可変抵抗 R 1 [Ω], R 2 [Ω],抵抗 R x [Ω],電源 E [V]からなる直流回路がある。次に示す条件1のときの R x [Ω]に流れる電流 I [A]の値と条件2のときの電流 I [A]の値は等しくなった。このとき, R x [Ω]の値として,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。 条件1: R 1 =90 [Ω], R 2 =6 [Ω] 条件2: R 1 =70 [Ω], R 2 =4 [Ω] (1) 1 (2) 2 (3) 4 (4) 8 (5) 12 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成23年度「理論」問7 左下図のように未知数が電流 x, y, s, t, I ,抵抗 R x ,電源 E の合計7個ありますが, I は E に比例するため, I, E は定まりません. x, y, s, t, R x の5個を未知数として方程式を5個立てれば解けます. (これらは I を使って表されます.) x = y +I …(1) s = t +I …(2) 各々の小さな閉回路にキルヒホフの第2法則を適用 6 y −I R x =0 …(3) 4 t −I R x =0 …(4) 各々大回りの閉回路にキルヒホフの第2法則を適用 90 x +6 y =(E)=70 s +4 t …(5) (1)(2)を(5)に代入して x, s を消去する 90( y +I)+6 y =70( t +I)+4 t 90 y +90I+6 y =70 t +70I+4 t 96 y +20I=74 t …(5') (3)(4)より 6 y =4 t …(6) (6)を(5')に代入 64 t +20I=74 t 20I=10 t t =2I これを戻せば順次求まる s =t+I=3I y = t= I x =y+I= I+I= I R x = = =8 →【答】(4)
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. 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.