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フィードバック制御の基本md 17af137
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フィードバック制御せいぎょ基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_3f51b086dfd6a2aef83c7d4db9ad36cadescription負帰還、閉ループ伝達関数、極と安定性、比例制御の定常偏差を説明する。prerequisites微分方程式の基本 / ラプラス変換の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/information/control/control-engineering-portal.lecture.n.md / data/lecture/information/control/state-equation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、測定そくていした出力しゅつりょく目標値もくひょうち比較ひかくし、その誤差ごさから入力にゅうりょく決定けっていする負帰還制御ふきかんせいぎょ説明せつめいする。線形時不変せんけいじふへん一入力一出力いちにゅうりょくいちしゅつりょくシステムを対象たいしょうとし、へいループ伝達関数でんたつかんすうきょく安定性あんていせい定常偏差ていじょうへんさ導出どうしゅつする。

data/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md

2構成要素こうせいようそ

制御対象せいぎょたいしょうPlantとは、入力にゅうりょく u(t) によって出力しゅつりょく y(t)変化へんかさせる対象たいしょうである。目標値もくひょうちReference r(t)出力しゅつりょく要求ようきゅうするあたい誤差ごさError e(t)=r(t)-y(t)目標値もくひょうち測定出力そくていしゅつりょくである。したがって ryおな物理次元ぶつりじげんち、eおな次元じげんつ。

制御器せいぎょきController誤差ごさから入力にゅうりょく生成せいせいする。制御対象せいぎょたいしょう伝達関数でんたつかんすうG(s)制御器せいぎょきC(s) とする。伝達関数でんたつかんすうは、初期値しょきちを 0 とした LTI システムにおける出力しゅつりょく入力にゅうりょくのラプラス変換へんかんである。

外乱がいらんDisturbanceとは、制御対象せいぎょたいしょう作用さようするが制御器せいぎょき直接決定ちょくせつけっていしない入力にゅうりょくである。外乱がいらん測定雑音そくていざつおんへの応答おうとう重要じゅうようであるが、まず目標値もくひょうちから出力しゅつりょくまでの関係かんけい導出どうしゅつする。

3へいループ伝達関数でんたつかんすう

単位負帰還たんいふきかん仮定かていすると、

E(s)=R(s)-Y(s),U(s)=C(s)E(s),Y(s)=G(s)U(s)

である。これらを消去しょうきょすると、

Y(s)=G(s)C(s){R(s)-Y(s)}

であるから、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]T(s)=Y(s)R(s)=G(s)C(s)1+G(s)C(s)

る。L(s)=G(s)C(s)ループ伝達関数でんたつかんすうLoop transfer functionという。このしきは、ブロックの接続せつぞく適切てきせつ定義ていぎされ、1+L(s)恒等的こうとうてきに 0 ではないことを前提ぜんていとする。

4きょく安定性あんていせい

きょくPoleとは、約分後やくぶんご有理伝達関数ゆうりでんたつかんすう発散はっさんさせる sあたいである。BIBO 安定あんていBounded-input bounded-output stabilityとは、すべての有界入力ゆうかいにゅうりょくたいして出力しゅつりょく有界ゆうかいとなる性質せいしつである。

有限次元ゆうげんじげん因果的いんがてき連続時間れんぞくじかん LTI システムのしんにプロパーな有理伝達関数ゆうりでんたつかんすうでは、すべてのきょく実部じつぶなら BIBO 安定あんていである。右半平面みぎはんへいめんきょく発散成分はっさんせいぶんを、虚軸上きょじくじょうきょく一般いっぱんに BIBO 安定性あんていせい欠如けつじょしめす。不安定ふあんてい極零相殺きょくれいそうさい内部状態ないぶじょうたいかくるため、入出力伝達関数にゅうしゅつりょくでんたつかんすう約分やくぶんだけでは内部安定性ないぶあんていせい保証ほしょうできない。

負帰還ふきかんという符号ふごうだけで安定性あんていせい保証ほしょうされるわけではない。へいループの特性方程式とくせいほうていしき 1+L(s)=0 について、こん複素平面上ふくそへいめんじょう位置いち確認かくにんする必要ひつようがある。

5一次遅いちじおくけい比例制御ひれいせいぎょ

制御対象せいぎょたいしょう

G(s)=Kτs+1,τ>0

とし、比例制御器ひれいせいぎょき C(s)=kpもちいる。Kkp無次元むじげんのループゲインであるとする。このとき、

T(s)=Kkpτs+1+Kkp

であり、へいループのきょく

s=-1+Kkpτ

である。したがって 1+Kkp>0 なら安定あんていであり、Kkp>0範囲はんいではゲインを増加ぞうかさせるとこの理想模型りそうもけい応答おうとう高速化こうそくかする。

単位たんいステップ目標値もくひょうちたいし、へいループが安定あんてい最終値定理さいしゅうちていり条件じょうけんたすなら、

ess=11+Kkp

となる。比例ひれいゲインを有限ゆうげんたもかぎり、定常偏差ていじょうへんさ一般いっぱんに 0 ではない。ゲインの増加ぞうかはモデル誤差ごさ雑音ざつおん飽和ほうわへの感度かんどにも影響えいきょうするため、応答速度おうとうそくどだけで決定けっていできない。

6要点ようてん

  • 負帰還ふきかんでは誤差ごさ e=r-y制御器せいぎょき入力にゅうりょくする。
  • 単位負帰還たんいふきかんへいループ伝達関数でんたつかんすうGC/(1+GC) である。
  • 安定性あんていせい負帰還ふきかんという名称めいしょうではなく、へいループのきょくから判定はんていする。
  • 比例制御ひれいせいぎょには応答速度おうとうそくど定常偏差ていじょうへんさ雑音ざつおん飽和ほうわかんするトレードオフがある。

7つぎすす講義こうぎ

data/lecture/information/control/state-equation-basics.lecture.n.md

Feedback Control Fundamentals

data/lecture/information/control/control-engineering-portal.lecture.n.md

1Introduction

This lecture explains negative-feedback control, in which a measured output is compared with a reference and the resulting error determines the input. For a linear time-invariant single-input single-output system, it derives the closed-loop transfer function and examines poles, stability, and steady-state error.

data/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md

2Components

A plantPlant is the object whose output y(t) is changed by an input u(t). A referenceReference r(t) is the desired output, and the errorError e(t)=r(t)-y(t) is the difference between the reference and measured output. Consequently, r and y have the same physical dimension, and so does e.

A controllerController generates the input from the error. Let the plant transfer function be G(s) and the controller be C(s). A transfer function is the ratio of the Laplace transform of output to that of input for an LTI system under zero initial conditions.

A disturbanceDisturbance is an input that acts on the plant but is not directly chosen by the controller. Responses to disturbances and measurement noise are important, but we first derive the relation from reference to output.

3Closed-Loop Transfer Function

Under unity negative feedback,

E(s)=R(s)-Y(s),U(s)=C(s)E(s),Y(s)=G(s)U(s).

Eliminating the intermediate variables gives

Y(s)=G(s)C(s){R(s)-Y(s)},

and hence

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]T(s)=Y(s)R(s)=G(s)C(s)1+G(s)C(s).

L(s)=G(s)C(s) is the loop transfer functionLoop transfer function. This expression assumes that the block interconnection is well defined and that 1+L(s) is not identically zero.

4Poles and Stability

A polePole is a value of s at which a rational transfer function in reduced form becomes unbounded. BIBO stabilityBounded-input bounded-output stability means that every bounded input produces a bounded output.

For a finite-dimensional, causal, continuous-time LTI system with a strictly proper rational transfer function, all poles in the open left half-plane imply BIBO stability. A right-half-plane pole produces a divergent component, while an imaginary-axis pole generally prevents BIBO stability. An unstable pole-zero cancellation can hide internal state, so reduction of an input-output transfer function alone does not guarantee internal stability.

Negative feedback does not guarantee stability merely by its sign. The locations of the roots of the closed-loop characteristic equation 1+L(s)=0 in the complex plane must be examined.

5Proportional Control of a First-Order Plant

Let

G(s)=Kτs+1,τ>0,

and use the proportional controller C(s)=kp. Assume that Kkp is a dimensionless loop gain. Then

T(s)=Kkpτs+1+Kkp,

whose closed-loop pole is

s=-1+Kkpτ.

The system is therefore stable when 1+Kkp>0. Within the range Kkp>0, increasing the gain accelerates the response of this ideal model.

For a unit-step reference, if the closed loop is stable and the conditions of the final-value theorem hold, then

ess=11+Kkp.

The steady-state error is generally nonzero for finite proportional gain. Increasing gain also affects sensitivity to modeling error, noise, and saturation, so response speed alone cannot determine the gain.

6Key Points

  • Negative feedback supplies the error e=r-y to the controller.
  • Under unity feedback, the closed-loop transfer function is GC/(1+GC).
  • Stability is determined from the closed-loop poles, not from the label “negative feedback.”
  • Proportional control involves trade-offs among response speed, steady-state error, noise, and saturation.

7Next Lecture

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