0 0 0 0 y c - ` x1r6 ep[f - control systems...

40
ラプラス変換 情報制御数学

Upload: nguyenmien

Post on 09-Apr-2018

230 views

Category:

Documents


7 download

TRANSCRIPT

Page 1: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換情報制御数学

Page 2: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換情報制御数学

5/12 5.0 なぜラプラス変換を考えるのか5.1 ラプラス変換の定義5.2 基本的な時間関数のラプラス変換(5.3 ラプラス変換とフーリエ変換)

5/19 5.4 ラプラス変換の性質5.5 複素積分を用いない逆ラプラス変換

5/26 5.5 複素積分を用いない逆ラプラス変換5.6 ラプラス変換と微分方程式

6/2 5.6 ラプラス変換と微分方程式

6/9 試験: 複素解析, ラプラス変換

資料など http://csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/

Page 3: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

教科書 例題 5.10, 11 と同様のマス-バネ-ダンパ系:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

運動方程式:

バネはのびに比例した抵抗力: kx(t)ダンパは速度に比例した抵抗力: dx(t)

mx(t) = f(t)− kx(t)− dx(t)

Page 4: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

運動方程式: mx(t) + kx(t) + dx(t) = f(t)

ラプラス変換して:

X(s) =1

ms2 + ds + kF (s)

+ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

Page 5: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 3, k = 2 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

Page 6: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 3, k = 2 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

X(s) =s+ 3

s2 + 3s+ 2=

s+ 3

(s+ 1)(s + 2)= 2

1

s+ 1− 1

s+ 2

x(t) = 2e−t − e−2t

d = 3 6= 0: 減衰ありms2 + ds+ k = 0 が, 相異なる実数根 (s = −1,−2 をもつ場合)

Page 7: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 0, k = 4 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

Page 8: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 0, k = 4 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

X(s) =s

s2 + 4=

s

s+ 22

x(t) = cos 2t

d = 0: 減衰なしms2 + ds+ k = 0 が, 虚数 (の共役) 根 (s = ±2j) をもつ場合

Page 9: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 2, k = 5 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

Page 10: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 2, k = 5 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

X(s) =s+ 2

s2 + 2s+ 5=

s+ 2

(s+ 1)2 + 4

Page 11: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

X(s) =s+ 2

s2 + 2s + 5=

s+ 2

(s + 1)2 + 4

L[ e−at sinωt ] =ω

(s+ a)2 + ω2

L[ e−at cosωt ] =s+ a

(s+ a)2 + ω2

X(s) =s+ 2

(s + 1)2 + 4

=s+ 1

(s + 1)2 + 22+

1

2

2

(s+ 1)2 + 22

x(t) = e−t cos 2t+1

2e−t sin 2t

Page 12: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換と微分方程式5.6 ラプラス変換と微分方程式

f(t) = 0, x(0) = 0, x(0) = 1 かつm = 1, d = 2, k = 5 の時の解

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

m

-

x = 0

-f(t)

x

d

k

X(s) =1

ms2 + ds+ kF (s) +

ms+ d

ms2 + ds+ kx(0) +

m

ms2 + ds+ kx(0)

X(s) =s+ 2

s2 + 2s+ 5=

s+ 1

(s+ 1)2 + 22+

1

2

2

(s+ 1)2 + 22

x(t) = e−t cos 2t+1

2e−t sin 2t

d = 2 6= 0: 減衰ありms2 + ds+ k = 0 が, 複素 (共役) 根 (s = −1± 2j をもつ場合)

Page 13: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換情報制御数学

5/12 5.0 なぜラプラス変換を考えるのか5.1 ラプラス変換の定義5.2 基本的な時間関数のラプラス変換(5.3 ラプラス変換とフーリエ変換)

5/19 5.4 ラプラス変換の性質5.5 複素積分を用いない逆ラプラス変換

5/26 5.5 複素積分を用いない逆ラプラス変換5.6 ラプラス変換と微分方程式

6/2 5.6 ラプラス変換と微分方程式

6/9 試験: 複素解析, ラプラス変換

資料など http://csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/

Page 14: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

シリコンウエハ搬送ロボット

サンプル動画

Page 15: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

シリコンウエハ搬送ロボット

Motor1,2

Hand

Traslatory direction

Ho

rizo

nta

l dir

ecti

on

Motor 1

Motor 2

Page 16: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

シリコンウエハ搬送ロボット

Motor1

Motor2

Pulley1

Pulley2

Steel Belt

Pulley3

Link1

Link2

Link3

Shaft1

Hand

Steel Belt

Shaft2

Motor 1

Motor 2

Page 17: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

サンプル動画

Page 18: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

va

Ra Laia

if

vb

Tm

Jm Bm

ρ

θm

Tl

Jl Bl

θl

Page 19: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

va

Ra Laia

if

vb

Tm

Jm Bm

ρ

θm

Tl

Jl Bl

θl

記号 単位 意味

θm [ rad ] モータ回転角

va [ V ] 電機子電圧

ia [ A ] 電機子電流

La [ H ] 電機子インダクタンス

Ra [ Ω ] 電機子抵抗

Tm [ Nm ] モータ発生トルク

kT [ Nm/A ] トルク定数

vb [ V ] 逆起電力

kb [ Vs/rad ] 逆起電力定数

記号 単位 意味

Jm [ Kgm2 ] モータ側慣性モーメント

Bm [ Nms/rad ] モータ側粘性抵抗

A – アンプ増幅率

u [ V ] 入力電圧

ρ – 減衰比

θl [ rad ] 負荷回転角

Tl [ Nm ] 負荷側トルク

Jl [ Kgm2 ] 負荷側慣性モーメント

Bl [ Nms/rad ] 負荷側粘性抵抗

Page 20: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

va

Ra Laia

if

vb

Tm

Jm Bm

ρ

θm

Tl

Jl Bl

θl

Page 21: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

va

Ra Laia

if

vb

Tm

Jm Bm

ρ

θm

Tl

Jl Bl

θl

DC モータの運動方程式

va = Raia + La

diadt

+ vb

va = Au

vb = kbdθmdt

Tm = Jmd2θmdt2

+Bm

dθmdt

+ Tl

Tm = kT ia

Tl = Jld2θldt2

+Bl

dθldt

θm = ρθl

Page 22: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

va = Raia + La

diadt

+ vb

va = Au

vb = kbdθmdt

Tm = Jmd2θmdt2

+Bm

dθmdt

+ Tl

Tm = kT ia

Tl = Jld2θldt2

+Bl

dθldt

θm = ρθl

Page 23: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

va = Raia + La

diadt

+ vb

va = Au

vb = kbdθmdt

Tm = Jmd2θmdt2

+Bm

dθmdt

+ Tl

Tm = kT ia

Tl = Jld2θldt2

+Bl

dθldt

θm = ρθl

DC モータの伝達関数: P (s)

θl(s) = P (s)u(s)

=kTA

ρs(Jms+Bm)(Las+Ra) + ρkTkbs+ s(Jls+Bl)(Las+Ra)u(s)

Page 24: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御DC モータの伝達関数: P (s)

θl(s) = P (s)u(s)

=kTA

ρs(Jms+Bm)(Las+Ra) + ρkTkbs+ s(Jls+Bl)(Las+Ra)u(s)

Page 25: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御DC モータの伝達関数: P (s)

θl(s) = P (s)u(s)

=kTA

ρs(Jms+Bm)(Las+Ra) + ρkTkbs+ s(Jls+Bl)(Las+Ra)u(s)

DC モータの La は非常に小さいので: La = 0

P (s) =K

Js2 +Bs

K =kTA

Ra

, J = ρJm + Jl, B = ρBm +Bl +ρkTkbRa

Page 26: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御DC モータの伝達関数: P (s)

θl(s) = P (s)u(s)

=kTA

ρs(Jms+Bm)(Las+Ra) + ρkTkbs+ s(Jls+Bl)(Las+Ra)u(s)

DC モータの La は非常に小さいので: La = 0

P (s) =K

Js2 +Bs

K =kTA

Ra

, J = ρJm + Jl, B = ρBm +Bl +ρkTkbRa

あるいは

P (s) =ω2

n

s2 + 2ζωnsωn =

K

J, ζ =

B

2√KJ

Page 27: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

DC モータの伝達関数:

P (s) =ω2

n

s2 + 2ζωns

Page 28: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

DC モータの伝達関数:

P (s) =ω2

n

s2 + 2ζωns

DC モータθl u

Page 29: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

DC モータの伝達関数:

P (s) =ω2

n

s2 + 2ζωns

DC モータθl u P (s)θl u

Page 30: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

DC モータの伝達関数:

P (s) =ω2

n

s2 + 2ζωns

DC モータθl u P (s)θl u

フィードバック制御系

ju kP (s)

6

−ruθl

Page 31: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

DC モータの伝達関数:

P (s) =ω2

n

s2 + 2ζωns

DC モータθl u P (s)θl u

フィードバック制御系

ju kP (s)

6

−ruθl

フィードバック制御系の伝達関数

θl(s) = T (s)r(s) =kω2

n

s2 + 2ζωns+ kω2n

r(s)

Page 32: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

DC モータ (θl(s) = P (s)u(s)) のフィードバック制御系 (θl(s) =

T (s)r(s))にステップ入力 r(t) =π

2× u(t)を加えたときの応答 θl(t)

を求める.

θl(s) = T (s)r(s) =kω2

n

s2 + 2ζωns+ kω2n

π

2

1

s

θl(s) =π

2

[

1

s− s+ ζωn

(s+ ζωn)2 + (√

k − ζ2ωn)2

− ζ√

k − ζ2

k − ζ2ωn

(s+ ζωn)2 + (√

k − ζ2ωn)2

]

Page 33: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御 DC モータ (θl(s) = P (s)u(s)) のフィードバック制御系 (θl(s) =

T (s)r(s))にステップ入力 r(t) =π

2× u(t)を加えたときの応答 θl(t)

を求める.

θl(s) =π

2

[

1

s− s+ ζωn

(s+ ζωn)2 + (√

k − ζ2ωn)2

− ζ√

k − ζ2

k − ζ2ωn

(s+ ζωn)2 + (√

k − ζ2ωn)2

]

θl(t) =π

2[u(t)−e−ζωnt cos

k − ζ2ωnt

− ζ√

k − ζ2e−ζωnt sin

k − ζ2ωnt

]

Page 34: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

DC モータの位置決め制御

ju kP (s)

6

−ruθl

θl(t) =π

2[u(t)−e−ζωnt cos

k − ζ2ωnt

− ζ√

k − ζ2e−ζωnt sin

k − ζ2ωnt

]

サンプル動画

Page 35: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

情報制御数学

情報工学・計測工学・制御工学において必要とされる基礎的な数学手法として, 複素解析, 行列とベクトル, フーリエ解析, ラプラス変換について学習する. 定理や公式を理解するだけでなく, 例題や演習を通して問題に対する解法を習熟する.

Page 36: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

情報制御数学

4/14, 21, 4/28 複素解析 (平田, 田中)

5/12, 19, 26, 6/2 ラプラス変換 (平田, 田中)

6/9 試験 1

6/16, 23, 6/30 フーリエ解析 (明田川, 倉橋)

7/7, 14, 21, 28 行列とベクトル (明田川, 倉橋)

8/4 試験 2

成績評価 前半分 50 点 (宿題レポート 20 %, 試験 80 %)後半分 50 点 (宿題レポート 20 %, 試験 80 %)

Page 37: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

複素解析情報制御数学

4/14 複素数複素数, 絶対値, 偏角, 極座標表示, Euler の公式2.1 記法, 2.2 複素数の復習, 2.5.1 指数関数, 2.5.4 対数関数

4/21 複素関数, 複素関数の微分Cauchy-Riemann の関係式, 正則関数2.3 複素関数, 2.4 複素微分と正則関数, 2.5.2 三角関数

4/28 複素関数の積分複素関数の積分, Cauchy の積分定理2.6 複素微分と正則関数

6/9 試験: 複素解析, ラプラス変換

資料など http://csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/

Page 38: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

ラプラス変換情報制御数学

5/12 5.0 なぜラプラス変換を考えるのか5.1 ラプラス変換の定義5.2 基本的な時間関数のラプラス変換(5.3 ラプラス変換とフーリエ変換)

5/19 5.4 ラプラス変換の性質5.5 複素積分を用いない逆ラプラス変換

5/26 5.5 複素積分を用いない逆ラプラス変換5.6 ラプラス変換と微分方程式

6/2 5.6 ラプラス変換と微分方程式

6/9 試験: 複素解析, ラプラス変換

資料など http://csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/

Page 39: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

試 験複素解析, ラプラス変換

複素数, 複素関数 極座標表示, Euler の公式

複素関数の微分 Cauchy-Riemann の関係式

複素関数の積分 簡単な複素関数の積分

教科書 例題 5.7-11 などは, 必ず一度解いておくこと

Page 40: 0 0 0 0 Y c - ` X1R6 ep[f - Control Systems Laboratory.csl.nagaokaut.ac.jp/course/mic11/slide/slide70.pdfラプラス変換 情報制御数学 5/12 5.0なぜラプラス変換を考えるのか

試 験複素解析, ラプラス変換

複素数, 複素関数 極座標表示, Euler の公式

複素関数の微分 Cauchy-Riemann の関係式

複素関数の積分 簡単な複素関数の積分

ラプラス変換の定義を把握しておくと

基本的な時間関数のラプラス変換が計算できること

部分分数展開により, 微分方程式を解くことができることラプラス変換表 (表 5.1, 2, 3) を使いこなすことができること

ラプラス変換表を暗記する必要はない

教科書 例題 5.7-11 などは, 必ず一度解いておくこと