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位相進み・遅れ補償

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第10章 制御系設計:根軌跡・PID・進み遅れ補償

AI 生成・木下が未勉強

制御工学入門 第10章 §10.3

要点

進み補償 C(s)=1+αTs1+TsC(s)=\dfrac{1+\alpha Ts}{1+Ts}(α>1\alpha>1):位相を進めて位相余裕を稼ぐ(速応性・安定性の改善)。最大位相 ϕm\phi_m とその周波数 ωm\omega_m は

sin⁡ϕm=α−1α+1,ωm=1Tα.\sin\phi_m=\frac{\alpha-1}{\alpha+1},\qquad \omega_m=\frac{1}{T\sqrt\alpha}.

遅れ補償(α<1\alpha<1):低周波ゲインを上げて定常偏差を減らす(高周波は触らず安定余裕を保つ)。

進み補償の最大位相

∠C(jω)=arctan⁡(αTω)−arctan⁡(Tω)\angle C(\mathrm{j}\omega)=\arctan(\alpha T\omega)-\arctan(T\omega)。 ⁣d∠C/ ⁣dω=0\mathop{}\!\mathrm{d}\angle C/\mathop{}\!\mathrm{d}\omega=0 を解くとωm=1/(Tα)\omega_m=1/(T\sqrt\alpha)(二つの折点 1/αT,1/T1/\alpha T,1/T の幾何平均)。そこでの位相は sin⁡ϕm=(α−1)/(α+1)\sin\phi_m=(\alpha-1)/(\alpha+1)。
(検算スクリプト で α=4⇒ϕm≈36.9∘\alpha=4\Rightarrow\phi_m\approx36.9^\circ を確認。)□

例題 10.1(演習10.1(進み補償の設計))

オリジナルある系の位相余裕が 20∘20^\circ しかない。進み補償で ϕm=37∘\phi_m=37^\circ を加えて余裕を増やしたい。補償器のパラメータ α\alpha を求め、その配置方針を述べよ。

解答

sin⁡37∘=0.60=α−1α+1\sin37^\circ=0.60=\dfrac{\alpha-1}{\alpha+1} を解くと α=1+0.61−0.6=4\alpha=\dfrac{1+0.6}{1-0.6}=4。補償器 C=1+4Ts1+TsC=\dfrac{1+4Ts}{1+Ts} の最大位相点 ωm=12T\omega_m=\dfrac{1}{2T} を、補償後の新しいゲイン交差周波数に合わせる(TT を選ぶ)。これで ωgc\omega_{\mathrm{gc}} 付近に +37∘+37^\circ が加わり、位相余裕が 20∘→20^\circ\to 約 57∘57^\circ に改善する(進みでゲインも上がるため ωgc\omega_{\mathrm{gc}} が少し右に動く分を見込んで反復調整する)。速応性を保ったまま安定余裕を確保する、進み補償の典型的な使い方である。

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