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対話型シミュレーター

進み遅れ補償器の Bode 線図設計シミュレーター

振幅線図・位相線図・極零配置を連動させ、零点と極の間隔が余裕にどう効くかを見ます。

パラメータ入力
補償器ゲイン K
dB

補償器全体のゲインです。

零点周波数 wz
rad/s

補償器の零点です(進み補償は wz < wp)。

極周波数 wp
rad/s

補償器の極です(遅れ補償は wz > wp)。

プラント帯域 w0
rad/s

対象プラント G(s)=w0²/(s(s+w0)) の帯域です。

プリセット:
ライブ数値
最大位相進み φm
φm の周波数 ωm
位相余裕 (補償後)
位相余裕 (補償前)
交差周波数 ωgc
補償器 DC ゲイン
Bode 振幅線図 — 補償前(灰) vs 補償後(青)
Bode 位相線図 — 位相バンプと位相余裕
極零配置 (s 平面)
物理モデルと主要式

$$C(s)=K\,\frac{1+s/\omega_z}{1+s/\omega_p},\qquad \alpha=\frac{\omega_z}{\omega_p}$$

$$\phi_m=\arcsin\!\frac{1-\alpha}{1+\alpha}\quad\text{at}\quad \omega_m=\sqrt{\omega_z\,\omega_p}$$

進み補償 (wz<wp) は ωz と ωp の幾何平均 ωm=√(ωz·ωp) で最大位相進み φm を作り、交差周波数付近に重ねることで位相余裕を改善します。遅れ補償 (wz>wp) は低周波ゲインを稼いで定常偏差を減らしますが、位相は局所的に下がります。振幅は ωm で −10·log₁₀α dB だけ持ち上がります。

読み取り方

振幅線図ではクロスオーバ付近でゲインがどう変わるかを見ます。

位相線図では零点と極の間で位相が持ち上がる山を確認します。

極零配置では極と零点が近すぎると補償効果が弱くなります。

会話で学ぶ進み遅れ補償器の Bode 線図設計

🙋
進み遅れ補償器の Bode 線図設計では、まずどこを見ればいいですか?補償器ゲイン Kを動かすと図も数値も同時に変わるので、少し迷います。
🎓
最初は位相補償量を見ます。ただし数字だけで判断せず、Bode振幅線図で前提の形や状態を確認し、Bode位相線図で分布や変化の出方を合わせて読みます。振幅線図ではクロスオーバ付近でゲインがどう変わるかを見ます。
🙋
補償器ゲイン Kを大きくすると位相補償量が変わりそうなのは分かります。では、零点周波数 wzはどのくらい効いていると考えればいいですか?
🎓
零点周波数 wzを少しずつ動かしてwcでの補償ゲインの動きを見ると、支配している項が見えてきます。進み補償は零点を極より低い周波数に置いて位相を持ち上げます。遅れ補償は低周波ゲインを稼ぎますが、帯域と応答速度に影響します。 1点の計算で終わらせず、実際にばらつきそうな範囲を往復させるのが大事です。
🙋
極零配置は何を見るための図ですか?普通のグラフだけでも判断できそうに見えます。
🎓
極零配置は、危険側に入る境界や、余裕が急に崩れる組み合わせを探すための図です。位相線図では零点と極の間で位相が持ち上がる山を確認します。 例えばPID前後の位相余裕改善では、単一点の値より「少し条件がずれたらどうなるか」が効きます。
🙋
では、位相補償量が基準内なら、この条件をそのまま採用してよいですか?
🎓
ここでは初期検討として扱います。Bode線図ベースの補償器初期設計や帯域拡大と安定余裕のトレードオフ確認には役立ちますが、最終判断では規格値、実測値、詳細解析、メーカー条件で確認してください。極零配置では極と零点が近すぎると補償効果が弱くなります。

実務での使い方

PID前後の位相余裕改善。

Bode線図ベースの補償器初期設計。

帯域拡大と安定余裕のトレードオフ確認。

よくある質問

位相補償量とwcでの補償ゲインを先に見ます。次にBode振幅線図で前提の状態を確認し、Bode位相線図で分布や変化の偏りを読みます。振幅線図ではクロスオーバ付近でゲインがどう変わるかを見ます。
補償器ゲイン Kを単独で動かしたあと、零点周波数 wzも同じ幅で動かして位相補償量の変化量を比べます。極零配置を見ると、どの組み合わせで余裕や性能が急に変わるかを把握できます。
PID前後の位相余裕改善に使います。単一点の数値ではなく、入力範囲を少し広げて位相補償量の余裕が保てるかを確認すると、詳細解析へ進む前の論点整理に役立ちます。
進み補償は零点を極より低い周波数に置いて位相を持ち上げます。遅れ補償は低周波ゲインを稼ぎますが、帯域と応答速度に影響します。最終判断では規格値、実測値、詳細解析、メーカー条件を確認してください。

使い方ガイド

  1. ゲインスライダー(gainVal)を0~20dBの範囲で調整し、全体のゲイン余裕目標を設定する
  2. 零点周波数(zeroVal)を0.1~100rad/sで、極点周波数(poleVal)を0.2~300rad/sで設定し、進み遅れ補償の時定数比を決定する
  3. クロスオーバー周波数(wcVal)を目標値(例:10rad/s)に合わせ、Bode線図の振幅線図で0dB軸との交点を確認する
  4. 画面上の極零配置図で補償極と零の位置を確認し、位相補償量が目標値(例:45°)以上になるまで調整する
  5. 位相余裕(PM)とゲイン余裕(GM)の推奨値(PM≧50°、GM≧10dB)を満たすことを確認して設計完了

具体的な計算例

鋼製圧延機の張力制御系を設計する場合、開ループ伝達関数G(s)=100/(s(s+5))で位相余裕PM=55°を目標とします。gainVal=12dB、zeroVal=2rad/s、poleVal=50rad/s、wc=7rad/sに設定すると、本ツールの位相補償量は約66°(atan(7/2)−atan(7/50))、wcでの補償ゲインは約23dB(うちゲインK=12dB)です。wcを7rad/sに設定したとき、Bode線図では振幅線図が0dBを通過し、その時の位相が-125°となり、PM=55°が達成されます。極零分離(pole/zero比)は25倍で安定性マージンが確保されます。

実務での注意点