始点: K=0 → 開ループ極
終点: K→∞ → 開ループ零点(残りは無限遠)
漸近線角度: $(2k+1) \cdot \dfrac{180°}{n-m}$, $k=0,1,...,n-m-1$
重心: $\sigma_a = \dfrac{\sum p_i - \sum z_i}{n-m}$
安定条件: 全ての閉ループ極が左半平面に存在
開ループ極・零点を設定してゲインKを変化させたときのs平面上の根軌跡をリアルタイム描画。漸近線・安定余裕・ステップ応答を自動計算。
始点: K=0 → 開ループ極
終点: K→∞ → 開ループ零点(残りは無限遠)
漸近線角度: $(2k+1) \cdot \dfrac{180°}{n-m}$, $k=0,1,...,n-m-1$
重心: $\sigma_a = \dfrac{\sum p_i - \sum z_i}{n-m}$
安定条件: 全ての閉ループ極が左半平面に存在
サーボモータ制御:位置決め精度と応答速度を両立させるために、根軌跡を用いて最適な比例ゲイン$K_p$の範囲を決定します。極が複素平面の左半面で、かつ適度な減衰比を持つ領域を根軌跡から探し出します。
ロボットアームの振動抑制:アームの構造的な柔らかさ(弾性)は複素共役極としてモデル化されます。根軌跡法で、この振動モードを十分に減衰させながら、剛体モードの応答も速くするゲイン値を視覚的に選択できます。
自動車のアクティブサスペンション:乗り心地(車体振動)と接地性(タイヤの動き)はトレードオフの関係にあります。零点と極の配置を変えた複数のコントローラ案を、根軌跡で比較し、最適な性能バランスを与える設計を素早く選定します。
CAE連携による詳細設計:機械系の制御設計では、まずこのようなツールで根軌跡法を用いて大まかなゲイン範囲と安定余裕を把握します。その後、MATLAB/SimulinkやPythonのcontrolライブラリで高精度なモデルを用いたシミュレーションや周波数応答解析に進み、設計を詰めていくのが一般的なワークフローです。
このツールを使い始めるときに、いくつか気をつけてほしいポイントがあるよ。まず「極や零点を実軸上にしか置かない」というのはもったいない。実軸上の極だけだと、応答は振動しないオーバーシュートのない動きになる。でも、実務で速い応答を求めると、どうしても適度な振動(減衰振動)を許容して複素共役極を狙う必要が出てくる。例えば、極を実軸の-2と-3に置くのと、-2±2jに置くのとで、ステップ応答がどう変わるか、このツールでぜひ比べてみて。
次に、「零点はなんでも安定性を良くする」という誤解。確かに左半面の零点(安定零点)は応答を速くする効果があるけど、右半面にある不安定零点は非常に扱いが難しい。例えば、極が-1と-5で、零点を+2(右半面)に置いてKを上げていくと、軌跡がすぐに右半面に入って不安定になる様子が確認できる。これは非最小位相系と呼ばれ、実機では逆応答を示す現象の原因になるんだ。
最後に、「根軌跡が全てを教えてくれる」と思わないこと。根軌跡は過渡応答の特性(安定性、振動数、減衰度)を視覚化するのに最適だけど、外乱抑制の性能やロバスト性(モデルの誤差への強さ)までは直接わからない。実務では、根軌跡で大まかなゲインを決めた後、ボード線図を使った周波数応答解析でゲイン余裕や位相余裕を確認するのが鉄則だよ。