ラプラス変換と割り切ったお付き合いをするよ：独学！ 機械設計者のための自動制御入門（6）（2/4 ページ）

草太が制御工学の単位を落とす原因を作った、憎き「ラプラス変換」。でも“道具”だと割り切って使えば、そんなに難しくないのだ

[岩淵 正幸／技術士（機械部門），＠IT MONOist]

ついに出た！ ラプラス変換

ついに出てきましたか……（ラブプラスならよかったのにね）

ラプラス変換は使いたくなかったけど、これを使わんと、かえって難しく、かつ面倒くさいことになるからな。ラプラス変換については、ここでは、取りあえず、道具として機械的に利用することにしようや

そうだね。難しいこといわれてもよく分からないし……

ここでは、『ラプラス変換』とは『物体の運動や物理状態を表現する微分方程式を代数方程式（掛け算とか割り算）に変換して表現したもの』と考えてほしい。ここから、先は、道具の使い方の説明だと思って、割り切って聞いてな

分かったよ

入力xをラプラス変換したものを『L（x）』と書くことにしよう

出力yは、『L（y）』だね

そうや。入力xに比例定数Aを掛けたものが出力yである場合、ラプラス変換したもので表現すると、

　　y＝A・x ⇒ L（y）＝A・L（x）　　　 （3）

で、何も変わらへん

普通の掛け算と同じだ

しかし、微分や積分はちょっと違う。出力yが入力xを微分したものである場合に、ラプラス変換したもので表示すると

『s』は『ラプラス演算子』だと習ったよ。でも、sが何を意味するのか、さっぱり理解できなかったよ

ここでは、sの数学的説明はせえへんでー。ラプラス変換という道具の使い方の説明に終始するわ

分かったよ。じゃあ、出力yが入力xを積分したものである場合は？

その場合はこうだ

取りあえず、これだけ覚えれば、道具としてのラプラス変換を使うことができる

微分はsを掛け、積分はsで割る。じゃあ、s²を掛けるのは、2回微分することで、s²で割ることは、2回積分することになるんだね

そういうことやねん

だからラプラス変換は、微分方程式を代数方程式に変換しているっていうんだね

それだけやないんや。ラプラス変換を使うと、ボード線図が簡単に描けるんや！

　ラプラス変換を使って、バルブモータコントローラの新たな伝達関数G1のボード線図を描く前に、図1の浴槽の水位制御のブロック線図を、ラプラス変換表示してみましょう。

　（1）の微分方程式をラプラス変換すると、

となります。代数演算によって整理すると、

となり、ラプラス変換した伝達関数G1は、

です。

　上の計算は、ブロック線図でも表すことができます（図3）。

図3　ラプラス変換の計算をブロック線図で表す

　これに比例要素を並列に加えると、図4になります。

図4　比例要素を並列に加えてみた

　同様に、G3については以下のとおりです。

　伝達関数のラプラス変換表示は、こちら。

　大文字のSは浴槽の断面積です。ラプラス演算子の小文字sと紛らわしいので注意してください。そして、バルブ−流量特性G2は、以前と同じような式となります。

　バルブモータコントローラの伝達関数G1について、ラプラス変換を使って比例＋積分とした制御システムのブロック線図を表示すれば図5になります。

図5　比例＋積分制御による浴槽水位制御ブロック線図

ラプラス変換を使えば、バルブモータコントローラの伝達関数G1を、まるで分数のように計算できることは分かったよ。で、どうやって、G1の周波数応答特性、つまりボード線図を描くことができるのさ？

実はな、草太が、なんのこっちゃ分からんかったラプラス演算子sを

　　s＝i・ω　　　（12）

と置いて、計算すればいいんや。なんで、そうなるかは、ここでは説明せえへんよ

その理由は自分で勉強して理解することにするよ。とにかく、周波数ω（rad/min）に虚数iを掛けたものをsとすればいいんだね。すると……

で、ここからどうする？

さっきいったやろ、代数として計算すればいいって

あ、そう。じゃあ……

ωを0から＋∞まで変化させたときのG1の絶対値と位相を計算すればボード線図が求まるやん

　では、実際にボード線図をどのように作成するか説明してみましょう。

　まず伝達関数G1は、絶対値をA、位相をθとすると、オイラーの公式より、

と書けます。

　ですから、

となります。（17）式からG1の絶対値A、位相θを計算することができます。