【物理】「キルヒホッフの法則」は「電気回路」を解くカギ！理系大学院生が5分で解説 - ページ 4 / 4 - Study-Z ドラゴン桜と学ぶWebマガジン

5 I 1 +1. 0 I 3 =40 (12) 閉回路 ア→ウ→エ→アで、 1. 0 I 2 +1. 0 I 3 =20 (13) が成り立つから、(12)、(13)式にそれぞれ(11)式を代入すると、 3.

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キルヒホッフの法則は、 第1法則 と 第2法則 から構成されている。 この法則は オームの法則 を拡張したものであり、複雑な電気回路の計算に対応することができる。 1. 第1法則 電気回路の接続点に流入する電流の総和と流出する電流の総和は等しい。 キルヒホッフの第1法則は、 電流則 とも称されている。 電流則の適用例① 電流則の適用例② 電流則の適用例③ 電流則の適用例④ 電流則の適用例⑤ 2.

1. 物理法則から状態方程式を導く | 制御系Cad

I 1, I 2, I 3 を未知数とする連立方程式を立てる. 上の接続点(分岐点)についてキルヒホフの第1法則を適用すると I 1 =I 2 +I 3 …(1) 左側の閉回路についてキルヒホフの第2法則を適用すると 4I 1 +5I 3 =4 …(2) 右側の閉回路についてキルヒホフの第2法則を適用すると 2I 2 −5I 3 =2 …(3) (1)を(2)に代入して I 1 を消去すると 4(I 2 +I 3)+5I 3 =4 4I 2 +9I 3 =4 …(2') (2')−(3')×2により I 2 を消去すると −) 4I 2 +9I 3 =4 4I 3 −10I 3 =4 19I 3 =0 I 3 =0 (3)に代入 I 2 =1 (1)に代入 I 1 =1 →【答】(3) [問題2] 図のような直流回路において,抵抗 6 [Ω]の端子間電圧の大きさ V [V]の値として,正しいものは次のうちどれか。 (1) 2 (2) 5 (3) 7 (4) 12 (5) 15 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成15年度「理論」問5 各抵抗に流れる電流を右図のように I 1, I 2, I 3 とおく.

連立方程式と行列式 | 音声付き電気技術解説講座 | 公益社団法人 日本電気技術者協会

8に示す。 図1. 8 ドア開度の時間的振る舞い 問1. 2 図1. 8の三つの時間応答に対応して,ドアはそれぞれどのように閉まるか説明しなさい。 *ばねとダンパの特性値を調整するためのねじを回すことにより行われる。 **本書では, のように書いて,△を○で定義・表記する(△は○に等しいとする)。 1. 3 直流モータ 代表的なアクチュエータとしてモータがある。例えば図1. 9に示すのは,ロボットアームを駆動する直流モータである。 図1. 9 直流モータ このモデルは図1. 10のように表される。 図1. 10 直流モータのモデル このとき,つぎが成り立つ。 (15) (16) ここで,式( 15)は機械系としての運動方程式であるが,電流による発生トルクの項 を含む。 はトルク定数と呼ばれる。また,式( 16)は電気系としての回路方程式であるが,角速度 による逆起電力の項 を含む。 は逆起電力定数と呼ばれる。このように,モータは機械系と電気系の混合系という特徴をもつ。式( 15)と式( 16)に (17) を加えたものを行列表示すると (18) となる 。この左から, をかけて (19) のような状態方程式を得る。状態方程式( 19)は二つの入力変数 をもち, は操作できるが, は操作できない 外乱 であることに注意してほしい。 問1. 連立方程式と行列式 | 音声付き電気技術解説講座 | 公益社団法人 日本電気技術者協会. 3 式( 19)を用いて,直流モータのブロック線図を描きなさい。 さて,この直流モータに対しては,角度 の 倍の電圧 と,角加速度 の 倍の電圧 が測れるものとすると,出力方程式は (20) 図1. 11 直流モータの時間応答 ところで,私たちは物理的な感覚として,機械的な動きと電気的な動きでは速さが格段に違うことを知っている。直流モータは機械系と電気系の混合系であることを述べたが,制御目的は位置制御や速度制御のように機械系に関わるのが普通であるので,状態変数としては と だけでよさそうである。式( 16)をみると,直流モータの電気的時定数( の時定数)は (21) で与えられ,上の例では である。ところが,図1. 11からわかるように, の時定数は約 である。したがって,電流は角速度に比べて10倍速く落ち着くので,式( 16)の左辺を零とおいてみよう。すなわち (22) これから を求めて,式( 15)に代入してみると (23) を得る。ここで, の時定数 (24) は直流モータの機械的時定数と呼ばれている。上の例で計算してみると である。したがって,もし,直流モータの電気的時定数が機械的時定数に比べて十分小さい場合(経験則は)は,式( 17)と式( 23)を合わせて,つぎの状態方程式をもつ2次系としてよい。 (25) 式( 19)と比較すると,状態空間表現の次数を1だけ減らしたことになる。 これは,モデルの 低次元化 の一例である。 低次元化の過程を図1.

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4に示す。 図1. 4 コンデンサ放電時の電圧変化 問1. 1 図1. 4において,時刻 における の値を (6) によって近似計算しなさい。 *系はsystemの訳語。ここでは「××システム」を簡潔に「××系」と書く。 **本書では,時間応答のコンピュータによる シミュレーション (simulation)の欄を設けた。最終的には時間応答の数学的理解が大切であるが,まずは,なぜそのような時間的振る舞いが現れるのかを物理的イメージをもって考えながら,典型的な時間応答に親しみをもってほしい。なお,本書の数値計算については演習問題の【4】を参照のこと。 1. 2 教室のドア 教室で物の動きを実感できるものに,図1. 5に示すようなばねとダンパ からなる緩衝装置を付けたドアがある。これは,開いたドアをできるだけ速やかに静かに閉めるためのものである。 図1. 5 緩衝装置をつけたドア このドアの運動は回転運動であるが,話しをわかりやすくするため,図1. 6に示すような等価な直線運動として調べてみよう。その出発点は,ニュートンの運動第2法則 (7) である。ここで, はドアの質量, は時刻 におけるドアの変位, は時刻 においてドアに働く力であり (8) のように表すことができる。ここで,ダンパが第1項の力を,ばねが第2項の力を与える。 は人がドアに与える力である。式( 7)と式( 8)より (9) 図1. 【物理】「キルヒホッフの法則」は「電気回路」を解くカギ！理系大学院生が5分で解説 - ページ 4 / 4 - Study-Z ドラゴン桜と学ぶWebマガジン. 6 ドアの簡単なモデル これは2階の線形微分方程式であるが, を定義すると (10) (11) のような1階の連立線形微分方程式で表される。これらを行列表示すると (12) のような状態方程式を得る 。ここで,状態変数は と ,入力変数は である。また,図1. 7のようなブロック線図が得られる。 図1. 7 ドアのブロック線図 さて,2個の状態変数のうち,ドアの変位 の 倍の電圧 ,すなわち (13) を得るセンサはあるが,ドアの速度を計測するセンサはないものとする。このとき, を 出力変数 と呼ぶ。これは,つぎの 出力方程式 により表される。 (14) 以上から,ドアに対して,状態方程式( 12)と出力方程式( 14)からなる 2次系 (second-order system)としての 状態空間表現 を得た。 シミュレーション 式( 12)において,, , , , のとき, の三つの場合について,ドア開度 の時間的振る舞いを図1.

17 連結台車 【3】 式 23 で表される直流モータにおいて,一定入力 ,一定負荷 のもとで,一定角速度 の平衡状態が達成されているものとする。この平衡状態を基準とする直流モータの時間的振る舞いを表す状態方程式を示しなさい。 【4】 本書におけるすべての数値計算は,対話型の行列計算環境である 学生版MATLAB を用いて行っている。また,すべての時間応答のグラフは,(非線形)微分方程式による対話型シミュレーション環境である 学生版SIMULINK を用いて得ている。時間応答のシミュレーションのためには,状態方程式のブロック線図を描くことが必要となる。例えば,心臓のペースメーカのブロック線図(図1. 3)を得たとすると,SIMULINKでは,これを図1. 18のようにほぼそのままの構成で,対話型操作により表現する。ブロックIntegratorの初期値とブロックGainの値を設定し,微分方程式のソルバーの種類,サンプリング周期,シミュレーション時間などを設定すれば,ブロックScopeに図1. 1の時間応答を直ちにみることができる。時系列データの処理やグラフ化はMATLABで行える。 MATLABとSIMULINKが手元にあれば, シミュレーション1. 3 と同一条件下で,直流モータの低次元化後の状態方程式 25 による角速度の応答を,低次元化前の状態方程式 19 によるものと比較しなさい。 図1. 18 SIMULINKによる微分方程式のブロック表現 *高橋・有本:回路網とシステム理論,コロナ社 (1974)のpp. 65 66から引用。 **, D. 2. Bernstein: Benchmark Problems for Robust Control Design, ACC Proc. pp. 2047 2048 (1992) から引用。 ***The Student Edition of MATLAB-Version\, 5 User's Guide, Prentice Hall (1997) ****The Student Edition of SIMULINK-Version\, 2 User's Guide, Prentice Hall (1998)

12~図1. 14に示しておく。 図1. 12 式(1. 19)に基づく低次元化前のブロック線図 図1. 13 式(1. 22)を用いた低次元化中のブロック線図 図1. 14 式(1. 22)を用いた低次元化中のブロック線図 *式( 18)は,式( 19)のように物理パラメータどうしの演算を含まず,それらの変動の影響を考察するのに便利な形式であり, ディスクリプタ形式 の状態方程式と呼ばれる。 **ここでは,2. 3項で学ぶ時定数の知識を前提にしている。 1. 2 状態空間表現へのモデリング *動的システムは,微分方程式・差分方程式のどちらで記述されるかによって 連続時間系・離散時間系 ,重ね合わせの原理が成り立つか否かによって 線形系・非線形系 ,常微分方程式か偏微分方程式かによって 集中定数系・分布定数系 ,係数パラメータの時間依存性によって 時変系・時不変系 ,入出力が確率過程であるか否かによって 決定系・確率系 などに分類される。 **非線形系の場合の取り扱いは7章で述べる。1~6章までは 線形時不変系 のみを扱う。 ***他の数理モデルとして 伝達関数表現 がある。状態空間表現と伝達関数表現の間の相互関係については8章で述べる。 ****他のアプローチとして,入力と出力の時系列データからモデリングを行う システム同定 がある。 1. 3 状態空間表現の座標変換 状態空間表現を見やすくする一つの手段として, 座標変換 (coordinate transformation)があるので,これについて説明しよう。 いま, 次系 (28) (29) に対して,つぎの座標変換を行いたい。 (30) ただし, は正則とする。式( 30)を式( 28)に代入すると (31) に注意して (32)%すなわち (33) となる。また,式( 30)を式( 29)に代入すると (34) となる。この結果を,参照しやすいようにつぎにまとめておく。 定理1. 1 次系 に対して,座標変換 を行うと,新しい 次系は次式で表される。 (35) (36) ただし (37) 例題1. 1 直流モータの状態方程式( 25)において, を零とおくと (38) である。これに対して,座標変換 (39) を行うと,新しい状態方程式は (40) となることを示しなさい。 解答 座標変換後の 行列と 行列は,定理1.

May 20, 2024, 11:42 am