제어공학 1: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

안정도
특성다항식의 모든 근이 좌반평면에 있음
라우스 표, 3차식의 s¹ 항
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
우반평면의 근
첫 번째 열의 부호 변화 횟수
3차식 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
모든 a > 0이고 a₂·a₁ > a₀일 때 안정
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
특성방정식
1 + K·G(s) = 0
점근선
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
분기점과 합류점
dK/ds = 0
크기 조건
K = 1/|G(s)|
출발각
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

방법

  1. 폐루프 특성다항식을 쓰세요. 1 + K·G(s) = 0의 분모를 전개한 것입니다.
  2. 계수를 번갈아 라우스 표의 처음 두 행에 넣고 나머지 행을 만드세요.
  3. 첫 번째 열의 부호 변화를 세세요. 하나하나가 우반평면의 극점입니다. 표에 K가 들어 있으면 첫 번째 열의 모든 항이 양수로 유지되도록 하세요.
  4. 근궤적에서는 극점과 영점, 실수축 구간, 중심점에서 나오는 점근선, dK/ds = 0인 분기점을 표시하세요. 한 점에서의 이득은 K = 1/|G(s)|로 구합니다.

정상상태 오차와 PID 제어

시스템 형
G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수
오차 상수
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
계단 A
ess = A/(1 + Kp)
램프 A·t
ess = A/Kv
포물선 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 제어기
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
2차 목표식
s² + 2ζωns + ωn²
오버슈트와 시간 지표
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

방법

  1. 개루프 C(s)·G(s)의 s = 0에 있는 극점을 세세요. 그것이 시스템 형입니다.
  2. 입력에 맞는 오차 상수를 구하세요. 계단 입력은 Kp, 램프 입력은 Kv, 포물선 입력은 Ka입니다.
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv 또는 A/Ka를 적용하거나, 필요한 이득에 대해 풀이하세요.
  4. 감쇠나 속도 사양이 주어지면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζω_n·s + ω_n²과 대응시키세요.

2연습 문제

1.라플라스 변환보통
t (s)f(t)t = 0.6f(0.6) = ?

부분분수 전개로 F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 3))의 f(t)를 구하고, f(0.6)을(를) 계산하시오.

F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 3))t = 0.6 s
f(0.6) =
2.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

어떤 시스템이 y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 2, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 1가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.3)을(를) 구하시오.

y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.3 s
y(0.3) =
3.블록선도보통
R(s)+15s + 9G(s)C(s)0.5H−

플랜트 G(s) = 15/(s + 9)가 센서 이득 H = 0.5인 부피드백 루프에서 제어된다. R에 크기 2의 계단을 가한다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.

G(s) = 15/(s + 9)H = 0.5R = 2
css =
4.블록선도어려움
R(s)+66s(s + 3)G(s)C(s)0.5H−

플랜트 G(s) = 66/(s(s + 3))가 센서 이득 H = 0.5인 부피드백 루프에 있다. 폐루프 극점은 복소수이다. 그 허수부 ωd(양의 값)을 rad/s로 구하시오.

G(s) = 66/(s(s + 3))H = 0.5
ωd = rad/s
5.계단 응답보통
t (s)y(t)3tp​ = ?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 165/(s² + 9s + 55)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 피크 시간 tp을(를) 구하시오.

G(s) = 165/(s² + 9s + 55)
tp = s
6.계단 응답어려움
R(s)+85s(s + 2)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 85/(s(s + 2))이다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 폐루프 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 85/(s(s + 2))
ts = s
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K1s(s + 5)(s + 10)C(s)−

그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))입니다. 폐루프가 안정 한계에 이를 때까지 이득을 올립니다. 지속 진동의 주파수 ω을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))
ω = rad/s
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−2−4−6−8j2j4

L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 17))에 대해, 상반평면의 복소수 극점에서 근궤적의 출발각 θd을(를) 양의 실수축에서 잰 값으로 구하시오.

L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 17))
θd = °
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
r(t) = 5 + 2t+10(s + 3)s(s + 2)(s + 10)C(s)−

입력 r(t) = 5 + 2t(계단 입력과 램프 입력의 합)가 G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 2)(s + 10))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 2)(s + 10))r(t) = 5 + 2t
ess =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+10 + Kd​s5s(s + 3)C(s)−

PD 제어기 C(s) = 10 + Kd·s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/(s(s + 3))을(를) 제어합니다. 폐루프의 감쇠비가 ζ = 0.707가 되는 미분 이득 Kd을(를) 구하시오.

G(s) = 5/(s(s + 3))Kp = 10ζ = 0.707
Kd = s
11.보드 선도와 여유보통
vin​L = 5 mHC = 0.47 µFR = 50 Ωvout​

그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 50 Ω 양단에서 취하며, L = 5 mH, C = 0.47 µF입니다. −3 dB 대역폭 BW을(를) Hz 단위로 구하시오.

R = 50 ΩL = 5 mHC = 0.47 µF
BW = Hz
12.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 6)(s + 7))이다. 이득 여유 4 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 7))GM = 4 dB
K =

3용액

1.라플라스 변환

답: f(0.6) = 3.914

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

부분분수 전개

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
A = 55/(2·3) = 9.167
B = 55/((−2)·1) = −27.5
C = 55/((−3)·(−1)) = 18.33

역변환

f(t) = 9.167 − 27.5·e−2t + 18.33·e−3t

계산하기

f(0.6) = 9.167 − 27.5·e−2·0.6 + 18.33·e−3·0.6 = 3.914

답

f(0.6) = 3.914
2.라플라스 변환

답: y(0.3) = 2.259

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

방정식 변환하기

(s² + 8s + 12)·Y(s) = 2s + 16 + 36/s
Y(s) = (2s² + 16s + 36)/(s(s + 2)(s + 6))

부분분수 전개

A = 36/(2·6) = 3
B = 12/((−2)·4) = −1.5
C = 12/((−6)·(−4)) = 0.5

결과

y(t) = 3 − 1.5·e−2t + 0.5·e−6t
y(0.3) = 2.259

답

y(0.3) = 2.259

확인: y(0) = A + B + C = 2.

3.블록선도

답: css = 1.818

블록선도 대수: 직렬 블록은 곱하고(G₁·G₂), 병렬 블록은 더하며(G₁ + G₂), 순방향 경로 G와 피드백 경로 H를 가진 루프는 부(−)피드백이면 T = G/(1 + G·H), 정(+)피드백이면 G/(1 − G·H)로 줄어듭니다. 안쪽 루프부터 줄이고 바깥으로 진행하세요. 폐루프 극점은 특성방정식 1 + G(s)H(s) = 0의 근입니다. 안정한 루프에서 크기 A의 계단 입력은 정상상태 출력 A·T(0)을 줍니다. 단위 피드백에서 계단 입력에 대한 정상상태 오차는 A/(1 + Kp)이고 Kp = G(0)입니다.

폐루프 전달함수

T(s) = G/(1 + G·H) = 15/(s + 9 + 7.5) = 15/(s + 16.5)

결과

css = R·T(0) = 2·15/16.5 = 1.818

답

css = 1.818
4.블록선도

답: ωd = 5.545 rad/s

블록선도 대수: 직렬 블록은 곱하고(G₁·G₂), 병렬 블록은 더하며(G₁ + G₂), 순방향 경로 G와 피드백 경로 H를 가진 루프는 부(−)피드백이면 T = G/(1 + G·H), 정(+)피드백이면 G/(1 − G·H)로 줄어듭니다. 안쪽 루프부터 줄이고 바깥으로 진행하세요. 폐루프 극점은 특성방정식 1 + G(s)H(s) = 0의 근입니다. 안정한 루프에서 크기 A의 계단 입력은 정상상태 출력 A·T(0)을 줍니다. 단위 피드백에서 계단 입력에 대한 정상상태 오차는 A/(1 + Kp)이고 Kp = G(0)입니다.

특성방정식

s(s + 3) + 66·0.5 = 0 → s² + 3s + 33 = 0

근

s = −1.5 ± j·√(33 − 2.25) = −1.5 ± j5.545
ωd = 5.545 rad/s

답

ωd = 5.545 rad/s
5.계단 응답

답: tp = 0.5329 s

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

표준형과 비교하기

분모가 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 일치해야 합니다.

ωₙ² = 55 → ωₙ = 7.416 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7.416) = 0.6068

결과

ωd = 7.416·√(1 − 0.6068²) = 5.895 rad/s → tp = π/ωd = 0.5329 s

답

tp = 0.5329 s
6.계단 응답

답: ts = 4 s

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

폐루프 전달함수

T(s) = 85/(s² + 2s + 85): ωₙ = 9.22 rad/s, ζ = 0.1085

정착 시간

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

답

ts = 4 s

이 루프에서는 K와 상관없이 ζωₙ = a/2입니다. K를 키우면 오버슈트만 늘고 정착 시간은 짧아지지 않습니다.

7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: ω = 7.071 rad/s

라우스–후르비츠 판별법: 선형 시스템은 특성다항식의 모든 근이 s평면의 좌반평면에 있을 때 안정합니다. 계수를 번갈아 라우스 표의 처음 두 행에 적습니다. 새 행의 각 항은 바로 위 두 행에서 구합니다. 3차식 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀에서 s¹ 항은 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂입니다. 첫 번째 열의 부호 변화 횟수는 우반평면에 있는 근의 개수와 같습니다. 계수에 이득 K가 들어 있으면 첫 번째 열의 모든 항이 양수로 유지되어야 합니다. s¹ 항을 0으로 만드는 이득이 안정 한계이고, 이때 s² 행으로 지속 진동의 주파수를 구합니다.

라우스 배열

s³ + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

임계 이득

K = 15·50 = 750

보조방정식

임계 이득에서는 s¹ 행이 0이 되고, s² 행이 허수축 위의 극점을 알려 줍니다.

15s² + 750 = 0 → s = ±j√50
ω = 7.071 rad/s

답

ω = 7.071 rad/s
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: θd = 56.31 °

근궤적: 이득 K를 0에서 ∞까지 변화시키면 폐루프 극점, 즉 1 + K·G(s) = 0의 근은 개루프 극점에서 개루프 영점 또는 무한대로 이동합니다. 실수축 위의 점은 그 오른쪽에 있는 실수 극점과 영점의 개수가 홀수일 때 근궤적에 속합니다. 무한대로 가는 n − m개의 가지는 점근선을 따르며, 그 각도는 (2q + 1)·180°/(n − m)이고 중심점 σₐ = (Σ 극점 − Σ 영점)/(n − m)에서 출발합니다. 가지는 dK/ds = 0인 곳에서 실수축을 떠나거나 만납니다. 각도 조건 ∠G(s) = 180°가 궤적의 모양을 정하고, 크기 조건 K = 1/|G(s)|가 궤적 위 임의의 점에서의 이득을 줍니다.

극점의 위치

s² + 2s + 17 = 0 → s = −1 ± j4
s = −7

다른 극점들로부터의 각

∠(−1 + j4 + 7) = atan2(4, 6) = 33.69°
∠(−1 + j4 − (−1 − j4)) = ∠(j8) = 90°

출발각

θd = 180° − 33.69° − 90° = 56.31°

답

θd = 56.31°
9.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 1.333

정상상태 오차: 개루프 전달함수 G(s)인 단위 피드백 루프에서 오차는 E(s) = R(s)/(1 + G(s))이고, 최종값 정리에 의해 ess = lims→0 s·E(s)입니다. 시스템 형은 G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수입니다. 오차 상수는 Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s)이며 모두 s → 0에서의 극한입니다. 크기 A의 계단 입력은 ess = A/(1 + Kp), 램프 입력 A·t는 A/Kv, 포물선 입력 A·t²/2은 A/Ka를 줍니다. 0형 루프는 계단 입력을 유한한 오차로 추종하고, 1형 루프는 계단 입력을 정확히 추종하며 램프 입력은 유한한 오차로 추종합니다.

속도 상수

Kv = lim s·G(s) = 1.5

계단 성분

Kp = ∞ → estep = 0

램프 오차

ess = 2/1.5 = 1.333

답

ess = 1.333
10.정상상태 오차와 PID 제어

답: Kd = 1.4 s

P, PI, PID 제어: 제어기 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s는 오차에 작용합니다. 비례 이득은 루프를 빠르게 하고 0형 플랜트의 오차를 줄이지만 완전히 없애지는 못합니다. 적분 항은 s = 0에 극점을 추가합니다. 시스템 형이 하나 올라가고 계단 입력을 오차 없이 추종합니다. 미분 항은 감쇠를 더합니다. 이득을 정하려면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζωns + ωn²과 비교하세요. 그러면 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd이며 ωd = ωn√(1 − ζ²), ts ≈ 4/(ζωn)입니다.

특성다항식

s(s + 3) + 5(10 + Kds) = s² + (3 + 5Kd)s + 50

고유 진동수

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s

미분 이득

3 + 5Kd = 2·0.707·7.071 = 9.998
Kd = 1.4 s

답

Kd = 1.4 s

미분 항은 ωₙ을 바꾸지 않고 감쇠를 더합니다.

11.보드 선도와 여유

답: BW = 1592 Hz

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

공진 주파수

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·4.7 × 10⁻⁷) = 20628 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3283 Hz

대역폭

BW = R/L = 50/0.005 = 10000 rad/s = 1592 Hz

답

BW = 1592 Hz
12.보드 선도와 여유

답: K = 344.5

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

위상 교차

(ω/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6.481 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 49)) = K/(6·7·(6 + 7)) = K/546

필요한 이득

546/K = 104/20 = 1.585
K = 546/1.585 = 344.5

답

K = 344.5

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