플랜트 G(s) = 12/(s(s + 6))가 센서 이득 H = 2인 부피드백 루프에 있다. 폐루프 극점은 복소수이다. 그 허수부 ωd(양의 값)을 rad/s로 구하시오.
G(s) = 12/(s(s + 6))H = 2
ωd = rad/s
5.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 9.5/(s² + 6s + 19)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 9.5/(s² + 6s + 19)
ts = s
6.계단 응답어려움
단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 10))이다. 계단 응답의 오버슈트가 30 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 30 %
K =
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 음의 피드백이며 L(s) = 640/(s(s + 2)(s + 8))입니다. 우반평면에 있는 폐루프 극점의 개수 N을(를) 구하시오.
L(s) = 640/(s(s + 2)(s + 8))
N =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4))의 근궤적은 s = 0과 s = −4 사이에서 실수축을 떠나 원을 그리며 돌아, 영점의 왼쪽에서 다시 실수축과 만납니다. 합류점 si을(를) 구하시오.
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4))
si =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 10))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 2 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 2 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
PI 제어기 C(s) = 5 + 1/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 4/((s + 1)(s + 5))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 5t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
C(s) = 5 + 1/sG(s) = 4/((s + 1)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
11.보드 선도와 여유보통
ω = 20 rad/s에서 G(s) = 2400/((s + 10)(s + 12))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.
G(s) = 2400/((s + 10)(s + 12))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
12.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))이다. 이득 여유 2 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))GM = 2 dB
K =
3용액
1.라플라스 변환
답: f(0.2) = 3.864
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).
분모 인수분해
s² + 8s + 16 = (s + 4)²
부분분수 전개
3s + 40 = 3(s + 4) + 28
F(s) = 3/(s + 4) + 28/(s + 4)²
역변환
f(t) = 3·e−4t + 28·t·e−4t
f(0.2) = (3 + 28·0.2)·e−4·0.2 = 3.864
답
f(0.2) = 3.864
2.라플라스 변환
답: y(0.2) = 0.3017
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
s²Y − (−1)s − 10 + 5(sY − (−1)) + 6Y = 0
Y(s) = (−s + 5)/((s + 2)(s + 3))
부분분수 전개
A = 7/1 = 7
B = 8/(−1) = −8
결과
y(t) = 7·e−2t − 8·e−3t
y(0.2) = 0.3017
답
y(0.2) = 0.3017
확인: y(0) = A + B = −1.
3.블록선도
답: τ = 0.07692 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.
폐루프 전달함수
T(s) = G/(1 + G·H) = 6/(s + 1 + 12) = 6/(s + 13)
결과
τ = 1/13 = 0.07692 s
답
τ = 0.07692 s
4.블록선도
답: ωd = 3.873 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 + 6) + 12·2 = 0 → s² + 6s + 24 = 0
근
s = −3 ± j·√(24 − 9) = −3 ± j3.873
ωd = 3.873 rad/s
답
ωd = 3.873 rad/s
5.계단 응답
답: ts = 1.333 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 = 19 → ωₙ = 4.359 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4.359) = 0.6882
결과
ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1.333 s
답
ts = 1.333 s
6.계단 응답
답: K = 195.2
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) = K/(s² + 10s + K)
오버슈트로 구하는 감쇠비
ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579
이득
ωₙ = 10/(2ζ) = 13.97 rad/s
K = ωₙ² = 195.2
답
K = 195.2
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: N = 2
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.
특성다항식
s³ + 10s² + 16s + 640 = 0
라우스 배열
s³: 1, 16
s²: 10, 640
s¹: −48
s⁰: 640
첫 번째 열의 부호 변화
1 → 10 → −48 → 640
N = 2
답
N = 2
이득이 한계 K = 160보다 크므로 복소수 극점 한 쌍이 우반평면으로 넘어갔습니다.
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: si = −19.77
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.
실수축을 따른 이득
K(s) = −(s² + 4s)/(s + 11)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 4)(s + 11) − (s² + 4s) = s² + 22s + 44 = 0
s = −11 ± √77 = −2.225, −19.77
합류점
si = −19.77
답
si = −19.77
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √77 = 8.775입니다.
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 980
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.
필요한 오차 상수
1/(1 + Kp) = 0.02 → Kp = 49
이득
K/20 = 49 → K = 980
답
K = 980
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 6.25
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.
속도 상수
s·C(s) = 5s + 1 → s → 0일 때 1.
Kv = 1·4/5 = 0.8
램프 오차
ess = 5/0.8 = 6.25
답
ess = 6.25
PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.
11.보드 선도와 여유
답: |G(jω)| = 13.26 dB
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.