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
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = 11/(s² + 12s + 35)이다. 이것의 역변환은 f(t) = A·e−5t + B·e−7t 꼴이다. 부분분수 전개로 계수 A을(를) 구하시오.

F(s) = 11/(s² + 12s + 35)
A =
2.라플라스 변환어려움
ReIm2

어떤 시스템이 미분방정식 y″ + 2y′ + 10y = 4u′ + 4u으로 기술되며, 입력은 u(t), 출력은 y(t)이다. 전달함수 G(s) = Y(s)/U(s)를 구하고(초기 조건은 0), t = 0.6 s에서 임펄스 응답 g(t)를 계산하시오. g(0.6)을(를) 구하시오.

y″ + 2y′ + 10y = 4u′ + 4ut = 0.6 s
g(0.6) =
3.블록선도보통
R(s)+4(s + 3)(s + 1)(s + 9)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 4(s + 3)/((s + 1)(s + 9))이다. 기준 입력에 크기 5의 계단을 가한다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 4(s + 3)/((s + 1)(s + 9))R = 5
ess =
4.블록선도어려움
R(s)+K제어기+D(s)+9s + 8플랜트C(s)−

비례 제어기 K가 플랜트 G(s) = 9/(s + 8)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. R = 0일 때 크기 5의 외란 계단이 플랜트 입력에 들어온다. 정상상태 출력을 0.1125 이하로 유지하는 최소 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = 9/(s + 8)D = 5css ≤ 0.1125
K =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)1tp​ = ?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 58/(s² + 7s + 58)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 피크 시간 tp을(를) 구하시오.

G(s) = 58/(s² + 7s + 58)
tp = s
6.계단 응답어려움
k = 200 N/mc = 12 N·s/mm = 2 kgF = 100 Nx(t)

질량 m = 2 kg이 스프링 k = 200 N/m과 점성 댐퍼 c = 12 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 100 N이 갑자기 가해진다. 변위가 가장 커지는 시간 tp을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 200 N/mc = 12 N·s/mF = 100 N
tp = s
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+501s(s + 5)(s + 10)C(s)+

그림의 루프는 정궤환(양의 피드백)이며 L(s) = 50/(s(s + 5)(s + 10))입니다. 우반평면에 있는 폐루프 극점의 개수 N을(를) 구하시오.

L(s) = 50/(s(s + 5)(s + 10))
N =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReImζ = 0.6−2−4−6−8−10j2j4j6

L(s) = K/(s(s + 8))의 근궤적이 그림에 있습니다. 폐루프 극점의 감쇠비가 ζ = 0.6가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 8))ζ = 0.6
K =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K(s + 4)(s + 5)C(s)−

단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 4)(s + 5))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 5 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 5 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+K = 505s(s + 8)C(s)−

비례 제어기 K = 50이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/(s(s + 8))을(를) 제어합니다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 5/(s(s + 8))K = 50
%OS = %
11.보드 선도와 여유보통
|H| (dB)0.1110100−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

ω = 4 rad/s에서 G(s) = 80/((s + 1)(s + 10))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.

G(s) = 80/((s + 1)(s + 10))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
12.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))이다. 이득 여유 20 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))GM = 20 dB
K =

3용액

1.라플라스 변환

답: A = 5.5

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 + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)

가리기 규칙

(s + 5)를 곱하고 s = −5을 대입하세요. B항은 사라집니다.

A = 11/(s + 7) |s = −5 = 11/2 = 5.5

답

A = 5.5
(B = −5.5이므로 f(t) = 5.5·e−5t − 5.5·e−7t)
2.라플라스 변환

답: g(0.6) = −0.4988

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).

전달함수

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 4)/(s² + 2s + 10)

부분분수 전개

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (0/3)·3/((s + 1)² + 3²)

임펄스 응답

g(t) = e−t·(4·cos 3t)
g(0.6) = −0.4988

답

g(0.6) = −0.4988
3.블록선도

답: ess = 2.143

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.

위치 오차 상수

Kₚ = G(0) = 4·3/(1·9) = 1.333

정상상태 오차

ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 1.333) = 2.143

답

ess = 2.143
4.블록선도

답: K = 43.56

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.

외란 응답

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·9/(8 + 9K)

K에 대해 풀기

8 + 9K = 5·9/0.1125 = 400
K = (400 − 8)/9 = 43.56

답

K = 43.56
5.계단 응답

답: tp = 0.4645 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 = 58 → ωₙ = 7.616 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7.616) = 0.4596

결과

ωd = 7.616·√(1 − 0.4596²) = 6.764 rad/s → tp = π/ωd = 0.4645 s

답

tp = 0.4645 s
6.계단 응답

답: tp = 0.3293 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.

고유 진동수와 감쇠비

ωₙ = √(k/m) = √(200/2) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 12/(2·√(200·2)) = 0.3

결과

ωd = 9.539 rad/s
tp = π/ωd = 0.3293 s

답

tp = 0.3293 s
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: N = 1

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 + 15s² + 50s − 50 = 0

라우스 배열

s³: 1, 50
s²: 15, −50
s¹: 53.33
s⁰: −50

첫 번째 열의 부호 변화

1 → 15 → 53.33 → −50
N = 1

답

N = 1

양의 피드백은 상수항 계수를 음수로 만듭니다. 실수 극점 하나는 언제나 우반평면으로 이동합니다.

8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: K = 44.44

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.

표준형과 비교하기

s² + 8s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6.667 rad/s

이득

K = ωₙ² = 6.667² = 44.44

답

K = 44.44

폐루프 극점은 ζ 직선이 s = −4의 수직 가지와 만나는 곳에 있습니다.

9.정상상태 오차와 PID 제어

답: K = 380

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) = 0.05 → Kp = 19

이득

K/20 = 19 → K = 380

답

K = 380

폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.

10.정상상태 오차와 PID 제어

답: %OS = 43.98 %

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 + 8) + 50·5 = s² + 8s + 250

ωₙ과 ζ

ωₙ = √250 = 15.81 rad/s
ζ = 8/(2·15.81) = 0.253

오버슈트

%OS = 100·e−0.253π/√(1 − 0.253²) = 43.98 %

답

%OS = 43.98 %
11.보드 선도와 여유

답: |G(jω)| = 5.113 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.

크기를 곱하기

|G(j4)| = 80/(√(4² + 1²)·√(4² + 10²)) = 80/(4.123·10.77) = 1.802

결과

20·log₁₀(1.802) = 5.113 dB

답

|G(jω)| = 5.113 dB
12.보드 선도와 여유

답: K = 4.2

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/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2.449 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

필요한 이득

42/K = 1020/20 = 10
K = 42/10 = 4.2

답

K = 4.2

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