비례 제어기 K = 17이 플랜트 G(s) = 3/(s + 6)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. 외란 D가 플랜트 입력에 들어온다(제어기 출력에 더해진다). 크기 5의 기준 계단과 크기 10의 외란 계단이 동시에 가해진다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.
K = 17G(s) = 3/(s + 6)D = 10R = 5
css =
5.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 3.5/(s² + s + 7)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.
G(s) = 3.5/(s² + s + 7)
%OS = %
6.계단 응답어려움
질량 m = 4 kg이 스프링 k = 200 N/m과 점성 댐퍼 c = 6 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 50 N이 갑자기 가해진다. 최대 변위 xmax을(를) mm로 구하시오.
m = 4 kgk = 200 N/mc = 6 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
단위 피드백 루프의 L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))이고 K > 0입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.
L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))
Kmax =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
루프 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))에서 폐루프 극점을 s = −2에 놓는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))s = −2
K =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 4))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 2 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 2 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
PI 제어기 C(s) = 1 + 1/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/((s + 1)(s + 5))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 5t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
C(s) = 1 + 1/sG(s) = 5/((s + 1)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
11.보드 선도와 여유보통
ω = 1 rad/s에서 G(s) = 800/((s + 5)(s + 20))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.
G(s) = 800/((s + 5)(s + 20))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
12.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 1440/(s(s + 20))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.
L(s) = 1440/(s(s + 20))
PM = °
3용액
1.라플라스 변환
답: A = 6.5
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 + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)
가리기 규칙
(s + 4)를 곱하고 s = −4을 대입하세요. B항은 사라집니다.
A = (3s + 25)/(s + 6) |s = −4 = 13/2 = 6.5
답
A = 6.5
(B = −3.5이므로 f(t) = 6.5·e−4t − 3.5·e−6t)
2.라플라스 변환
답: y(0.6) = 2.438
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) = 3s + 24 + 24/s
Y(s) = (3s² + 24s + 24)/(s(s + 2)(s + 6))
부분분수 전개
A = 24/(2·6) = 2
B = −12/((−2)·4) = 1.5
C = −12/((−6)·(−4)) = −0.5
결과
y(t) = 2 + 1.5·e−2t − 0.5·e−6t
y(0.6) = 2.438
답
y(0.6) = 2.438
확인: y(0) = A + B + C = 3.
3.블록선도
답: τ = 0.1429 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) = 5/(s + 6 + 1) = 5/(s + 7)
결과
τ = 1/7 = 0.1429 s
답
τ = 0.1429 s
4.블록선도
답: css = 5
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.
전달함수
C/D = G/(1 + K·G) = 3/(s + 6 + 51)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 51/(s + 6 + 51)
정상 상태
css = 5·51/57 + 10·3/57 = 5
답
css = 5
K가 클수록 외란의 영향이 줄어들지만, 비례 제어기로는 결코 0이 되지 않습니다.
5.계단 응답
답: %OS = 54.63 %
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 = 7 → ωₙ = 2.646 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2.646) = 0.189
결과
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.6046 = 54.63 %
답
%OS = 54.63 %
6.계단 응답
답: xmax = 428.8 mm
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) = √(200/4) = 7.071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(200·4)) = 0.1061
결과
xst = F/k = 50/200 m = 250 mm
%OS = 71.53 %
xmax = 250·(1 + 0.7153) = 428.8 mm
답
xmax = 428.8 mm
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: Kmax = 480
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 + 12s² + 44s + 48 + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 44
s²: 12, 48 + K
s¹: (12·44 − 48 − K)/12
s⁰: 48 + K
조건
s¹ 항은 양수로 유지되어야 합니다.
K < 12·44 − 48 = 480
답
Kmax = 480
한계에서 루프는 ω = √44 = 6.633 rad/s로 진동합니다.
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: K = 12
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.
크기 조건
K = |s|·|s + 3|·|s + 8|
그 점에서 계산하세요
K = 2·1·6 = 12
답
K = 12
확인: s(s + 3)(s + 8) + K는 s = −2에서 0입니다.
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 392
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/8 = 49 → K = 392
답
K = 392
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 5
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) = 1s + 1 → s → 0일 때 1.
Kv = 1·5/5 = 1
램프 오차
ess = 5/1 = 5
답
ess = 5
PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.
11.보드 선도와 여유
답: |G(jω)| = 17.88 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.