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
ReIm5

완전제곱식으로 만들어 F(s) = 9/(s² + 4s + 29)의 f(t)를 구하고, f(0.2)을(를) 계산하시오.

F(s) = 9/(s² + 4s + 29)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

라플라스 변환으로 y(0) = 4, y′(0) = 13인 y″ + 4y′ + 3y = 0을(를) 풀고 y(0.2)을(를) 구하시오.

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 4y′(0) = 13t = 0.2 s
y(0.2) =
3.블록선도보통
R(s)+11(s + 2)(s + 5)(s + 8)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 11(s + 2)/((s + 5)(s + 8))이다. 기준 입력에 크기 1의 계단을 가한다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 11(s + 2)/((s + 5)(s + 8))R = 1
ess =
4.블록선도어려움
R(s)+5s + 3G₁+10s + 7G₂C(s)0.5H₁−0.1H₂−

G₁ = 5/(s + 3), G₂ = 10/(s + 7), G₂ 주위의 안쪽 부피드백 H₁ = 0.5, 바깥쪽 부피드백 H₂ = 0.1인 블록선도를 간략화하시오. C(s)/R(s)의 직류 이득 T(0)을(를) 구하시오.

G₁ = 5/(s + 3)G₂ = 10/(s + 7)H₁ = 0.5H₂ = 0.1
T(0) =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)3?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 51/(s² + s + 17)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 51/(s² + s + 17)
%OS = %
6.계단 응답어려움
R(s)+90s(s + 10)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 90/(s(s + 10))이다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 폐루프 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 90/(s(s + 10))
ts = s
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+Ks + 1(s − 1)(s + 1)C(s)−

플랜트 G(s) = (s + 1)/((s − 1)(s + 1))은 s = 1에 불안정한 극점이 있습니다. 비례 이득 K로 그 주위에 단위 피드백 루프를 구성합니다. 폐루프를 안정하게 만드는 최소 이득 Kmin을(를) 구하시오.

G(s) = (s + 1)/((s − 1)(s + 1))
Kmin =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−2−4j2j4

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 4))의 근궤적을 스케치했습니다. 근궤적이 허수축과 만나는 주파수 ω을(를) 구하시오.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 4))
ω = rad/s
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
r(t) = 0.5·t²/2+2(s + 4)s²(s + 4)C(s)−

포물선 입력 r(t) = 0.5·t²/2이 G(s) = 2(s + 4)/(s²(s + 4))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 2(s + 4)/(s²(s + 4))r(t) = 0.5·t²/2
ess =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 5C(s)−

PI 제어기 C(s) = Kp + Ki/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/(s + 5)을(를) 제어합니다. 폐루프는 ωₙ = 5 rad/s, ζ = 0.8여야 합니다. 비례 이득 Kp을(를) 구하시오.

G(s) = 2/(s + 5)ωₙ = 5 rad/sζ = 0.8
Kp =
11.보드 선도와 여유보통
|H| (dB)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 4

ω = 4 rad/s에서 G(s) = 1560/((s + 10)(s + 12))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.

G(s) = 1560/((s + 10)(s + 12))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 12/(s(s + 2)(s + 5))이다. 이득 여유 GM을(를) dB 단위로 구하시오.

L(s) = 12/(s(s + 2)(s + 5))
GM = dB

3용액

1.라플라스 변환

답: f(0.2) = 1.015

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).

완전제곱식 만들기

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

분자 맞추기

F(s) = (9/5)·5/((s + 2)² + 5²)

역변환

f(t) = e−2t·(1.8·sin 5t)
f(0.2) = e−2·0.2·(1.8·sin(5·0.2)) = 1.015

답

f(0.2) = 1.015
2.라플라스 변환

답: y(0.2) = 5.569

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 − 4s − 13 + 4(sY − 4) + 3Y = 0
Y(s) = (4s + 29)/((s + 1)(s + 3))

부분분수 전개

A = 25/2 = 12.5
B = 17/(−2) = −8.5

결과

y(t) = 12.5·e−t − 8.5·e−3t
y(0.2) = 5.569

답

y(0.2) = 5.569

확인: y(0) = A + B = 4.

3.블록선도

답: ess = 0.6452

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) = 11·2/(5·8) = 0.55

정상상태 오차

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 0.55) = 0.6452

답

ess = 0.6452
4.블록선도

답: T(0) = 1.22

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.

안쪽 루프

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 10/(s + 12)

바깥 루프

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 50/((s + 3)(s + 12) + 5)

직류 이득

T(0) = 50/(3·12 + 5) = 50/41 = 1.22

답

T(0) = 1.22
5.계단 응답

답: %OS = 68.13 %

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 = 17 → ωₙ = 4.123 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·4.123) = 0.1213

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.3838 = 68.13 %

답

%OS = 68.13 %
6.계단 응답

답: ts = 0.8 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) = 90/(s² + 10s + 90): ωₙ = 9.487 rad/s, ζ = 0.527

정착 시간

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.8 s

답

ts = 0.8 s

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

7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: Kmin = 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

(s − 1)(s + 1) + K(s + 1) = s² + (0 + K)s + (1K − 1)

조건

s² + c₁s + c₀에서 모든 근이 좌반평면에 있을 필요충분조건은 c₁ > 0이고 c₀ > 0입니다.

0 + K > 0 → K > 0
1K − 1 > 0 → K > 1
Kmin = 1

답

Kmin = 1
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: ω = 3.742 rad/s

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.

임계 이득

s³ + 7s² + 14s + 8 + K = 0
s¹: (7·14 − 8 − K)/7 = 0 → K = 90

교차 주파수

7s² + 8 + 90 = 7s² + 98 = 0 → s² = −14
ω = √14 = 3.742 rad/s

답

ω = 3.742 rad/s
9.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 0.25

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.

가속도 상수

Ka = 2·4/4 = 2

포물선 오차

ess = 0.5/2 = 0.25

답

ess = 0.25
10.정상상태 오차와 PID 제어

답: Kp = 1.5

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.

특성다항식

1 + C(s)G(s) = 0에 s(s + 5)을 곱하세요.

s² + (5 + 2Kp)s + 2Ki

목표 다항식

s² + 2·0.8·5s + 5² = s² + 8s + 25

계수를 맞추세요

5 + 2Kp = 8 → Kp = 1.5

답

Kp = 1.5

적분 항이 루프를 1형으로 만들므로 계단 입력은 정상상태 오차 없이 추종됩니다.

11.보드 선도와 여유

답: |G(jω)| = 21.18 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)| = 1560/(√(4² + 10²)·√(4² + 12²)) = 1560/(10.77·12.65) = 11.45

결과

20·log₁₀(11.45) = 21.18 dB

답

|G(jω)| = 21.18 dB
12.보드 선도와 여유

답: GM = 15.32 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.

위상 교차

(ω/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3.162 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

이득 여유

GM = 20·log₁₀(70/12) = 15.32 dB

답

GM = 15.32 dB

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