플랜트 G(s) = 5/(s + 7)가 센서 이득 H = 0.2인 부피드백 루프에서 제어된다. R에 크기 5의 계단을 가한다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.
G(s) = 5/(s + 7)H = 0.2R = 5
css =
4.블록선도어려움
플랜트 G(s) = 38/(s(s + 7))가 센서 이득 H = 2인 부피드백 루프에 있다. 폐루프 극점은 복소수이다. 그 허수부 ωd(양의 값)을 rad/s로 구하시오.
G(s) = 38/(s(s + 7))H = 2
ωd = rad/s
5.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 93/(s² + 11s + 93)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 93/(s² + 11s + 93)
ts = s
6.계단 응답어려움
단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 8))이다. 계단 응답의 오버슈트가 2 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 2 %
K =
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))
Kmax =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))의 근궤적은 s = 0과 s = −2 사이에서 실수축을 떠납니다. 분기점 sb을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))
sb =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
포물선 입력 r(t) = 2·t²/2이 G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 2))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 2))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
비례 제어기 K = 16이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/(s(s + 6))을(를) 제어합니다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 2/(s(s + 6))K = 16
ts = s
11.보드 선도와 여유보통
그림의 RL 저역 통과 필터은(는) R = 47 Ω, L = 100 mH을(를) 가집니다. 150 Hz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.
R = 47 ΩL = 100 mHf = 150 Hz
φ = °
12.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))이다. 이득 여유 15 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 15 dB
K =
3용액
1.라플라스 변환
답: A = 25
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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)
가리기 규칙
(s + 3)를 곱하고 s = −3을 대입하세요. B항은 사라집니다.
A = (s + 28)/(s + 4) |s = −3 = 25/1 = 25
답
A = 25
(B = −24이므로 f(t) = 25·e−3t − 24·e−4t)
2.라플라스 변환
답: y(0.25) = 1.801
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
Y(s) = 100/(s(s + 2)(s + 5))
부분분수 전개
A = 100/(2·5) = 10
B = 100/((−2)·3) = −16.67
C = 100/((−5)·(−3)) = 6.667
배설량
y(t) = 10 − 16.67·e−2t + 6.667·e−5t
y(0.25) = 1.801
답
y(0.25) = 1.801
3.블록선도
답: css = 3.125
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 + 7 + 1) = 5/(s + 8)
결과
css = R·T(0) = 5·5/8 = 3.125
답
css = 3.125
4.블록선도
답: ωd = 7.984 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 + 7) + 38·2 = 0 → s² + 7s + 76 = 0
근
s = −3.5 ± j·√(76 − 12.25) = −3.5 ± j7.984
ωd = 7.984 rad/s
답
ωd = 7.984 rad/s
5.계단 응답
답: ts = 0.7273 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 = 93 → ωₙ = 9.644 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9.644) = 0.5703
결과
ζωₙ = 5.5 → ts ≈ 4/5.5 = 0.7273 s
답
ts = 0.7273 s
6.계단 응답
답: K = 26.32
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 + 8s + K)
오버슈트로 구하는 감쇠비
ζ = −ln(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 0.7797
이득
ωₙ = 8/(2ζ) = 5.13 rad/s
K = ωₙ² = 26.32
답
K = 26.32
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: Kmax = 240
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.
특성방정식
s³ + 10s² + 24s + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K
조건
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
K > 0
10·24 − K > 0 → K < 240
답
Kmax = 240
K = 240에서 폐루프는 ω = √24 = 4.899 rad/s로 진동합니다.
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: sb = −0.7847
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) = −s(s + 2)(s + 3) = −(s³ + 5s² + 6s)
정류점
dK/ds = −(3s² + 10s + 6) = 0
s = (−10 ± √(100 − 72))/6 = −0.7847, −2.549
근궤적 위의 점을 고르세요
근궤적은 0과 −2 사이의 실수축 위에 있으며, 다른 근은 근궤적 위에 있지 않습니다.
sb = −0.7847
답
sb = −0.7847
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.1
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 = 20·2/2 = 20
포물선 오차
ess = 2/20 = 0.1
답
ess = 0.1
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 1.333 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 + 6) + 16·2 = s² + 6s + 32
ωₙ과 ζ
ωₙ = √32 = 5.657 rad/s
ζ = 6/(2·5.657) = 0.5303
정착 시간
ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1.333 s
답
ts = 1.333 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.
11.보드 선도와 여유
답: φ = −63.5 °
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.
차단 주파수
ωc = R/L = 47/0.1 = 470 rad/s
fc = 74.8 Hz → f/fc = 150/74.8 = 2.005
위상
φ = − atan(2.005) = −63.5°
답
φ = −63.5°
12.보드 선도와 여유
답: K = 99.58
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.