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
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

F(s) = (6s + 31)/(s² + 4s + 4)의 f(t)를 구하고 f(0.3)을(를) 계산하시오.

F(s) = (6s + 31)/(s² + 4s + 4)t = 0.3 s
f(0.3) =
2.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

어떤 시스템이 y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 3, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 4가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.1)을(를) 구하시오.

y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.1 s
y(0.1) =
3.블록선도보통
R(s)+4s + 3G(s)C(s)0.5H−

플랜트 G(s) = 4/(s + 3)가 센서 이득 H = 0.5인 부피드백 루프에서 제어된다. 폐루프의 시정수 τ을(를) 구하시오.

G(s) = 4/(s + 3)H = 0.5
τ = s
4.블록선도어려움
R(s)+80s(s + 11)G(s)C(s)1H−

플랜트 G(s) = 80/(s(s + 11))가 센서 이득 H = 1인 부피드백 루프에 있다. 폐루프 극점은 복소수이다. 그 실수부 σ을(를) 구하시오.

G(s) = 80/(s(s + 11))H = 1
σ =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)0.5?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 23/(s² + 9s + 46)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 23/(s² + 9s + 46)
%OS = %
6.계단 응답어려움
t (s)y(t)110 %

영점이 없는 2차 시스템의 계단 응답이 오버슈트 10 %를 가져야 한다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

%OS = 10 %
ζ =
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K = 1401s(s + 4)(s + 10)C(s)−

그림의 루프는 K = 140, L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))로 동작합니다. 폐루프가 불안정해지기 전까지 이득을 몇 배 m까지 올릴 수 있습니까?

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))K = 140
m =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2sb​

L(s) = K/((s + 2)(s + 8))의 근궤적이 그림에 있습니다. 두 폐루프 극점이 실수축 위에서 만나는 분기점 sb에서의 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/((s + 2)(s + 8))
K =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K(s + 2)(s + 4)C(s)−

단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 4))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 4 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 4 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 4C(s)−

PI 제어기 C(s) = Kp + Ki/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/(s + 4)을(를) 제어합니다. 폐루프는 ωₙ = 4 rad/s, ζ = 0.6여야 합니다. 비례 이득 Kp을(를) 구하시오.

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 0.6
Kp =
11.보드 선도와 여유보통
vin​L = 50 mHC = 0.47 µFR = 20 Ωvout​

그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 20 Ω 양단에서 취하며, L = 50 mH, C = 0.47 µF입니다. 품질 계수 Q을(를) 구하시오.

R = 20 ΩL = 50 mHC = 0.47 µF
Q =
12.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 1160/(s(s + 20))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.

L(s) = 1160/(s(s + 20))
PM = °

3용액

1.라플라스 변환

답: f(0.3) = 6.421

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

부분분수 전개

6s + 31 = 6(s + 2) + 19
F(s) = 6/(s + 2) + 19/(s + 2)²

역변환

f(t) = 6·e−2t + 19·t·e−2t
f(0.3) = (6 + 19·0.3)·e−2·0.3 = 6.421

답

f(0.3) = 6.421
2.라플라스 변환

답: y(0.1) = 3.429

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 + 7s + 12)·Y(s) = 3s + 21 + 144/s
Y(s) = (3s² + 21s + 144)/(s(s + 3)(s + 4))

부분분수 전개

A = 144/(3·4) = 12
B = 108/((−3)·1) = −36
C = 108/((−4)·(−1)) = 27

결과

y(t) = 12 − 36·e−3t + 27·e−4t
y(0.1) = 3.429

답

y(0.1) = 3.429

확인: y(0) = A + B + C = 3.

3.블록선도

답: τ = 0.2 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) = 4/(s + 3 + 2) = 4/(s + 5)

결과

τ = 1/5 = 0.2 s

답

τ = 0.2 s
4.블록선도

답: σ = −5.5

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.

특성방정식

s(s + 11) + 80·1 = 0 → s² + 11s + 80 = 0

근

s = −5.5 ± j·√(80 − 30.25) = −5.5 ± j7.053
σ = −5.5

답

σ = −5.5
5.계단 응답

답: %OS = 6.167 %

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 = 46 → ωₙ = 6.782 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6.782) = 0.6635

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.786 = 6.167 %

답

%OS = 6.167 %
6.계단 응답

답: ζ = 0.5912

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.

감쇠비

ζ = −ln(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 2.303/√(9.87 + 5.302) = 0.5912

답

ζ = 0.5912
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: m = 4

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.

라우스 배열

s³ + 14s² + 40s + K = 0
s³: 1, 40
s²: 14, K
s¹: (14·40 − K)/14
s⁰: K

안정한 최대 이득

Kmax = 14·40 = 560

배율

m = 560/140 = 4

답

m = 4

이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 12.04 dB입니다.

8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: K = 9

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.

분기점

K = −(s + 2)(s + 8)에 대해 dK/ds = 0이면 2s + 10 = 0이 됩니다.

sb = −5

크기 조건

K = |−5 + 2|·|−5 + 8| = 3·3 = 9

답

K = 9

이 이득에서 폐루프는 임계 감쇠(ζ = 1)입니다.

9.정상상태 오차와 PID 제어

답: K = 192

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) = 0.04 → Kp = 24

이득

K/8 = 24 → K = 192

답

K = 192

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

10.정상상태 오차와 PID 제어

답: Kp = 0.4

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 + 4)을 곱하세요.

s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki

목표 다항식

s² + 2·0.6·4s + 4² = s² + 4.8s + 16

계수를 맞추세요

4 + 2Kp = 4.8 → Kp = 0.4

답

Kp = 0.4

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

11.보드 선도와 여유

답: Q = 16.31

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.

공진 주파수

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·4.7 × 10⁻⁷) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz

선택도

BW = R/L = 20/0.05 = 400 rad/s = 63.66 Hz
Q = ω₀/BW = 6523/400 = 16.31

답

Q = 16.31
12.보드 선도와 여유

답: PM = 32.61 °

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.

이득 교차

ω⁴ + 400ω² − 1.346 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1.346 × 10⁶))/2 = 977.1
ωc = 31.26 rad/s

위상 여유

∠L(jωc) = −90° − atan(31.26/20) = −147.4°
PM = 180° + ∠L = 32.61°

답

PM = 32.61°

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