비례 제어기 K = 4이 플랜트 G(s) = 2/(s + 2)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. 외란 D가 플랜트 입력에 들어온다(제어기 출력에 더해진다). R = 0일 때 크기 1의 외란 계단이 가해진다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.
K = 4G(s) = 2/(s + 2)D = 1R = 0
css =
5.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 53/(s² + 2s + 53)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 53/(s² + 2s + 53)
ts = s
6.계단 응답어려움
질량 m = 20 kg이 스프링 k = 2000 N/m과 점성 댐퍼 c = 40 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 100 N이 갑자기 가해진다. 변위의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.
m = 20 kgk = 2000 N/mc = 40 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 K = 208, L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))로 동작합니다. 폐루프가 불안정해지기 전까지 이득을 몇 배 m까지 올릴 수 있습니까?
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))K = 208
m =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4))의 근궤적은 s = 0과 s = −4 사이에서 실수축을 떠나 원을 그리며 돌아, 영점의 왼쪽에서 다시 실수축과 만납니다. 분기점 sb을(를) 구하시오.
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4))
sb =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 10))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 20 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 20 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
PI 제어기 C(s) = 1 + 4/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/((s + 2)(s + 4))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 1t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
C(s) = 1 + 4/sG(s) = 2/((s + 2)(s + 4))r(t) = 1t
ess =
11.보드 선도와 여유보통
ω = 10 rad/s에서 G(s) = 96/((s + 2)(s + 12))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.
G(s) = 96/((s + 2)(s + 12))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
12.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 65/(s(s + 5))이다. |L(jω)| = 1인 이득 교차 주파수 ωc을(를) 구하시오.
L(s) = 65/(s(s + 5))
ωc = rad/s
3용액
1.라플라스 변환
답: f(0.8) = 7.581
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).
부분분수 전개
F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 2)
A = 50/(1·2) = 25
B = 50/((−1)·1) = −50
C = 50/((−2)·(−1)) = 25
역변환
f(t) = 25 − 50·e−t + 25·e−2t
계산하기
f(0.8) = 25 − 50·e−0.8 + 25·e−2·0.8 = 7.581
답
f(0.8) = 7.581
2.라플라스 변환
답: g(0.1) = 1.82
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) = (3s + 18)/(s² + 11s + 30)
부분분수 전개
s² + 11s + 30 = (s + 5)(s + 6)
A = 3, B = 0
임펄스 응답
g(t) = 3·e−5t
g(0.1) = 1.82
답
g(0.1) = 1.82
3.블록선도
답: τ = 0.1587 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.
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) = 2/(s + 2 + 8)
정상 상태
css = 1·2/10 = 0.2
답
css = 0.2
K가 클수록 외란의 영향이 줄어들지만, 비례 제어기로는 결코 0이 되지 않습니다.
5.계단 응답
답: ts = 4 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 = 53 → ωₙ = 7.28 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7.28) = 0.1374
결과
ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s
답
ts = 4 s
6.계단 응답
답: %OS = 72.92 %
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) = √(2000/20) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(2000·20)) = 0.1
결과
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 72.92 %
답
%OS = 72.92 %
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: m = 2.5
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 + 13s² + 40s + K = 0
s³: 1, 40
s²: 13, K
s¹: (13·40 − K)/13
s⁰: K
안정한 최대 이득
Kmax = 13·40 = 520
배율
m = 520/208 = 2.5
답
m = 2.5
이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 7.959 dB입니다.
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: sb = −2.225
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) = −(s² + 4s)/(s + 11)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 4)(s + 11) − (s² + 4s) = s² + 22s + 44 = 0
s = −11 ± √77 = −2.225, −19.77
분기점
sb = −2.225
답
sb = −2.225
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √77 = 8.775입니다.
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 80
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) = 0.2 → Kp = 4
이득
K/20 = 4 → K = 80
답
K = 80
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 1
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 + 4 → s → 0일 때 4.
Kv = 4·2/8 = 1
램프 오차
ess = 1/1 = 1
답
ess = 1
PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.
11.보드 선도와 여유
답: |G(jω)| = −4.399 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.