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 = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = (5s + 4)/(s² + 10s + 25)의 f(t)를 구하고 f(0.2)을(를) 계산하시오.

F(s) = (5s + 4)/(s² + 10s + 25)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

어떤 시스템이 y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t)을(를) 따른다. 정지 상태(y(0) = 0, y′(0) = 0)에서 시작하며, 입력은 t ≥ 0에서 계단 u(t) = 10이다. 라플라스 변환으로 출력 y(0.25)을(를) 구하시오.

y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.25 s
y(0.25) =
3.블록선도보통
R(s)+Ks(s + 7)G(s)C(s)−

플랜트 G(s) = K/(s(s + 7))가 단위 부피드백 루프에 놓여 있다. 폐루프가 임계 감쇠(같은 두 실근)가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 7))단위 부피드백
K =
4.블록선도어려움
R(s)+24제어기+D(s)+3s + 6플랜트C(s)−

비례 제어기 K = 24이 플랜트 G(s) = 3/(s + 6)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. 외란 D가 플랜트 입력에 들어온다(제어기 출력에 더해진다). 크기 2의 기준 계단과 크기 2의 외란 계단이 동시에 가해진다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.

K = 24G(s) = 3/(s + 6)D = 2R = 2
css =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)1ts​ = ?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 49/(s² + 6s + 49)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 49/(s² + 6s + 49)
ts = s
6.계단 응답어려움
R(s)+175s(s + 16)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 175/(s(s + 16))이다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 폐루프 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 175/(s(s + 16))
ts = s
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K1(s + 3)(s + 5)(s + 6)C(s)−

단위 피드백 루프의 L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6))이고 K > 0입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.

L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2sb​

L(s) = K/((s + 5)(s + 7))의 근궤적이 그림에 있습니다. 두 폐루프 극점이 실수축 위에서 만나는 분기점 sb에서의 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/((s + 5)(s + 7))
K =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
r(t) = 3t+10(s + 3)s(s + 2)C(s)−

램프 입력 r(t) = 3t가 G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 2))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 2))r(t) = 3t
ess =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+10 + Kd​s2s(s + 4)C(s)−

PD 제어기 C(s) = 10 + Kd·s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/(s(s + 4))을(를) 제어합니다. 폐루프의 감쇠비가 ζ = 0.9가 되는 미분 이득 Kd을(를) 구하시오.

G(s) = 2/(s(s + 4))Kp = 10ζ = 0.9
Kd = s
11.보드 선도와 여유보통
vin​C = 10 nFR = 3.3 kΩvout​

그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 3.3 kΩ, C = 10 nF을(를) 가집니다. 960 Hz의 정현파 입력이 가해집니다. 이득 |H| = |vout/vin|을 dB로 구하시오.

R = 3.3 kΩC = 10 nFf = 960 Hz
|H| = 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) = 56/(s(s + 2)(s + 5))이다. ∠L(jω) = −180°인 위상 교차 주파수 ω180을(를) 구하시오.

L(s) = 56/(s(s + 2)(s + 5))
ω180 = rad/s

3용액

1.라플라스 변환

답: f(0.2) = 0.2943

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 + 25 = (s + 5)²

부분분수 전개

5s + 4 = 5(s + 5) + −21
F(s) = 5/(s + 5) − 21/(s + 5)²

역변환

f(t) = 5·e−5t − 21·t·e−5t
f(0.2) = (5 − 21·0.2)·e−5·0.2 = 0.2943

답

f(0.2) = 0.2943
2.라플라스 변환

답: y(0.25) = 3.369

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) = 160/(s(s + 1)(s + 4))

부분분수 전개

A = 160/(1·4) = 40
B = 160/((−1)·3) = −53.33
C = 160/((−4)·(−3)) = 13.33

배설량

y(t) = 40 − 53.33·e−t + 13.33·e−4t
y(0.25) = 3.369

답

y(0.25) = 3.369
3.블록선도

답: K = 12.25

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

1 + K/(s(s + 7)) = 0 → s² + 7s + K = 0

중근

이차식 s² + βs + γ는 β² = 4γ일 때 중근을 가집니다.

7² = 4K → K = 49/4 = 12.25

답

K = 12.25
그러면 폐루프 극점 두 개가 모두 s = −3.5에 있습니다.
4.블록선도

답: css = 1.923

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 + 72)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 72/(s + 6 + 72)

정상 상태

css = 2·72/78 + 2·3/78 = 1.923

답

css = 1.923

K가 클수록 외란의 영향이 줄어들지만, 비례 제어기로는 결코 0이 되지 않습니다.

5.계단 응답

답: ts = 1.333 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 = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7) = 0.4286

결과

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1.333 s

답

ts = 1.333 s
6.계단 응답

답: ts = 0.5 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) = 175/(s² + 16s + 175): ωₙ = 13.23 rad/s, ζ = 0.6047

정착 시간

ζωₙ = 16/2 = 8
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.5 s

답

ts = 0.5 s

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

7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: Kmax = 792

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 + 14s² + 63s + 90 + K = 0

라우스 배열

s³: 1, 63
s²: 14, 90 + K
s¹: (14·63 − 90 − K)/14
s⁰: 90 + K

조건

s¹ 항은 양수로 유지되어야 합니다.

K < 14·63 − 90 = 792

답

Kmax = 792

한계에서 루프는 ω = √63 = 7.937 rad/s로 진동합니다.

8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: K = 1

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 + 5)(s + 7)에 대해 dK/ds = 0이면 2s + 12 = 0이 됩니다.

sb = −6

크기 조건

K = |−6 + 5|·|−6 + 7| = 1·1 = 1

답

K = 1

이 이득에서 폐루프는 임계 감쇠(ζ = 1)입니다.

9.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 0.2

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.

속도 상수

Kv = lim s·G(s) = 15

램프 오차

ess = 3/15 = 0.2

답

ess = 0.2
10.정상상태 오차와 PID 제어

답: Kd = 2.025 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 + 4) + 2(10 + Kds) = s² + (4 + 2Kd)s + 20

고유 진동수

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s

미분 이득

4 + 2Kd = 2·0.9·4.472 = 8.05
Kd = 2.025 s

답

Kd = 2.025 s

미분 항은 ωₙ을 바꾸지 않고 감쇠를 더합니다.

11.보드 선도와 여유

답: |H| = −14.19 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.

차단 주파수

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁸) = 30303 rad/s
fc = 4823 Hz → f/fc = 960/4823 = 0.1991

이득

|H| = 0.1991/√(1 + 0.1991²) = 0.1952
20·log₁₀(0.1952) = −14.19 dB

답

|H| = −14.19 dB
12.보드 선도와 여유

답: ω180 = 3.162 rad/s

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

답

ω180 = 3.162 rad/s

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