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
ReIm−5−105

완전제곱식으로 만들어 F(s) = (3s + 27)/(s² + 4s + 29)의 f(t)를 구하고, f(0.2)을(를) 계산하시오.

F(s) = (3s + 27)/(s² + 4s + 29)t = 0.2 s
f(0.2) =
2.라플라스 변환어려움
ReIm−1−2−3−4−5−612

어떤 시스템이 미분방정식 y″ + 2y′ + 5y = 2u′ + 12u으로 기술되며, 입력은 u(t), 출력은 y(t)이다. 전달함수 G(s) = Y(s)/U(s)를 구하고(초기 조건은 0), t = 1.2 s에서 임펄스 응답 g(t)를 계산하시오. g(1.2)을(를) 구하시오.

y″ + 2y′ + 5y = 2u′ + 12ut = 1.2 s
g(1.2) =
3.블록선도보통
R(s)+56s(s + 9)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 56/(s(s + 9))이다. 기준 입력은 램프 r(t) = 2·t이다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 56/(s(s + 9))r(t) = 2·t
ess =
4.블록선도어려움
R(s)+18s + 2G₁+6s + 8G₂C(s)1H₁−1H₂−

G₁ = 18/(s + 2), G₂ = 6/(s + 8), G₂ 주위의 안쪽 부피드백 H₁ = 1, 바깥쪽 부피드백 H₂ = 1인 블록선도를 간략화하시오. C(s)/R(s)의 직류 이득 T(0)을(를) 구하시오.

G₁ = 18/(s + 2)G₂ = 6/(s + 8)H₁ = 1H₂ = 1
T(0) =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)3

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 177/(s² + 9s + 59)이고 단위 계단 입력을 받는다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

G(s) = 177/(s² + 9s + 59)
ζ =
6.계단 응답어려움
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 20))이다. 계단 응답의 오버슈트가 10 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 10 %
K =
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+Ks + 5s(s + 1)(s + 2)C(s)−

단위 피드백 루프의 L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2))이고 K > 0입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−2−4−6−8−10j2

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 6))의 근궤적은 s = 0과 s = −6 사이에서 실수축을 떠나 원을 그리며 돌아, 영점의 왼쪽에서 다시 실수축과 만납니다. 합류점 si을(를) 구하시오.

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 6))
si =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 10))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 25 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 25 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

PI 제어기 C(s) = Kp + Ki/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/(s + 2)을(를) 제어합니다. 폐루프는 ωₙ = 8 rad/s, ζ = 0.6여야 합니다. 적분 이득 Ki을(를) 구하시오.

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.6
Ki =
11.보드 선도와 여유보통
vin​R = 2.2 kΩC = 4.7 nFvout​

그림의 RC 저역 통과 필터은(는) R = 2.2 kΩ, C = 4.7 nF을(를) 가집니다. 150 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.

R = 2.2 kΩC = 4.7 nFf = 150 kHz
φ = °
12.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 20/(s(s + 4))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.

L(s) = 20/(s(s + 4))
PM = °

3용액

1.라플라스 변환

답: f(0.2) = 3.456

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) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (21/5)·5/((s + 2)² + 5²)

역변환

f(t) = e−2t·(3·cos 5t + 4.2·sin 5t)
f(0.2) = e−2·0.2·(3·cos(5·0.2) + 4.2·sin(5·0.2)) = 3.456

답

f(0.2) = 3.456
2.라플라스 변환

답: g(1.2) = 0.573

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) = (2s + 12)/(s² + 2s + 5)

부분분수 전개

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 2²
G(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (10/2)·2/((s + 1)² + 2²)

임펄스 응답

g(t) = e−t·(2·cos 2t + 5·sin 2t)
g(1.2) = 0.573

답

g(1.2) = 0.573
3.블록선도

답: ess = 0.3214

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.

속도 오차 상수

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 56/9 = 6.222

정상상태 오차

ess = A/Kᵥ = 2/6.222 = 0.3214

답

ess = 0.3214
4.블록선도

답: T(0) = 0.7941

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) = 6/(s + 14)

바깥 루프

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 108/((s + 2)(s + 14) + 108)

직류 이득

T(0) = 108/(2·14 + 108) = 108/136 = 0.7941

답

T(0) = 0.7941
5.계단 응답

답: ζ = 0.5859

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 = 59 → ωₙ = 7.681 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7.681) = 0.5859

결과

ζ = 0.5859

답

ζ = 0.5859
6.계단 응답

답: K = 286.2

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 + 20s + K)

오버슈트로 구하는 감쇠비

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

이득

ωₙ = 20/(2ζ) = 16.92 rad/s
K = ωₙ² = 286.2

답

K = 286.2
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: Kmax = 3

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(s + 1)(s + 2) + K(s + 5) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 5K

라우스 배열

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 5K
s¹: (3·(2 + K) − 5K)/3
s⁰: 5K

조건

6 − 2K > 0
K < 6/2 = 3

답

Kmax = 3

영점이 s = −3의 오른쪽에 있다면 루프는 모든 K > 0에서 안정하게 유지됩니다.

8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: si = −14.2

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 + 6s)/(s + 9)

정류점

몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.

(2s + 6)(s + 9) − (s² + 6s) = s² + 18s + 54 = 0
s = −9 ± √27 = −3.804, −14.2

합류점

si = −14.2

답

si = −14.2

두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √27 = 5.196입니다.

9.정상상태 오차와 PID 제어

답: K = 60

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) = 0.25 → Kp = 3

이득

K/20 = 3 → K = 60

답

K = 60

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

10.정상상태 오차와 PID 제어

답: Ki = 12.8

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 + 2)을 곱하세요.

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

목표 다항식

s² + 2·0.6·8s + 8² = s² + 9.6s + 64

계수를 맞추세요

5Ki = 64 → Ki = 12.8

답

Ki = 12.8

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

11.보드 선도와 여유

답: φ = −84.14 °

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/(2200·4.7 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 150000/15392 = 9.745

위상

φ = − atan(9.745) = −84.14°

답

φ = −84.14°
12.보드 선도와 여유

답: PM = 47.39 °

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 + 16ω² − 400 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·400))/2 = 13.54
ωc = 3.68 rad/s

위상 여유

∠L(jωc) = −90° − atan(3.68/4) = −132.6°
PM = 180° + ∠L = 47.39°

답

PM = 47.39°

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