플랜트 G(s) = K/(s(s + 6))가 단위 부피드백 루프에 놓여 있다. 폐루프가 임계 감쇠(같은 두 실근)가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 6))단위 부피드백
K =
4.블록선도어려움
비례 제어기 K가 플랜트 G(s) = 4/(s + 8)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. R = 0일 때 크기 10의 외란 계단이 플랜트 입력에 들어온다. 정상상태 출력을 1 이하로 유지하는 최소 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = 4/(s + 8)D = 10css ≤ 1
K =
5.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 195/(s² + 11s + 65)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 195/(s² + 11s + 65)
ts = s
6.계단 응답어려움
단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 5))이다. 계단 응답의 오버슈트가 20 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 20 %
K =
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 K = 66, L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))로 동작합니다. 폐루프가 불안정해지기 전까지 이득을 몇 배 m까지 올릴 수 있습니까?
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))K = 66
m =
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K(s + 9)/(s(s + 3))의 근궤적은 s = 0과 s = −3 사이에서 실수축을 떠나 원을 그리며 돌아, 영점의 왼쪽에서 다시 실수축과 만납니다. 분기점 sb을(를) 구하시오.
L(s) = K(s + 9)/(s(s + 3))
sb =
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 5)(s + 10))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 4 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 4 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
PI 제어기 C(s) = 2 + 4/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/((s + 5)(s + 10))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 5t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
C(s) = 2 + 4/sG(s) = 2/((s + 5)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
11.보드 선도와 여유보통
그림의 RC 저역 통과 필터은(는) R = 2.2 kΩ, C = 22 nF을(를) 가집니다. 33 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. 이득 |H| = |vout/vin|을 dB로 구하시오.
R = 2.2 kΩC = 22 nFf = 33 kHz
|H| = dB
12.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))이다. 이득 여유 5 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))GM = 5 dB
K =
3용액
1.라플라스 변환
답: f(0.2) = 1.797
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
부분분수 전개
6s + 14 = 6(s + 4) + −10
F(s) = 6/(s + 4) − 10/(s + 4)²
역변환
f(t) = 6·e−4t − 10·t·e−4t
f(0.2) = (6 − 10·0.2)·e−4·0.2 = 1.797
답
f(0.2) = 1.797
2.라플라스 변환
답: y(0.75) = 5.585
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 + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 25/s
Y(s) = (6s² + 36s + 25)/(s(s + 1)(s + 5))
부분분수 전개
A = 25/(1·5) = 5
B = −5/((−1)·4) = 1.25
C = −5/((−5)·(−4)) = −0.25
결과
y(t) = 5 + 1.25·e−t − 0.25·e−5t
y(0.75) = 5.585
답
y(0.75) = 5.585
확인: y(0) = A + B + C = 6.
3.블록선도
답: K = 9
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 + 6)) = 0 → s² + 6s + K = 0
중근
이차식 s² + βs + γ는 β² = 4γ일 때 중근을 가집니다.
6² = 4K → K = 36/4 = 9
답
K = 9
그러면 폐루프 극점 두 개가 모두 s = −3에 있습니다.
4.블록선도
답: K = 8
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.
외란 응답
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·4/(8 + 4K)
K에 대해 풀기
8 + 4K = 10·4/1 = 40
K = (40 − 8)/4 = 8
답
K = 8
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 = 65 → ωₙ = 8.062 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8.062) = 0.6822
결과
ζωₙ = 5.5 → ts ≈ 4/5.5 = 0.7273 s
답
ts = 0.7273 s
6.계단 응답
답: K = 30.06
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 + 5s + K)
오버슈트로 구하는 감쇠비
ζ = −ln(0.2)/√(π² + ln²(0.2)) = 0.4559
이득
ωₙ = 5/(2ζ) = 5.483 rad/s
K = ωₙ² = 30.06
답
K = 30.06
7.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: m = 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 + 11s² + 30s + K = 0
s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K
안정한 최대 이득
Kmax = 11·30 = 330
배율
m = 330/66 = 5
답
m = 5
이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 13.98 dB입니다.
8.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: sb = −1.652
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 + 3s)/(s + 9)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 3)(s + 9) − (s² + 3s) = s² + 18s + 27 = 0
s = −9 ± √54 = −1.652, −16.35
분기점
sb = −1.652
답
sb = −1.652
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √54 = 7.348입니다.
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 1200
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/50 = 24 → K = 1200
답
K = 1200
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 31.25
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) = 2s + 4 → s → 0일 때 4.
Kv = 4·2/50 = 0.16
램프 오차
ess = 5/0.16 = 31.25
답
ess = 31.25
PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.
11.보드 선도와 여유
답: |H| = −20.07 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/(2200·2.2 × 10⁻⁸) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 33000/3288 = 10.04
이득
|H| = 1/√(1 + 10.04²) = 0.09916
20·log₁₀(0.09916) = −20.07 dB
답
|H| = −20.07 dB
12.보드 선도와 여유
답: K = 31.49
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.