제어공학 2: 피드백 제어 설계: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 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.계단 응답보통
t (s)y(t)1?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 98/(s² + 12s + 98)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 98/(s² + 12s + 98)
%OS = %
2.계단 응답어려움
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 4))이다. 계단 응답의 오버슈트가 10 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 10 %
K =
3.보드 선도와 여유보통
vin​C = 10 nFR = 1 kΩvout​

그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 1 kΩ, C = 10 nF을(를) 가집니다. 3.2 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. 이득 |H| = |vout/vin|을 dB로 구하시오.

R = 1 kΩC = 10 nFf = 3.2 kHz
|H| = dB
4.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) = 1360/(s(s + 20))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.

L(s) = 1360/(s(s + 20))
PM = °
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K = 33.61s(s + 3)(s + 4)C(s)−

그림의 루프는 K = 33.6, L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))로 동작합니다. 폐루프가 불안정해지기 전까지 이득을 몇 배 m까지 올릴 수 있습니까?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))K = 33.6
m =
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−2−4j2j4

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))의 근궤적을 스케치했습니다. 근궤적이 허수축과 만나는 주파수 ω을(를) 구하시오.

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))
ω = rad/s
7.정상상태 오차와 PID 제어보통
r(t) = 2t+Ks(s + 4)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 4))인 단위 피드백 루프가 램프 입력 r(t) = 2t를 정상상태 오차 0.01로 추종해야 합니다. 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 2tess = 0.01
K =
8.정상상태 오차와 PID 제어어려움
r(t) = 5t+1 + 0.5/s5(s + 4)(s + 5)C(s)−

PI 제어기 C(s) = 1 + 0.5/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/((s + 4)(s + 5))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 5t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

C(s) = 1 + 0.5/sG(s) = 5/((s + 4)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
9.블록선도보통
R(s)+11(s + 3)(s + 1)(s + 2)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 11(s + 3)/((s + 1)(s + 2))이다. 기준 입력에 크기 10의 계단을 가한다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

G(s) = 11(s + 3)/((s + 1)(s + 2))R = 10
ess =
10.블록선도어려움
R(s)+4제어기+D(s)+5s + 3플랜트C(s)−

비례 제어기 K = 4이 플랜트 G(s) = 5/(s + 3)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. 외란 D가 플랜트 입력에 들어온다(제어기 출력에 더해진다). 크기 5의 기준 계단과 크기 2의 외란 계단이 동시에 가해진다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.

K = 4G(s) = 5/(s + 3)D = 2R = 5
css =

3용액

1.계단 응답

답: %OS = 9.127 %

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 = 98 → ωₙ = 9.899 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9.899) = 0.6061

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.394 = 9.127 %

답

%OS = 9.127 %
2.계단 응답

답: K = 11.45

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 + 4s + K)

오버슈트로 구하는 감쇠비

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

이득

ωₙ = 4/(2ζ) = 3.383 rad/s
K = ωₙ² = 11.45

답

K = 11.45
3.보드 선도와 여유

답: |H| = −14.11 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/(1000·1 × 10⁻⁸) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 3200/15915 = 0.2011

이득

|H| = 0.2011/√(1 + 0.2011²) = 0.1971
20·log₁₀(0.1971) = −14.11 dB

답

|H| = −14.11 dB
4.보드 선도와 여유

답: PM = 30.27 °

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 − 1.85 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1.85 × 10⁶))/2 = 1175
ωc = 34.27 rad/s

위상 여유

∠L(jωc) = −90° − atan(34.27/20) = −149.7°
PM = 180° + ∠L = 30.27°

답

PM = 30.27°
5.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 + 7s² + 12s + K = 0
s³: 1, 12
s²: 7, K
s¹: (7·12 − K)/7
s⁰: K

안정한 최대 이득

Kmax = 7·12 = 84

배율

m = 84/33.6 = 2.5

답

m = 2.5

이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 7.959 dB입니다.

6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: ω = 5.099 rad/s

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.

임계 이득

s³ + 9s² + 26s + 24 + K = 0
s¹: (9·26 − 24 − K)/9 = 0 → K = 210

교차 주파수

9s² + 24 + 210 = 9s² + 234 = 0 → s² = −26
ω = √26 = 5.099 rad/s

답

ω = 5.099 rad/s
7.정상상태 오차와 PID 제어

답: K = 800

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 속도 상수

Kv = A/ess = 2/0.01 = 200

이득

K = 4·Kv = 800

답

K = 800

이득이 크면 이 루프는 감쇠가 매우 작아집니다: ζ = 0.07071. 이런 상충 때문에 보상기를 사용합니다.

8.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 40

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 + 0.5 → s → 0일 때 0.5.

Kv = 0.5·5/20 = 0.125

램프 오차

ess = 5/0.125 = 40

답

ess = 40

PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.

9.블록선도

답: ess = 0.5714

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.

위치 오차 상수

Kₚ = G(0) = 11·3/(1·2) = 16.5

정상상태 오차

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 16.5) = 0.5714

답

ess = 0.5714
10.블록선도

답: css = 4.783

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) = 5/(s + 3 + 20)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 20/(s + 3 + 20)

정상 상태

css = 5·20/23 + 2·5/23 = 4.783

답

css = 4.783

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

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