ess = A/(1 + Kp), A/Kv 또는 A/Ka를 적용하거나, 필요한 이득에 대해 풀이하세요.
감쇠나 속도 사양이 주어지면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζω_n·s + ω_n²과 대응시키세요.
2연습 문제
1.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 35/(s² + 7s + 35)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 35/(s² + 7s + 35)
ts = s
2.계단 응답어려움
질량 m = 0.5 kg이 스프링 k = 1000 N/m과 점성 댐퍼 c = 13 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 20 N이 갑자기 가해진다. 변위의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.
m = 0.5 kgk = 1000 N/mc = 13 N·s/mF = 20 N
%OS = %
3.보드 선도와 여유보통
ω = 3 rad/s에서 G(s) = 720/((s + 4)(s + 20))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.
G(s) = 720/((s + 4)(s + 20))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
4.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 20/(s(s + 10))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.
L(s) = 20/(s(s + 10))
PM = °
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
단위 피드백 루프의 L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5))이고 K > 0입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.
L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5))
Kmax =
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
루프 L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))에서 폐루프 극점을 s = −2.5에 놓는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))s = −2.5
K =
7.정상상태 오차와 PID 제어보통
포물선 입력 r(t) = 10·t²/2이 G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 2))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
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 + 100ω² − 400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·400))/2 = 3.852
ωc = 1.963 rad/s
위상 여유
∠L(jωc) = −90° − atan(1.963/10) = −101.1°
PM = 180° + ∠L = 78.9°
답
PM = 78.9°
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: Kmax = 192
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 + 9s² + 23s + 15 + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 23
s²: 9, 15 + K
s¹: (9·23 − 15 − K)/9
s⁰: 15 + K
조건
s¹ 항은 양수로 유지되어야 합니다.
K < 9·23 − 15 = 192
답
Kmax = 192
한계에서 루프는 ω = √23 = 4.796 rad/s로 진동합니다.
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: K = 21.88
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.
크기 조건
K = |s|·|s + 5|·|s + 6|
그 점에서 계산하세요
K = 2.5·2.5·3.5 = 21.88
답
K = 21.88
확인: s(s + 5)(s + 6) + K는 s = −2.5에서 0입니다.
7.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.
가속도 상수
Ka = 20·5/2 = 50
포물선 오차
ess = 10/50 = 0.2
답
ess = 0.2
8.정상상태 오차와 PID 제어
답: %OS = 37.23 %
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 + 6) + 50·2 = s² + 6s + 100
ωₙ과 ζ
ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 6/(2·10) = 0.3
오버슈트
%OS = 100·e−0.3π/√(1 − 0.3²) = 37.23 %
답
%OS = 37.23 %
9.블록선도
답: ess = 1.846
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) = 2·3/(8·9) = 0.08333
정상상태 오차
ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0.08333) = 1.846
답
ess = 1.846
10.블록선도
답: ωd = 6.461 rad/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.