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) = 48/(s² + 7s + 24)이고 단위 계단 입력을 받는다. 극점은 s = σ ± jωd이다. 실수부 σ을(를) 구하시오.
G(s) = 48/(s² + 7s + 24)
σ =
2.계단 응답어려움
질량 m = 0.5 kg이 스프링 k = 800 N/m과 점성 댐퍼 c = 20 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 5 N이 갑자기 가해진다. 변위가 가장 커지는 시간 tp을(를) 구하시오.
m = 0.5 kgk = 800 N/mc = 20 N·s/mF = 5 N
tp = s
3.보드 선도와 여유보통
그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 47 kΩ, C = 100 nF을(를) 가집니다. 340 Hz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.
R = 47 kΩC = 100 nFf = 340 Hz
φ = °
4.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 120/(s(s + 8))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.
L(s) = 120/(s(s + 8))
PM = °
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
Kmax =
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))의 근궤적을 스케치했습니다. 근궤적이 허수축과 만나는 주파수 ω을(를) 구하시오.
L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
7.정상상태 오차와 PID 제어보통
램프 입력 r(t) = 1t가 G(s) = 10/(s(s + 10))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
G(s) = 10/(s(s + 10))r(t) = 1t
ess =
8.정상상태 오차와 PID 제어어려움
PI 제어기 C(s) = 5 + 1/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/((s + 1)(s + 5))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 1t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
C(s) = 5 + 1/sG(s) = 5/((s + 1)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
9.블록선도보통
단위 부피드백 루프에서 G(s) = 4/(s(s + 7))이다. 기준 입력은 램프 r(t) = 2·t이다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
G(s) = 4/(s(s + 7))r(t) = 2·t
ess =
10.블록선도어려움
플랜트 G(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))가 단위 부피드백 루프에 놓여 있다. 최대 안정 이득에서 루프는 진동한다. 진동 주파수 ω을(를) rad/s로 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))단위 부피드백
ω = rad/s
3용액
1.계단 응답
답: σ = −3.5
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 = 24 → ωₙ = 4.899 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4.899) = 0.7144
결과
σ = −ζωₙ = −7/2 = −3.5
답
σ = −3.5
2.계단 응답
답: tp = 0.09069 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.
고유 진동수와 감쇠비
ωₙ = √(k/m) = √(800/0.5) = 40 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 20/(2·√(800·0.5)) = 0.5
결과
ωd = 34.64 rad/s
tp = π/ωd = 0.09069 s
답
tp = 0.09069 s
3.보드 선도와 여유
답: φ = 5.688 °
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/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212.8 rad/s
fc = 33.86 Hz → f/fc = 340/33.86 = 10.04
위상
φ = 90° − atan(10.04) = 5.688°
답
φ = 5.688°
4.보드 선도와 여유
답: PM = 39.8 °
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 + 64ω² − 14400 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·14400))/2 = 92.19
ωc = 9.602 rad/s
위상 여유
∠L(jωc) = −90° − atan(9.602/8) = −140.2°
PM = 180° + ∠L = 39.8°
답
PM = 39.8°
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: Kmax = 30
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.
특성방정식
s³ + 6s² + 5s + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K
조건
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
K > 0
6·5 − K > 0 → K < 30
답
Kmax = 30
K = 30에서 폐루프는 ω = √5 = 2.236 rad/s로 진동합니다.
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: ω = 6.633 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 + 12s² + 44s + 48 + K = 0
s¹: (12·44 − 48 − K)/12 = 0 → K = 480
교차 주파수
12s² + 48 + 480 = 12s² + 528 = 0 → s² = −44
ω = √44 = 6.633 rad/s
답
ω = 6.633 rad/s
7.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 1
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) = 1
램프 오차
ess = 1/1 = 1
답
ess = 1
8.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 1
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) = 5s + 1 → s → 0일 때 1.
Kv = 1·5/5 = 1
램프 오차
ess = 1/1 = 1
답
ess = 1
PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.
9.블록선도
답: ess = 3.5
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) = 4/7 = 0.5714
정상상태 오차
ess = A/Kᵥ = 2/0.5714 = 3.5
답
ess = 3.5
10.블록선도
답: ω = 5.292 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.