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) = 16/(s² + 4s + 32)이고 단위 계단 입력을 받는다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 16/(s² + 4s + 32)
ts = s
2.계단 응답어려움
단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 5))이다. 계단 응답의 오버슈트가 10 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 10 %
K =
3.보드 선도와 여유보통
그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 5 Ω 양단에서 취하며, L = 2 mH, C = 0.1 µF입니다. −3 dB 대역폭 BW을(를) Hz 단위로 구하시오.
R = 5 ΩL = 2 mHC = 0.1 µF
BW = Hz
4.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 5.2/(s(s + 2))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.
L(s) = 5.2/(s(s + 2))
PM = °
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))
Kmax =
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K(s + 14)/(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 + 14)/(s(s + 6))
si =
7.정상상태 오차와 PID 제어보통
단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 4)(s + 5))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 10 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 10 %
K =
8.정상상태 오차와 PID 제어어려움
비례 제어기 K = 40이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 1/(s(s + 8))을(를) 제어합니다. 계단 응답의 피크 시간 tp을(를) 구하시오.
G(s) = 1/(s(s + 8))K = 40
tp = s
9.블록선도보통
플랜트 G(s) = 9/(s + 4)에 이득 H₁ = 0.5인 안쪽(마이너) 부피드백 루프가 있다. 제어기 이득 K = 3과 바깥쪽 단위 부피드백 루프가 시스템을 닫는다. 폐루프 직류 이득 T(0)을(를) 구하시오.
G(s) = 9/(s + 4)H₁ = 0.5K = 3
T(0) =
10.블록선도어려움
플랜트 G(s) = 62/(s(s + 2))가 센서 이득 H = 1인 부피드백 루프에 있다. 폐루프 극점은 복소수이다. 그 허수부 ωd(양의 값)을 rad/s로 구하시오.
G(s) = 62/(s(s + 2))H = 1
ωd = rad/s
3용액
1.계단 응답
답: ts = 2 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 = 32 → ωₙ = 5.657 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5.657) = 0.3536
결과
ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s
답
ts = 2 s
2.계단 응답
답: K = 17.88
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(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 0.5912
이득
ωₙ = 5/(2ζ) = 4.229 rad/s
K = ωₙ² = 17.88
답
K = 17.88
3.보드 선도와 여유
답: BW = 397.9 Hz
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.
공진 주파수
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.002·1 × 10⁻⁷) = 70711 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 11254 Hz
대역폭
BW = R/L = 5/0.002 = 2500 rad/s = 397.9 Hz
답
BW = 397.9 Hz
4.보드 선도와 여유
답: PM = 46.62 °
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 + 4ω² − 27.04 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·27.04))/2 = 3.571
ωc = 1.89 rad/s
위상 여유
∠L(jωc) = −90° − atan(1.89/2) = −133.4°
PM = 180° + ∠L = 46.62°
답
PM = 46.62°
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: Kmax = 240
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 + 10s² + 24s + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K
조건
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
K > 0
10·24 − K > 0 → K < 240
답
Kmax = 240
K = 240에서 폐루프는 ω = √24 = 4.899 rad/s로 진동합니다.
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: si = −24.58
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 + 14)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 6)(s + 14) − (s² + 6s) = s² + 28s + 84 = 0
s = −14 ± √112 = −3.417, −24.58
합류점
si = −24.58
답
si = −24.58
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √112 = 10.58입니다.
7.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 180
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) = 0.1 → Kp = 9
이득
K/20 = 9 → K = 180
답
K = 180
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
8.정상상태 오차와 PID 제어
답: tp = 0.6413 s
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 + 8) + 40·1 = s² + 8s + 40
ωₙ과 ζ
ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325
피크 시간
ωd = 6.325·√(1 − 0.6325²) = 4.899 rad/s
tp = π/4.899 = 0.6413 s
답
tp = 0.6413 s
9.블록선도
답: T(0) = 0.7606
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.