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)0.5

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 43.5/(s² + 5s + 87)이고 단위 계단 입력을 받는다. 극점은 s = σ ± jωd이다. 실수부 σ을(를) 구하시오.

G(s) = 43.5/(s² + 5s + 87)
σ =
2.계단 응답어려움
t (s)y(t)1tp​ = 0.25 s2 %

영점이 없는 2차 시스템의 계단 응답이 오버슈트 2 %를 보이고 첫 번째 피크가 t = 0.25 s에서 나타난다. 고유 진동수 ωn을(를) 구하시오.

%OS = 2 %tp = 0.25 s
ωn = rad/s
3.보드 선도와 여유보통
|H| (dB)0.1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

ω = 3 rad/s에서 G(s) = 360/((s + 3)(s + 6))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.

G(s) = 360/((s + 3)(s + 6))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
4.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))이다. 이득 여유 12 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 12 dB
K =
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K1(s + 1)(s + 3)(s + 4)C(s)−

단위 피드백 루프의 L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 4))이고 K > 0입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 4))
Kmax =
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))의 근궤적은 s = 0과 s = −1 사이에서 실수축을 떠납니다. 분기점 sb을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))
sb =
7.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K = 112s + 1C(s)−

프로세스 G(s) = 1/(2s + 1)을(를) 단위 피드백 루프에서 비례 이득 K = 1로 제어합니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 계단 크기에 대한 백분율로 구하시오.

G(s) = 1/(2s + 1)K = 1
ess = %
8.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+10 + Kd​s2s(s + 4)C(s)−

PD 제어기 C(s) = 10 + Kd·s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 2/(s(s + 4))을(를) 제어합니다. 폐루프의 감쇠비가 ζ = 0.5가 되는 미분 이득 Kd을(를) 구하시오.

G(s) = 2/(s(s + 4))Kp = 10ζ = 0.5
Kd = s
9.블록선도보통
R(s)+18K+1s + 3G(s)C(s)4H₁−−

플랜트 G(s) = 1/(s + 3)에 이득 H₁ = 4인 안쪽(마이너) 부피드백 루프가 있다. 제어기 이득 K = 18과 바깥쪽 단위 부피드백 루프가 시스템을 닫는다. 폐루프 극점 p을(를) 구하시오.

G(s) = 1/(s + 3)H₁ = 4K = 18
p =
10.블록선도어려움
R(s)+Ks(s + 2)(s + 6)G(s)C(s)−

플랜트 G(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))가 단위 부피드백 루프에 놓여 있다. 최대 안정 이득에서 루프는 진동한다. 진동 주파수 ω을(를) rad/s로 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))단위 부피드백
ω = rad/s

3용액

1.계단 응답

답: σ = −2.5

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 = 87 → ωₙ = 9.327 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9.327) = 0.268

결과

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

답

σ = −2.5
2.계단 응답

답: ωn = 20.07 rad/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.

감쇠비

ζ = −ln(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 3.912/√(9.87 + 15.3) = 0.7797

고유 진동수

ωd = π/tp = π/0.25 = 12.57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12.57/0.6261 = 20.07 rad/s

답

ωn = 20.07 rad/s
3.보드 선도와 여유

답: |G(jω)| = 22.04 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.

크기를 곱하기

|G(j3)| = 360/(√(3² + 3²)·√(3² + 6²)) = 360/(4.243·6.708) = 12.65

결과

20·log₁₀(12.65) = 22.04 dB

답

|G(jω)| = 22.04 dB
4.보드 선도와 여유

답: K = 168.8

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.

위상 교차

(ω/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6.928 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

필요한 이득

672/K = 1012/20 = 3.981
K = 672/3.981 = 168.8

답

K = 168.8
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: Kmax = 140

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 + 8s² + 19s + 12 + K = 0

라우스 배열

s³: 1, 19
s²: 8, 12 + K
s¹: (8·19 − 12 − K)/8
s⁰: 12 + K

조건

s¹ 항은 양수로 유지되어야 합니다.

K < 8·19 − 12 = 140

답

Kmax = 140

한계에서 루프는 ω = √19 = 4.359 rad/s로 진동합니다.

6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: sb = −0.4514

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) = −s(s + 1)(s + 3) = −(s³ + 4s² + 3s)

정류점

dK/ds = −(3s² + 8s + 3) = 0
s = (−8 ± √(64 − 36))/6 = −0.4514, −2.215

근궤적 위의 점을 고르세요

근궤적은 0과 −1 사이의 실수축 위에 있으며, 다른 근은 근궤적 위에 있지 않습니다.

sb = −0.4514

답

sb = −0.4514
7.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 50 %

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.

위치 상수

Kp = 1·1 = 1

계단 오차

ess = 100/(1 + 1) = 50 %

답

ess = 50 %
8.정상상태 오차와 PID 제어

답: Kd = 0.2361 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 + 4) + 2(10 + Kds) = s² + (4 + 2Kd)s + 20

고유 진동수

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s

미분 이득

4 + 2Kd = 2·0.5·4.472 = 4.472
Kd = 0.2361 s

답

Kd = 0.2361 s

미분 항은 ωₙ을 바꾸지 않고 감쇠를 더합니다.

9.블록선도

답: p = −25

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.

안쪽 루프

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 1/(s + 3 + 1·4) = 1/(s + 7)

바깥 루프

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 18/(s + 7 + 18) = 18/(s + 25)

결과

p = −25

답

p = −25
10.블록선도

답: ω = 3.464 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.

특성방정식

s³ + 8s² + 12s + K = 0

라우스 배열

s³ | 1 12
s² | 8 K
s¹ | (8·12 − K)/8
s⁰ | K

안정 한계

첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.

Kmax = 8·12 = 96

진동 주파수

8·(jω)² + 96 = 0 → ω² = 96/8 = 12
ω = 3.464 rad/s

답

ω = 3.464 rad/s

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