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)2?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 100/(s² + 4s + 50)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 100/(s² + 4s + 50)
%OS = %
2.계단 응답어려움
R(s)+155s(s + 5)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = 155/(s(s + 5))이다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 폐루프 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 155/(s(s + 5))
ts = s
3.보드 선도와 여유보통
vin​L = 20 mHC = 0.1 µFR = 20 Ωvout​

그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 20 Ω 양단에서 취하며, L = 20 mH, C = 0.1 µF입니다. 중심(공진) 주파수 f0을(를) Hz 단위로 구하시오.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 0.1 µF
f0 = Hz
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 + 1)(s + 6))이다. 이득 여유 5 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))GM = 5 dB
K =
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K1s(s + 4)(s + 8)C(s)−

그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))
Kmax =
6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−1−2−3−4−5−6j1−1.5

루프 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))에서 폐루프 극점을 s = −1.5에 놓는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))s = −1.5
K =
7.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K(s + 2)(s + 5)C(s)−

단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 5))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 20 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 20 %
K =
8.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+K = 25s(s + 4)C(s)−

비례 제어기 K = 2이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 5/(s(s + 4))을(를) 제어합니다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 5/(s(s + 4))K = 2
ts = s
9.블록선도보통
R(s)+16K+1s + 7G(s)C(s)4H₁−−

플랜트 G(s) = 1/(s + 7)에 이득 H₁ = 4인 안쪽(마이너) 부피드백 루프가 있다. 제어기 이득 K = 16과 바깥쪽 단위 부피드백 루프가 시스템을 닫는다. 폐루프 극점 p을(를) 구하시오.

G(s) = 1/(s + 7)H₁ = 4K = 16
p =
10.블록선도어려움
R(s)+K제어기+D(s)+6s + 10플랜트C(s)−

비례 제어기 K가 플랜트 G(s) = 6/(s + 10)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. R = 0일 때 크기 2의 외란 계단이 플랜트 입력에 들어온다. 정상상태 출력을 0.06 이하로 유지하는 최소 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = 6/(s + 10)D = 2css ≤ 0.06
K =

3용액

1.계단 응답

답: %OS = 39.6 %

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 = 50 → ωₙ = 7.071 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7.071) = 0.2828

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.9264 = 39.6 %

답

%OS = 39.6 %
2.계단 응답

답: ts = 1.6 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.

폐루프 전달함수

T(s) = 155/(s² + 5s + 155): ωₙ = 12.45 rad/s, ζ = 0.2008

정착 시간

ζωₙ = 5/2 = 2.5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1.6 s

답

ts = 1.6 s

이 루프에서는 K와 상관없이 ζωₙ = a/2입니다. K를 키우면 오버슈트만 늘고 정착 시간은 짧아지지 않습니다.

3.보드 선도와 여유

답: f0 = 3559 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/√(0.02·1 × 10⁻⁷) = 22361 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3559 Hz

답

f0 = 3559 Hz
4.보드 선도와 여유

답: K = 23.62

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.

위상 교차

(ω/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2.449 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

필요한 이득

42/K = 105/20 = 1.778
K = 42/1.778 = 23.62

답

K = 23.62
5.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: Kmax = 384

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 + 12s² + 32s + K = 0

라우스 배열

s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

조건

첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.

K > 0
12·32 − K > 0 → K < 384

답

Kmax = 384

K = 384에서 폐루프는 ω = √32 = 5.657 rad/s로 진동합니다.

6.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: K = 2.625

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 + 2|·|s + 5|

그 점에서 계산하세요

K = 1.5·0.5·3.5 = 2.625

답

K = 2.625

확인: s(s + 2)(s + 5) + K는 s = −1.5에서 0입니다.

7.정상상태 오차와 PID 제어

답: K = 40

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) = 0.2 → Kp = 4

이득

K/10 = 4 → K = 40

답

K = 40

폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.

8.정상상태 오차와 PID 제어

답: ts = 2 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) + 2·5 = s² + 4s + 10

ωₙ과 ζ

ωₙ = √10 = 3.162 rad/s
ζ = 4/(2·3.162) = 0.6325

정착 시간

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

답

ts = 2 s

이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.

9.블록선도

답: p = −27

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 + 7 + 1·4) = 1/(s + 11)

바깥 루프

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 16/(s + 11 + 16) = 16/(s + 27)

결과

p = −27

답

p = −27
10.블록선도

답: K = 31.67

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.

외란 응답

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·6/(10 + 6K)

K에 대해 풀기

10 + 6K = 2·6/0.06 = 200
K = (200 − 10)/6 = 31.67

답

K = 31.67

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