R3의 전류 IR3을(를) 0으로 만드는 전류원 Is의 값(방향은 그림과 같음)을 구하시오.
V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 Ω
Is = A
8.중첩의 원리어려움
R3의 전류 IR3을(를) 0으로 만드는 전압원 V2의 값(극성은 그림과 같음)을 구하시오.
V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.테브난·노턴보통
a–b 사이에 부하 RL = 8 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.
V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.테브난·노턴어려움
노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.
V1 = 36 VIs = 1.5 AR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.RC·RL 과도 현상보통
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 20 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 20 ms
i = A
12.RC·RL 과도 현상어려움
타이머가 t = 0에 15 V 전원에서 저항을 통해 충전되지 않은 커패시터를 충전하기 시작한다. 타이머는 시작 후 정확히 10 ms에 커패시터 전압이 7.5 V에 도달할 때 작동해야 한다. C = 10 µF일 때 필요한 저항 R을(를) 구하시오.
Vs = 15 VVth = 7.5 VT = 10 msC = 10 µF
R = kΩ
13.교류 임피던스와 페이저보통
L = 20 mH인 직렬 RLC 회로가 200 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.
f0 = 200 HzL = 20 mH
C = µF
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 VC을(를) 구하시오.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 1 µF
VC = V
15.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.65로 18 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 18 kWpf = 0.65V = 400 V
I = A
16.교류 전력과 역률어려움
150 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.7의 47 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?
Smax = 150 kVAP1 = 47 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
17.3상 전력보통
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 30 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 91%, 역률은 0.86(지상)이다. 전원의 선간 전압은 690 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 30 kWη = 91%cos φ = 0.86VL = 690 V
IL = A
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 300 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 300 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
단상 150 kVA, 7200/240 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 ILV을(를) 구하시오.
S = 150 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
ILV = A
20.변압기어려움
단상 50 kVA 변압기의 철손은 250 W이다. 정격 부하, 역률 0.85(지상)에서 효율은 98%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 50 kVAPcore = 250 Wpf = 0.85η = 98%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
Vin = 1.5 VRa = 1 kΩRb = 2 kΩR1 = 2 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
적분기는 ±15 V 전원의 이상적인 연산 증폭기를 쓰며, 출력은 ±14 V에서 포화된다. t = 0에 일정한 입력 Vin = 0.6 V를 가할 때 커패시터는 충전되어 있지 않다. t = 10 ms에서의 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
6.2 V 제너 레귤레이터에 220 Ω을 통해 20 V를 공급하며 2200 Ω 부하에 전력을 줍니다. 제너 전류 IZ을(를) 구하시오.
Vin = 20 VVZ = 6.2 VR = 220 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.다이오드와 트랜지스터어려움
β = 80인 NPN 트랜지스터가 VCC = 12 V와 컬렉터 사이에 연결된 100 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 3.3 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 확실한 스위칭을 위해 베이스 전류를 포화에 필요한 최솟값의 10배로 설계한다. RB을(를) kΩ 단위로 구하시오.
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
선전류
일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.
I = P/(V·cos φ) = 18000/(400·0.65) = 69.23 A
답
I = 69.23 A
16.교류 전력과 역률
답: ΔP = 95.13 kW
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
기존 부하의 무효 전력
Q1 = 47·tan(arccos 0.7) = 47.95 kvar
최대 전체 유효 전력
정격 전부에서 S = Smax이며, 저항성 부하는 Q를 바꾸지 않습니다.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 47.95²) = 142.1 kW
추가 유효 전력
ΔP = 142.1 − 47 = 95.13 kW
답
ΔP = 95.13 kW
17.3상 전력
답: IL = 32.08 A
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
전기 입력 전력
Pin = Pout/η = 30/0.91 = 32.97 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32967/(√3·690·0.86) = 32.08 A
답
IL = 32.08 A
18.3상 전력
답: Cph = 2769 µF
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.
이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.
정격 전류
두 권선은 같은 피상 전력을 전달합니다.
ILV = S/V = 150000/240 = 625 A
답
ILV = 625 A
20.변압기
답: Pcu,fl = 617.3 W
변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.
출력 전력과 입력 전력
Pout = 50·0.85 = 42.5 kW
Pin = 42500/0.98 = 43367 W
전체 손실과 동손
Ploss = 43367 − 42500 = 867.3 W
Pcu,fl = 867.3 − 250 = 617.3 W
답
Pcu,fl = 617.3 W
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = 12 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
+ 입력의 전압
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1.5·2/(1 + 2) = 1 V
비반전 이득
V₋ = V₊이고, R₁을 흐르는 전류는 Rf도 흐릅니다.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1·(1 + 22/2) = 12 V
답
Vout = 12 V
22.연산 증폭기 회로
답: Vout = −2.727 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
입력 전류와 증가율
kΩ × µF는 밀리초입니다.
RC = 22 kΩ · 0.1 µF = 2.2 ms
증가율 = −Vin/(RC) = −0.6/2.2 = −0.2727 V/ms
주어진 시각의 출력
이상값이 ±Vsat 안에 있으므로 적분기는 아직 잘리지 않았습니다.
Vout = −Vin·t/(RC) = −0.6·10/2.2 = −2.727 V
답
Vout = −2.727 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: IZ = 59.91 mA
제너 레귤레이터: 역방향 바이어스된 제너 다이오드는 전류가 최소값 IZ,min 이상인 동안 전압 VZ를 유지합니다. 직렬 저항 R이 입력과 출력의 차이를 받습니다: IR = (Vin − VZ)/R. 이 전류는 부하 IL = VZ/RL과 제너 IZ = IR − IL로 나뉩니다. 최악의 경우에 맞춰 설계하세요: 입력이 가장 낮고 부하가 가장 클 때도 IZ,min이 남아야 하고, 입력이 가장 높고 부하가 없을 때 제너 전력 PZ = VZ·IZ가 가장 큽니다.
저항 전류
IR = 13.8/220 = 62.73 mA
부하 전류
IL = 6.2/2200 = 2.818 mA
제너 전류
IZ = 62.73 − 2.818 = 59.91 mA
답
IZ = 59.91 mA
24.다이오드와 트랜지스터
답: RB = 0.1763 kΩ
스위치로서의 BJT: 부하를 완전히 켜려면 트랜지스터를 포화 영역으로 구동합니다. 이때 VCE = VCE(sat)이고 컬렉터 전류는 부하가 정합니다: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. 포화에는 최소 IB = IC(sat)/β가 필요합니다. 베이스 전류가 이보다 작으면 트랜지스터는 활성 영역에 머물고 IC = β·IB입니다.
포화 시 컬렉터 전류
IC(sat) = (12 − 0.2)/100 = 118 mA
최소 베이스 전류
IB(min) = IC(sat)/β = 118/80 = 1475 µA
설계 베이스 전류
IB = 10·1475 µA = 14750 µA
베이스 저항
RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/14.75 mA = 0.1763 kΩ
답
RB = 0.1763 kΩ
25.진법
답: U = 162
비트 설정: 각 비트는 2의 거듭제곱(128, 64, …, 1)의 값을 가집니다. 16진수 한 자리는 정확히 네 비트이고, 8비트 2의 보수에서 맨 왼쪽 비트의 값은 −128입니다. 비트 연산은 각 비트 자리를 따로 처리합니다.
반전하고 1 더하기
94 = 0101 1110
반전 후: 1010 0001
+1 → 1010 0010
부호 없는 수로 읽기
1010 0010₂ = 256 − 94 = 162
답
U = 162
26.진법
답: R = 64
비트 설정: 각 비트는 2의 거듭제곱(128, 64, …, 1)의 값을 가집니다. 16진수 한 자리는 정확히 네 비트이고, 8비트 2의 보수에서 맨 왼쪽 비트의 값은 −128입니다. 비트 연산은 각 비트 자리를 따로 처리합니다.
비트별로
XOR은 두 비트가 다른 곳에서 1입니다.
1000 0001
XOR 1100 0001
= 0100 0000
결과의 값
0100 0000₂ = 64
답
R = 64
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 2
멀티플렉서: 2ⁿ-대-1 멀티플렉서는 데이터 입력 중 하나를 출력으로 보내며, 선택선을 이진수로 읽어 어느 것인지 정합니다. 선택선 S₁S₀ = AB인 4-대-1 MUX에서는 F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃입니다. 데이터 입력을 0, 1, C, C′에 연결하면 MUX가 A, B, C의 어떤 함수든 만들 수 있으며, 이는 칩 하나로 논리를 구현하는 흔한 방법입니다.
출력식
F = A′B′C′ + A′BC
F = 1인 행
ABC = 000, 011
N = 2
답
N = 2
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: Q = 11
플립플롭과 카운터: 플립플롭은 클록의 활성 에지에서만 바뀝니다. D는 입력을 복사합니다(Q⁺ = D). T는 T = 1이면 토글합니다. JK는 00이면 유지, 01이면 리셋, 10이면 셋, 11이면 토글합니다. n비트 이진 카운터는 상태가 2ⁿ개이고 2ⁿ을 법으로 세며, mod-N 카운터는 0, 1, …, N − 1을 거쳐 다시 0으로 돌아가고 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n개의 플립플롭이 필요합니다. 리플 카운터는 단마다 주파수가 절반이 되므로 mod-N 카운터의 마지막 출력은 fclk/N으로 동작합니다. 플립플롭 n개의 존슨 카운터는 상태가 2n개, 링 카운터는 n개입니다.
에지마다의 상태
0001 → 0000 → 1000 → 1100 → 0110 → 1011
십진수 값
1011₂ = 11
답
Q = 11
29.라플라스 변환
답: f(0.25) = 3.035
라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
분모 인수분해
s² + 8s + 16 = (s + 4)²
부분분수 전개
3s + 33 = 3(s + 4) + 21
F(s) = 3/(s + 4) + 21/(s + 4)²
역변환
f(t) = 3·e−4t + 21·t·e−4t
f(0.25) = (3 + 21·0.25)·e−4·0.25 = 3.035
답
f(0.25) = 3.035
30.라플라스 변환
답: g(0.5) = 0.5268
라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
전달함수
G(s) = Y(s)/U(s) = 6/(s² + 7s + 12)
부분분수 전개
s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
A = 6, B = −6
임펄스 응답
g(t) = 6·e−3t − 6·e−4t
g(0.5) = 0.5268
답
g(0.5) = 0.5268
31.블록선도
답: ess = 1.739
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) = 3·5/(2·4) = 1.875
정상상태 오차
ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 1.875) = 1.739
답
ess = 1.739
32.블록선도
답: ω = 7.681 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 + 14s² + 59s + 70 + K = 0
라우스 배열
s³ | 1 59
s² | 14 70 + K
s¹ | (14·59 − 70 − K)/14
s⁰ | 70 + K
안정 한계
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
Kmax = 14·59 − 70 = 756
진동 주파수
14·(jω)² + 70 + 756 = 0 → ω² = 826/14 = 59
ω = 7.681 rad/s
답
ω = 7.681 rad/s
33.계단 응답
답: ωn = 8.66 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.
표준형과 비교하기
분모가 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 일치해야 합니다.
ωₙ² = 75 → ωₙ = 8.66 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.66) = 0.2309
결과
ωₙ = 8.66 rad/s
답
ωn = 8.66 rad/s
34.계단 응답
답: ωn = 16.36 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.
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 + 25ω² − 900 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·900))/2 = 20
ωc = 4.472 rad/s
위상 여유
∠L(jωc) = −90° − atan(4.472/5) = −131.8°
PM = 180° + ∠L = 48.19°
답
PM = 48.19°
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: N = 1
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 + 12s − 5 = 0
라우스 배열
s³: 1, 12
s²: 8, −5
s¹: 12.63
s⁰: −5
첫 번째 열의 부호 변화
1 → 8 → 12.63 → −5
N = 1
답
N = 1
양의 피드백은 상수항 계수를 음수로 만듭니다. 실수 극점 하나는 언제나 우반평면으로 이동합니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: sb = −4.753
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 + 8s)/(s + 15)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 8)(s + 15) − (s² + 8s) = s² + 30s + 120 = 0
s = −15 ± √105 = −4.753, −25.25
분기점
sb = −4.753
답
sb = −4.753
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √105 = 10.25입니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.5
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) = 2
램프 오차
ess = 1/2 = 0.5
답
ess = 0.5
40.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) + 8·5 = s² + 4s + 40
ωₙ과 ζ
ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 4/(2·6.325) = 0.3162
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.
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