선형 저항 회로에 독립 전원 세 개 V1, V2, Is이(가) 있다. 부하 전류 I를 세 번 측정했다. 모든 전원이 정상값일 때 I = 10.5 mA이다. V1을(를) 두 배로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = 21.5 mA이다. Is의 방향을 반대로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = 34.5 mA이다. V2을(를) 끄고 V1와(과) Is이(가) 정상값일 때의 부하 전류 I을(를) 구하시오.
정상: I = 10.5 mA2·V1: I = 21.5 mA−Is: I = 34.5 mA
I = mA
9.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.
V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.RC·RL 과도 현상보통
전원 Vₛ가 R₁을 통해 커패시터를 충전하며, R₂는 C와 병렬로 연결되어 있습니다. t = 0에서 스위치가 닫힐 때 커패시터는 충전되어 있지 않다. t = 20 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR1 = 6.8 kΩR2 = 2.2 kΩC = 33 µFt = 20 ms
vC = V
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 18 V이다. t = 1000 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 Vt = 1000 ms
vC = V
13.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 230 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).
V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
φ = °
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로를 10 V(실효값) 전원으로 구동하며, 전원 주파수는 회로의 공진 주파수로 맞추어져 있다. 인덕터 양단의 실효 전압 VL을(를) 구하시오.
V = 10 V (rms)R = 50 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
VL = V
15.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.7로 35 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 30 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 93%, 역률은 0.9(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0.9VL = 415 V
IL = A
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 60 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 4:1인 이상 변압기의 1차 권선에 920 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 60 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 4:1V1 = 920 VRL = 60 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 200 kVA 변압기의 철손은 1600 W이다. 정격 부하, 역률 0.9(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 200 kVAPcore = 1600 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
Vin = 0.9 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
가산 증폭기는 ±15 V 전원의 이상 연산 증폭기를 사용한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
V1 = −1.5 VV2 = 1.5 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.다이오드와 트랜지스터보통
β = 150인 NPN 트랜지스터가 전원 VCC = 9 V에서 베이스 저항 RB = 470 kΩ을(를) 통해 바이어스된다. 컬렉터 저항은 RC = 1.2 kΩ이고 이미터는 접지되어 있다. VBE = 0.7 V로 하고 트랜지스터가 활성 영역에 있다고 가정한다. 컬렉터–이미터 전압 VCE을(를) 구하시오.
VCC = 9 VRB = 470 kΩRC = 1.2 kΩβ = 150VBE = 0.7 V
VCE = V
24.다이오드와 트랜지스터어려움
β = 50인 NPN 트랜지스터가 VCC = 9 V와 컬렉터 사이에 연결된 470 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 4배로 설계한다. RB을(를) kΩ 단위로 구하시오.
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
공진
공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·2.2·10⁻⁶) = 3015 rad/s
I = V/R = 10/50 = 0.2 A
인덕터 양단의 전압
XL = ω₀L = 3015·0.05 = 150.8 Ω
VL = I·XL = 0.2·150.8 = 30.15 V
답
VL = 30.15 V
이는 전원 전압의 Q = 3.015배입니다.
15.교류 전력과 역률
답: I = 125 A
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) = 35000/(400·0.7) = 125 A
답
I = 125 A
16.교류 전력과 역률
답: Inew = 127.6 A
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.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.
Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(49.46°) = 35.07 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(11.48°) = 6.092 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28.98 kvar
새 선전류
Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(240·0.98) = 127.6 A
답
Inew = 127.6 A
17.3상 전력
답: IL = 49.86 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 = 30/0.93 = 32.26 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·415·0.9) = 49.86 A
답
IL = 49.86 A
18.3상 전력
답: Cph = 107.4 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.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.
Q1 = 60·tan(acos 0.8) = 60·0.75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 19.44 kvar
상당 정전 용량
Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.
V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 6480/(377·400²) = 107.4 µF
답
Cph = 107.4 µF
19.변압기
답: I1 = 0.9583 A
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.
2차 전압과 전류
V2 = 920/4 = 230 V
I2 = 230/60 = 3.833 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 0.9583 A
답
I1 = 0.9583 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 960 Ω이고, 920/960도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Pcu,fl = 3015 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 = 200·0.9 = 180 kW
Pin = 180000/0.975 = 184615 W
전체 손실과 동손
Ploss = 184615 − 180000 = 4615 W
Pcu,fl = 4615 − 1600 = 3015 W
답
Pcu,fl = 3015 W
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = 2.823 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.
반전 입력이 입력을 따라감
V₋ = V₊ = 0.9 V
I = V₋/R1 = 0.9/22 = 0.04091 mA
출력 전압
R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.
Vout = V₋ + I·Rf = 0.9 + 0.04091·47 = 2.823 V
답
Vout = 2.823 V
22.연산 증폭기 회로
답: Vout = 1.35 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 전류
V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.
I1 = V1/R1 = −1.5/1 = −1.5 mA
I2 = V2/R2 = 1.5/10 = 0.15 mA
If = I1 + I2 = −1.35 mA
출력 전압
Vout = −Rf·If = −1·(−1.35) = 1.35 V
답
Vout = 1.35 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 5.821 V
BJT 동작점: 활성 영역에서 VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB입니다. 베이스 루프에 KVL을 적용해 IB를 구하고, 이어서 IC를, 그다음 컬렉터–이미터 루프에서 VCE를 구하세요. 베이스의 분압기는 테브난 등가 VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂로 대체하며, 이미터 저항은 베이스 루프에서 (β + 1)배 크게 나타납니다.
베이스 전류
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/470 kΩ = 17.66 µA
컬렉터 전류
IC = β·IB = 150·17.66 µA = 2.649 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 9 − 2.649 mA·1.2 kΩ = 5.821 V
답
VCE = 5.821 V
24.다이오드와 트랜지스터
답: RB = 1.736 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) = (9 − 0.2)/470 = 18.72 mA
최소 베이스 전류
IB(min) = IC(sat)/β = 18.72/50 = 374.5 µA
설계 베이스 전류
IB = 4·374.5 µA = 1498 µA
베이스 저항
RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/1.498 mA = 1.736 kΩ
답
RB = 1.736 kΩ
25.진법
답: U = 214
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
42 = 0010 1010
반전 후: 1101 0101
+1 → 1101 0110
부호 없는 수로 읽기
1101 0110₂ = 256 − 42 = 214
답
U = 214
26.진법
답: N = 1.049 × 10⁶
위치 기수법: 각 자리의 값은 그 숫자에 밑의 거듭제곱을 곱한 것입니다. 2진수의 자리값은 1, 2, 4, 8, 16, …, 16진수는 1, 16, 256, …이며 A–F는 10–15를 뜻합니다. 8비트 2의 보수에서 가장 왼쪽 비트는 +128이 아니라 −128의 값을 가지며, 이렇게 음수를 저장합니다.
최댓값
220 − 1 = 1048575
답
N = 1048575
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′BC + ABC′
F = 1인 행
ABC = 011, 110
N = 2
답
N = 2
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 3
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.
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
s(s + 2) + 34·2 = 0 → s² + 2s + 68 = 0
근
s = −1 ± j·√(68 − 1) = −1 ± j8.185
σ = −1
답
σ = −1
33.계단 응답
답: %OS = 2.43 %
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 = 21 → ωₙ = 4.583 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4.583) = 0.7638
결과
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3.717 = 2.43 %
답
%OS = 2.43 %
34.계단 응답
답: K = 183.1
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 + 16s + K)
오버슈트로 구하는 감쇠비
ζ = −ln(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 0.5912
이득
ωₙ = 16/(2ζ) = 13.53 rad/s
K = ωₙ² = 183.1
답
K = 183.1
35.보드 선도와 여유
답: f0 = 159.2 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/√(0.1·1 × 10⁻⁵) = 1000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 159.2 Hz
답
f0 = 159.2 Hz
36.보드 선도와 여유
답: ωc = 9.997 rad/s
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 − 16384 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·16384))/2 = 99.94
ωc = 9.997 rad/s
답
ωc = 9.997 rad/s
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: m = 4
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.
라우스 배열
s³ + 16s² + 60s + K = 0
s³: 1, 60
s²: 16, K
s¹: (16·60 − K)/16
s⁰: K
안정한 최대 이득
Kmax = 16·60 = 960
배율
m = 960/240 = 4
답
m = 4
이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 12.04 dB입니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: σa = −3
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.
극점과 영점
극점: 0, −4, −3
0: −1
n − m = 3 − 1 = 2
도심
σa = (−7 − (−1))/2 = −3
답
σa = −3
2개의 점근선이 중심점에서 90°, 270°의 각도로 뻗어 나갑니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 500
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 속도 상수
Kv = A/ess = 10/0.02 = 500
이득
K = 1·Kv = 500
답
K = 500
이득이 크면 이 루프는 감쇠가 매우 작아집니다: ζ = 0.02236. 이런 상충 때문에 보상기를 사용합니다.
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: %OS = 12.03 %
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.