R3의 전류 IR3을(를) 0으로 만드는 전류원 Is의 값(방향은 그림과 같음)을 구하시오.
V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.중첩의 원리어려움
선형 저항 회로에 독립 전원 세 개 V1, V2, Is이(가) 있다. 부하 전류 I를 세 번 측정했다. 모든 전원이 정상값일 때 I = −22.5 mA이다. V1을(를) 두 배로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = −32.5 mA이다. Is의 방향을 반대로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = −8.5 mA이다. V2을(를) 끄고 V1와(과) Is이(가) 정상값일 때의 부하 전류 I을(를) 구하시오.
정상: I = −22.5 mA2·V1: I = −32.5 mA−Is: I = −8.5 mA
I = mA
9.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.RC·RL 과도 현상보통
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 스위치를 닫은 뒤 얼마 후에 전류가 최종값의 50%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.
Vs = 24 VR = 47 ΩL = 22 mH
t = ms
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 24 V이다. t = 25 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 24 Vt = 25 ms
vC = V
13.교류 임피던스와 페이저보통
저항과 인덕터가 50 V(실효값), 60 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 150 mH
I = A
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 10 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 22 µF
I = A
15.교류 전력과 역률보통
유도성 부하가 240 V(실효값) 단상 전원에서 19.5 A와 2808 W를 소비한다. 이 부하를 저항 R과 리액턴스 X의 직렬로 모델링한다. R을(를) 구하시오.
V = 240 VI = 19.5 AP = 2808 W
R = Ω
16.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 400 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.65로 7 kW를 소비한다. 68 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 전원에서 본 새 역률 cos φ을(를) 구하시오.
P = 7 kWpf1 = 0.65V = 400 Vf = 50 HzC = 68 µF
cos φ =
17.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 208 V의 전원에서 선전류 100 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.85(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 208 VIL = 100 Acos φ = 0.85
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 250 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 = 250 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 10:1인 이상 변압기의 1차 권선에 2400 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 30 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 25 kVA 변압기의 철손은 100 W이다. 정격 부하, 역률 0.95(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 25 kVAPcore = 100 Wpf = 0.95η = 97.5%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
5 빨강개의 LED(각각 순방향 전압 2 V)가 저항과 직렬로 24 V 전원에 연결되어 있습니다. 전류를 25 mA로 정하는 저항 R을(를) 구하시오.
Vs = 24 VVF = 2 Vn = 5I = 25 mA
R = Ω
24.다이오드와 트랜지스터어려움
β = 200인 NPN 트랜지스터가 VCC = 12 V와 컬렉터 사이에 연결된 470 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 5 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 5배로 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.
유효 전력에서 구한 저항
R = P/I² = 2808/19.5² = 7.385 Ω
답
R = 7.385 Ω
16.교류 전력과 역률
답: cos φ = 0.8266
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 = 7·tan(arccos 0.65) = 8.184 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·68·10⁻⁶ = 3418 var = 3.418 kvar
Q2 = 8.184 − 3.418 = 4.766 kvar
새 피상 전력
S2 = √(7² + 4.766²) = 8.468 kVA
새 역률
cos φ = P/S2 = 7/8.468 = 0.8266
답
cos φ = 0.8266
17.3상 전력
답: P = 30.62 kW
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.
피상 전력
S = √3·VL·IL = √3·208·100 = 36.03 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 36.03·0.85 = 30.62 kW
답
P = 30.62 kW
18.3상 전력
답: Cph = 579.5 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.
2차 전압과 전류
V2 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/30 = 8 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 0.8 A
답
I1 = 0.8 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 3000 Ω이고, 2400/3000도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Pcu,fl = 509 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 = 25·0.95 = 23.75 kW
Pin = 23750/0.975 = 24359 W
전체 손실과 동손
Ploss = 24359 − 23750 = 609 W
Pcu,fl = 609 − 100 = 509 W
답
Pcu,fl = 509 W
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = 0.404 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.
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 = 10 kΩ · 0.47 µF = 4.7 ms
증가율 = −Vin/(RC) = −(−1.6)/4.7 = 0.3404 V/ms
주어진 시각의 출력
이상값이 ±Vsat 안에 있으므로 적분기는 아직 잘리지 않았습니다.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−1.6)·5/4.7 = 1.702 V
답
Vout = 1.702 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: R = 560 Ω
LED와 다이오드 회로: 순방향 바이어스된 LED는 전류와 관계없이 대략 순방향 전압 VF(빨강은 약 2 V, 파랑이나 흰색은 약 3 V)만큼 전압이 떨어집니다. 직렬 저항이 전류를 정합니다: 직렬 LED n개에 대해 R = (Vs − n·VF)/I. 더 정확한 다이오드 모델 V = V₀ + I·rd에서는 동작점이 다이오드 직선과 부하선 I = (Vs − V)/R이 만나는 곳이므로 I = (Vs − V₀)/(R + rd)입니다.
저항 양단의 전압
VR = 24 − 5·2 = 14 V
저항
R = 14/0.025 = 560 Ω
답
R = 560 Ω
저항은 350 mW를 소비합니다.
24.다이오드와 트랜지스터
답: RB = 6.851 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)/470 = 25.11 mA
최소 베이스 전류
IB(min) = IC(sat)/β = 25.11/200 = 125.5 µA
설계 베이스 전류
IB = 5·125.5 µA = 627.7 µA
베이스 저항
RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.6277 mA = 6.851 kΩ
답
RB = 6.851 kΩ
25.진법
답: U = 188
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
68 = 0100 0100
반전 후: 1011 1011
+1 → 1011 1100
부호 없는 수로 읽기
1011 1100₂ = 256 − 68 = 188
답
U = 188
26.진법
답: R = 179
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.
0111 0110
XOR 1100 0101
= 1011 0011
결과의 값
1011 0011₂ = 179
답
R = 179
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: L = 12
카르노 맵: 칸은 그레이 코드(00, 01, 11, 10) 순서로 배열되므로, 가장자리를 넘어 이웃한 칸을 포함해 이웃한 칸은 정확히 한 변수만 다릅니다. 모든 1이 덮일 때까지 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 직사각형으로, 가능한 한 크고 가능한 한 적게 묶으세요. 각 그룹은 그 안에서 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. 2ᵏ칸의 그룹은 변수 k개를 잃습니다. 무정의항(X)은 그룹을 키우는 데 쓸 수 있지만 반드시 덮을 필요는 없습니다. 0들을 묶으면 최소 POS 형태가 나옵니다.
1 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
ACD
A′B′D′
A′B′C′
ABC
최소 SOP 형태
F = ACD + A′B′D′ + A′B′C′ + ABC
L = 12
답
L = 12
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 5
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.
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).
방정식 변환하기
(s² + 3s + 2)·Y(s) = 4s + 12 + 20/s
Y(s) = (4s² + 12s + 20)/(s(s + 1)(s + 2))
부분분수 전개
A = 20/(1·2) = 10
B = 12/((−1)·1) = −12
C = 12/((−2)·(−1)) = 6
결과
y(t) = 10 − 12·e−t + 6·e−2t
y(0.8) = 5.819
답
y(0.8) = 5.819
확인: y(0) = A + B + C = 4.
31.블록선도
답: τ = 0.1 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.
폐루프 전달함수
T(s) = G/(1 + G·H) = 24/(s + 4 + 6) = 24/(s + 10)
결과
τ = 1/10 = 0.1 s
답
τ = 0.1 s
32.블록선도
답: σ = −4
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 + 8) + 66·1 = 0 → s² + 8s + 66 = 0
근
s = −4 ± j·√(66 − 16) = −4 ± j7.071
σ = −4
답
σ = −4
33.계단 응답
답: ζ = 0.2611
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 = 33 → ωₙ = 5.745 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5.745) = 0.2611
결과
ζ = 0.2611
답
ζ = 0.2611
34.계단 응답
답: K = 134.4
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(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 0.6901
이득
ωₙ = 16/(2ζ) = 11.59 rad/s
K = ωₙ² = 134.4
답
K = 134.4
35.보드 선도와 여유
답: |H| = −0.9599 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.
차단 주파수
ωc = 1/(RC) = 1/(10000·1 × 10⁻⁹) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 32000/15915 = 2.011
이득
|H| = 2.011/√(1 + 2.011²) = 0.8954
20·log₁₀(0.8954) = −0.9599 dB
답
|H| = −0.9599 dB
36.보드 선도와 여유
답: PM = 43.27 °
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 − 38.44 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·38.44))/2 = 4.515
ωc = 2.125 rad/s
위상 여유
∠L(jωc) = −90° − atan(2.125/2) = −136.7°
PM = 180° + ∠L = 43.27°
답
PM = 43.27°
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: ω = 5.657 rad/s
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 + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K
임계 이득
K = 12·32 = 384
보조방정식
임계 이득에서는 s¹ 행이 0이 되고, s² 행이 허수축 위의 극점을 알려 줍니다.
12s² + 384 = 0 → s = ±j√32
ω = 5.657 rad/s
답
ω = 5.657 rad/s
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: θd = 14.04 °
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.
극점의 위치
s² + 8s + 32 = 0 → s = −4 ± j4
s = −5
다른 극점들로부터의 각
∠(−4 + j4 + 5) = atan2(4, 1) = 75.96°
∠(−4 + j4 − (−4 − j4)) = ∠(j8) = 90°
출발각
θd = 180° − 75.96° − 90° = 14.04°
답
θd = 14.04°
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.04
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) = 25
램프 오차
ess = 1/25 = 0.04
답
ess = 0.04
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 4 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 + 2) + 4·1 = s² + 2s + 4
ωₙ과 ζ
ωₙ = √4 = 2 rad/s
ζ = 2/(2·2) = 0.5
정착 시간
ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s
답
ts = 4 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.