ess = A/(1 + Kp), A/Kv 또는 A/Ka를 적용하거나, 필요한 이득에 대해 풀이하세요.
감쇠나 속도 사양이 주어지면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζω_n·s + ω_n²과 대응시키세요.
2연습 문제
1.직류 전동기보통
k = 0.15 N·m/A, Ra = 0.8 Ω인 직류 전동기를 24 V에 연결했습니다. 속도가 0일 때의 토크인 정지 토크 Tstall을(를) 구하시오.
V = 24 Vk = 0.15 N·m/ARa = 0.8 Ω
Tstall = N·m
2.직류 전동기어려움
110 V 직류 전동기의 전기자 저항이 0.25 Ω입니다. 기동 전류를 80 A로 제한하는 직렬 기동 저항 Rst을(를) 구하시오.
V = 110 VRa = 0.25 ΩImax = 80 A
Rst = Ω
3.기어와 기어열보통
120 mm 풀리가 960 rpm으로 돌며 미끄러짐 4 %인 벨트로 400 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.
n1 = 960 rpmd1 = 120 mmd2 = 400 mms = 4 %
n2 = rpm
4.기어와 기어열어려움
복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 20개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 40개)를 구동한다. 기어 C(잇수 72개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 80개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.
nin = 2900 rpmA = 20B = 40C = 72D = 80
nout = rpm
5.데이터 수집과 표본화보통
풀스케일 사인파에 대한 10비트 ADC의 이상적인 신호 대 양자화 잡음비 SQNR을(를) 구하시오.
N = 10
SQNR = dB
6.데이터 수집과 표본화어려움
오디오 측정에 풀스케일 사인파에 대해 이상적인 신호 대 양자화 잡음비가 최소 85 dB 필요합니다. 필요한 최소 ADC 비트 수 N을(를) 구하시오.
SQNR ≥ 85 dB
N =
7.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지보통
그림의 브리지를 출력 단자 a와 b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.
Vs = 9 VR1 = 800 ΩR2 = 400 ΩR3 = 300 ΩR4 = 120 Ω
Rth = Ω
8.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지어려움
네 변이 120 Ω인 브리지에 5 V를 여기하며 구성은 다음과 같습니다: 능동 게이지 넷, 둘은 인장·둘은 압축(풀 브리지). 게이지율은 2.05이고 변형률은 1500 µε입니다. 브리지 출력 Vo을(를) mV 단위로 구하시오.
Vs = 5 VGF = 2.05ε = 1500 µε
Vo = mV
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 1)(s + 4))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 2 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.
G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 2 %
K =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
비례 제어기 K = 50이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 1/(s(s + 8))을(를) 제어합니다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 1/(s(s + 8))K = 50
ts = s
11.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 128/(s² + 9s + 64)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 피크 시간 tp을(를) 구하시오.
G(s) = 128/(s² + 9s + 64)
tp = s
12.계단 응답어려움
질량 m = 1 kg이 스프링 k = 5000 N/m과 점성 댐퍼 c = 71 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 100 N이 갑자기 가해진다. 변위의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.
m = 1 kgk = 5000 N/mc = 71 N·s/mF = 100 N
%OS = %
3용액
1.직류 전동기
답: Tstall = 4.5 N·m
직류 전동기: 전기자는 저항 Ra와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + Ia·Ra입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·Ia입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·Ia = T·ω이고, 입력 전력은 V·Ia이며, 그 차이는 동손 Ia²Ra와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − Ra·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/Ra일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/Ra가 큽니다.
정지 전류
Ia = V/Ra = 24/0.8 = 30 A
정지 토크
Tstall = 0.15·30 = 4.5 N·m
답
Tstall = 4.5 N·m
2.직류 전동기
답: Rst = 1.125 Ω
직류 전동기: 전기자는 저항 Ra와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + Ia·Ra입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·Ia입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·Ia = T·ω이고, 입력 전력은 V·Ia이며, 그 차이는 동손 Ia²Ra와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − Ra·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/Ra일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/Ra가 큽니다.
전체 저항
Ra + Rst = 110/80 = 1.375 Ω
기동 저항기
Rst = 1.375 − 0.25 = 1.125 Ω
답
Rst = 1.125 Ω
전동기 속도가 올라가 역기전력이 커짐에 따라 저항기는 단계적으로 제거됩니다.
3.기어와 기어열
답: n2 = 276.5 rpm
벨트 구동: 미끄러짐이 없으면 두 풀리의 림 속도가 v = π·d·n/60으로 같으므로 n₁·d₁ = n₂·d₂이고 속도비는 d₂/d₁입니다. 미끄러짐 s가 있으면 종동 풀리가 조금 느려집니다: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). 전달 동력은 P = (T₁ − T₂)·v이며, T₁은 긴장측 장력, T₂는 이완측 장력입니다. 마찰이 장력의 비를 제한합니다: T₁/T₂ = eμθ이며, θ는 작은 풀리의 접촉각(라디안)입니다. 평벨트에서는 축간 거리 C에 대해 θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C))입니다.
미끄러짐 없을 때의 속도
960·120/400 = 288 rpm
미끄러짐이 있을 때
n2 = 288·0.96 = 276.5 rpm
답
n2 = 276.5 rpm
4.기어와 기어열
답: nout = 1305 rpm
기어열: 맞물린 기어는 이에서의 속도가 같으므로 n₁·N₁ = n₂·N₂입니다. 잇수가 적은 기어가 더 빨리 돕니다. 같은 축에 있는 기어는 같은 속도로 돕니다. 동력은 (손실을 빼고) 그대로 전달되므로 속도가 줄면 토크가 커집니다: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, 그리고 P = T·ω, ω = 2π·n/60.
1단
nB = 2900·20/40 = 1450 rpm = nC
2단
nout = 1450·72/80 = 1305 rpm
답
nout = 1305 rpm
전체 기어비 = 2.222 : 1
5.데이터 수집과 표본화
답: SQNR = 61.96 dB
ADC 분해능: N비트 변환기는 풀스케일 범위 VFSR을 0부터 2ᴺ − 1까지 2ᴺ개의 코드로 나눕니다. 한 스텝은 1 LSB = VFSR/2ᴺ로, 변환기가 나타낼 수 있는 가장 작은 변화입니다. 절사형 ADC는 코드 ⌊Vin/LSB⌋를 주고, 반올림형 ADC는 참값에서 ½ LSB 넘게 벗어나지 않으며 이것이 양자화 오차입니다. 비트가 하나 늘 때마다 LSB는 절반이 되고, 풀스케일 사인파에 대한 이상적인 신호 대 양자화 잡음비 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB는 약 6 dB 높아집니다. 범위에서 분해능 r을 얻으려면 2ᴺ ≥ 범위/r을 만족하는 가장 작은 N을 고르세요.
이상적인 SQNR
SQNR = 6.02·10 + 1.76 = 61.96 dB
답
SQNR = 61.96 dB
6.데이터 수집과 표본화
답: N = 14
ADC 분해능: N비트 변환기는 풀스케일 범위 VFSR을 0부터 2ᴺ − 1까지 2ᴺ개의 코드로 나눕니다. 한 스텝은 1 LSB = VFSR/2ᴺ로, 변환기가 나타낼 수 있는 가장 작은 변화입니다. 절사형 ADC는 코드 ⌊Vin/LSB⌋를 주고, 반올림형 ADC는 참값에서 ½ LSB 넘게 벗어나지 않으며 이것이 양자화 오차입니다. 비트가 하나 늘 때마다 LSB는 절반이 되고, 풀스케일 사인파에 대한 이상적인 신호 대 양자화 잡음비 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB는 약 6 dB 높아집니다. 범위에서 분해능 r을 얻으려면 2ᴺ ≥ 범위/r을 만족하는 가장 작은 N을 고르세요.
N에 대해 풀기
N ≥ (85 − 1.76)/6.02 = 13.83
올림하기
N = 14
검산: 6.02·14 + 1.76 = 86.04 dB ≥ 85 dB
답
N = 14
7.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Rth = 352.4 Ω
휘트스톤 브리지: 두 개의 분압기가 하나의 전원 Vs를 공유합니다. 왼쪽 분압기 R1–R2는 Va = Vs·R2/(R1 + R2)를, 오른쪽 분압기 R3–R4는 Vb = Vs·R4/(R3 + R4)를 주며, 출력은 Vab = Va − Vb입니다. 브리지는 R1/R2 = R3/R4, 즉 R1·R4 = R2·R3일 때 평형(Vab = 0, 계기에 전류가 흐르지 않음)입니다. 출력 단자에서 보면 브리지는 Rth = R1∥R2 + R3∥R4인 테브난 전원입니다.
전원 단락
R₁∥R₂ = 800·400/1200 = 266.7 Ω
R₃∥R₄ = 300·120/420 = 85.71 Ω
테브난 저항
Rth = 352.4 Ω
답
Rth = 352.4 Ω
8.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Vo = 15.38 mV
스트레인 게이지: 게이지는 변형률에 따라 저항이 변합니다: ΔR/R = GF·ε이며, 게이지율 GF는 금속 박막에서 약 2입니다. 모든 변이 R로 같은 브리지에서 능동 게이지 하나(1/4 브리지)는 Vo ≈ Vs·GF·ε/4를 줍니다. 서로 인접한 변에 반대 변형률을 받는 능동 게이지 둘(1/2 브리지)은 Vs·GF·ε/2를, 넷(풀 브리지)은 Vs·GF·ε를 줍니다. 응력은 훅의 법칙 σ = E·ε에서 구합니다. 로드셀은 감도를 mV/V로 표기합니다. 이는 여기 전압 1 V당 정격 하중에서의 출력입니다.
상대 저항 변화
ΔR/R = 2.05·1500·10⁻⁶ = 0.003075
브리지 출력
Vo = Vs·GF·ε = 5·0.003075 = 15.38 mV
답
Vo = 15.38 mV
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 196
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) = 0.02 → Kp = 49
이득
K/4 = 49 → K = 196
답
K = 196
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 1 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 + 8) + 50·1 = s² + 8s + 50
ωₙ과 ζ
ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 8/(2·7.071) = 0.5657
정착 시간
ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s
답
ts = 1 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.
11.계단 응답
답: tp = 0.475 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.