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
직류 전동기(k = 0.8 N·m/A, Ra = 2 Ω)가 110 V에서 동작하며 부하 토크 4 N·m를 구동합니다. 속도 n을(를) rpm 단위로 구하시오.
V = 110 Vk = 0.8 N·m/ARa = 2 ΩT = 4 N·m
n = rpm
2.직류 전동기어려움
240 V 직류 전동기의 전기자 저항이 1.2 Ω입니다. 기동 전류를 60 A로 제한하는 직렬 기동 저항 Rst을(를) 구하시오.
V = 240 VRa = 1.2 ΩImax = 60 A
Rst = Ω
3.기어와 기어열보통
160 mm 풀리가 960 rpm으로 돌며 미끄러짐 2.5 %인 벨트로 250 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.
n1 = 960 rpmd1 = 160 mmd2 = 250 mms = 2.5 %
n2 = rpm
4.기어와 기어열어려움
복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 20개)가 1440 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 24개)를 구동한다. 기어 C(잇수 25개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D를 구동한다. 출력은 1000 rpm으로 돌아야 한다. 기어 D의 잇수 ND은(는) 몇 개여야 하는가?
nin = 1440 rpmA = 20B = 24C = 25nout = 1000 rpm
ND =
5.데이터 수집과 표본화보통
기록 장치가 4개 채널을 각각 50 kHz로 10비트 ADC로 표본화합니다. 각 표본은 전체 바이트로 저장됩니다. 1분 기록에 필요한 메모리 M을(를) MB(1 MB = 10⁶ 바이트) 단위로 구하시오.
n = 4fs = 50 kHzN = 10t = 1 min
M = MB
6.데이터 수집과 표본화어려움
온도 센서가 20 mV/°C를 출력합니다(0 °C에서 0 V). 신호를 2배로 증폭해 입력 범위 0~5 V의 12비트 ADC에 넣습니다(1 LSB = VFSR/2ᴺ). LSB 하나에 해당하는 온도 변화 ΔTLSB을(를) 구하시오.
S = 20 mV/°CG = 2N = 12VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지보통
100 Ω 스트레인 게이지가 네 변이 100 Ω으로 같은 브리지의 한 변(R₂)이며 여기 전압은 6 V입니다. 게이지에서 소비되는 전력 Pg을(를) mW 단위로 구하시오. 자기 발열이 여기 전압을 제한합니다.
Vs = 6 VR = 100 Ω
Pg = mW
8.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지어려움
네 변이 350 Ω인 브리지에 2.5 V를 여기하며 구성은 다음과 같습니다: 능동 게이지 하나(1/4 브리지). 게이지율은 2.1이고 변형률은 1200 µε입니다. 브리지 출력 Vo을(를) mV 단위로 구하시오.
Vs = 2.5 VGF = 2.1ε = 1200 µε
Vo = mV
9.정상상태 오차와 PID 제어보통
포물선 입력 r(t) = 1·t²/2이 G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 1))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.정상상태 오차와 PID 제어어려움
비례 제어기 K = 20이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 4/(s(s + 5))을(를) 제어합니다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.
G(s) = 4/(s(s + 5))K = 20
ts = s
11.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 14/(s² + 6s + 14)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.
G(s) = 14/(s² + 6s + 14)
%OS = %
12.계단 응답어려움
질량 m = 10 kg이 스프링 k = 800 N/m과 점성 댐퍼 c = 27 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 25 N이 갑자기 가해진다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.
m = 10 kgk = 800 N/mc = 27 N·s/mF = 25 N
ζ =
3용액
1.직류 전동기
답: n = 1194 rpm
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.
전기자 전류
Ia = T/k = 4/0.8 = 5 A
역기전력과 속도
E = 110 − 5·2 = 100 V
ω = E/k = 125 rad/s → n = 1194 rpm
답
n = 1194 rpm
2.직류 전동기
답: Rst = 2.8 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 = 240/60 = 4 Ω
기동 저항기
Rst = 4 − 1.2 = 2.8 Ω
답
Rst = 2.8 Ω
전동기 속도가 올라가 역기전력이 커짐에 따라 저항기는 단계적으로 제거됩니다.
3.기어와 기어열
답: n2 = 599 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
960·160/250 = 614.4 rpm
미끄러짐이 있을 때
n2 = 614.4·0.975 = 599 rpm
답
n2 = 599 rpm
4.기어와 기어열
답: ND = 30
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
중간축 속도
nB = nC = 1440·20/24 = 1200 rpm
기어 D의 잇수
ND = C·nC/nout = 25·1200/1000 = 30
답
ND = 30
5.데이터 수집과 표본화
답: M = 24 MB
데이터 전송률: 각 채널은 초당 fs개의 N비트 표본을 내보내므로 원시 전송률은 채널 수 × fs × N bit/s입니다. 메모리에서는 표본이 전체 바이트를 차지하므로(12비트 표본은 2바이트로 저장) 기록에 필요한 메모리는 채널 수 × fs × 표본당 바이트 수 × 시간입니다. 멀티플렉스 ADC는 채널을 차례로 변환합니다. (정착 시간을 포함한) 변환 한 번에 t가 걸리므로 n개 채널을 한 바퀴 도는 데 n·t가 걸리고, 각 채널은 1/(n·t)로 표본화됩니다.
표본당 바이트 수
⌈10/8⌉ = 2 B
바이트 전송률
4·50000·2 = 400000 B/s
메모리
M = 400000·60 = 2.4 × 10⁷ B = 24 MB
답
M = 24 MB
6.데이터 수집과 표본화
답: ΔTLSB = 0.03052 °C
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.
스텝 크기
1 LSB = 5000/4096 = 1.221 mV
ADC에서의 감도
20·2 = 40 mV/°C
온도 분해능
ΔTLSB = 1.221/40 = 0.03052 °C
답
ΔTLSB = 0.03052 °C
ADC는 125 °C에서 풀스케일에 도달합니다.
7.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Pg = 90 mW
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.
게이지에 걸리는 전압
V = 6/2 = 3 V
전력
Pg = 3²/100 = 90 mW
답
Pg = 90 mW
8.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Vo = 1.575 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 = 2.1·1200·10⁻⁶ = 0.00252
브리지 출력
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2.5·0.00252/4 = 1.575 mV
답
Vo = 1.575 mV
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.1
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.
가속도 상수
Ka = 2·5/1 = 10
포물선 오차
ess = 1/10 = 0.1
답
ess = 0.1
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 1.6 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 + 5) + 20·4 = s² + 5s + 80
ωₙ과 ζ
ωₙ = √80 = 8.944 rad/s
ζ = 5/(2·8.944) = 0.2795
정착 시간
ζωₙ = 5/2 = 2.5
ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s
답
ts = 1.6 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.
11.계단 응답
답: %OS = 1.477 %
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 = 14 → ωₙ = 3.742 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·3.742) = 0.8018
결과
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4.215 = 1.477 %
답
%OS = 1.477 %
12.계단 응답
답: ζ = 0.1509
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.