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1[7급 국가직 자동제어] 21년 1회차
전달함수 G(s)G(s)의 단위계단응답이 (1−e−t)us(t)(1-e^{-t})u_s(t)이고 제어기 C(s)=KP(1+TIs)C(s)=K_P\left(1+\dfrac{T_I}{s}\right)로 단위 피드백 제어시스템을 구성한다. 폐루프 극점의 감쇠비가 0.5이고 단위경사입력(unit ramp input)에 대한 정상상태오차가 19\dfrac{1}{9}일 때, KPK_P와 TIT_I의 값은? (단, us(t)u_s(t)는 단위계단함수이다)

KP‾\underline{K_P} TI‾\underline{T_I}
문제 이미지
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1 4.5
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1 9
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2 4.5
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2 9
해설

두 조건을 연립하면 KP=2K_P=2, TI=4.5T_I=4.5이다.

계단응답 1−e−t1-e^{-t}에서 G(s)=1s+1G(s)=\dfrac{1}{s+1}이고, 개루프 전달함수는 KP(s+TI)s(s+1)\dfrac{K_P(s+T_I)}{s(s+1)}이다.
속도오차상수 Kv=KPTIK_v=K_PT_I, 경사입력 오차 1KPTI=19\dfrac{1}{K_PT_I}=\dfrac{1}{9}이므로 KPTI=9K_PT_I=9이다.

특성방정식 s2+(1+KP)s+KPTI=s2+(1+KP)s+9=0s^2+(1+K_P)s+K_PT_I=s^2+(1+K_P)s+9=0에서 ωn=3\omega_n=3이다.
2ζωn=2×0.5×3=3=1+KP2\zeta\omega_n=2\times0.5\times3=3=1+K_P이므로 KP=2K_P=2, TI=92=4.5T_I=\dfrac{9}{2}=4.5이다.

  • KP=1K_P=1인 조합: 2ζωn=1+KP=22\zeta\omega_n=1+K_P=2가 되어, TI=4.5T_I=4.5이면 ζ=14.5≈0.47\zeta=\dfrac{1}{\sqrt{4.5}}\approx0.47, TI=9T_I=9이면 ζ=13\zeta=\dfrac{1}{3}로 감쇠비 0.5를 만족하지 않는다.
  • KP=2K_P=2, TI=9T_I=9: KPTI=18K_PT_I=18이 되어 경사입력 오차가 118\dfrac{1}{18}이 된다.

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