제어 시스템 공학-개정3판

제어 공학이 공학 분야에서 차지하는 비중은 대단히 크다고 할 수 있다. 전기전자, 기계, 화공 등 공학의 여러 가지 분야와 관련이 있으며, 산업계에서도 중요하고 유용한 분야이다. 제어 공학에 관한 서적은 여러 가지가 있으며, 특히 해외에서 발간된 서적들 중에는 좋은 책들이 많이 있다. 초판을 저술할 당시에는 우리말로 된 완성도 있는 책을 만들고자 하는 의도에서 저술을 시작하였다. 그 후 우리말로 된 많은 책들이 나왔지만 여전히 우리말로 된 제어 공학 서적들 중 많은 서적들은 외국 서적을 번역한 책들이다. 그러나 외국어와 우리말은 근본적인 차이점이 있어서 번역을 하였을 때 저자의 의도가 제대로 전달되기가 어려운 것이 사실이다. 따라서 이 책을 써가는 과정에서 외국의 서적들을 참고하였지만, 설명하는 과정에서는 되도록 외국 서적의 설명하는 논조와는 다르게 우리말에 맞는 설명을 하도록 노력하였다. 또한, 설명하는 과정도 되도록이면 논리의 비약 없이 매끄러운 설명이 되도록 하였다.

저자가 오랫동안 학생들을 가르치면서 느낀 것은 학생들이 시간 영역과 주파수 영역에서의 방법들의 명확한 개념을 잡는 것에 대해서 어려움을 겪는다는 점이다. 따라서 그러한 점을 되도록 명확히 하기 위해서 1장에서 시간 영역과 주파수 영역의 개념에 대해서 설명을 하였고, 이후의 장에 대해서도 시간 영역의 방법과 주파수 영역의 방법에 관련된 장들을 구분하여 나누었다. 또한, 많은 제어 공학 서적들이 주파수 영역에서의 제어기 설계에 대해서 많은 지면을 할애하는 반면 상태 변수를 이용한 제어기 설계는 다소 적게 다루고 있지만, 이 책에서는 그 두 가지 방법에 대해서 가급적 균형있게 다루려고 노력하였다. 물론 대학생 수준의 독자들을 위한 제어 공학 서적의 성격상 주파수 영역에서의 설계가 많이 포함되지만, 상태 변수를 이용한 제어기 설계도 기본적인 내용은 포함하려고 노력하였다. 국내에서 통상적으로 제어 공학은 두 학기에 걸쳐서 가르치게 되므로, 두 학기에 가르치기에 적절한 분량이 포함되었다고 생각한다. 그러나 학생들이 잘 준비된 경우라면 한 학기에 가르치는 것도 가능하리라 생각되지만, 저자의 경험상 그렇게 하기에는 좀 무리가 있으리라 생각한다.

공학 분야에서 컴퓨터 소프트웨어를 이용한 해석 및 설계의 과정은 대단히 중요하고 유용하다. 제어 공학 분야에 사용되는 컴퓨터 소프트웨어는 여러 가지가 있으며, The MathWorks, Inc.의 MATLAB은 가장 많이 사용되는 소프트웨어 중의 하나이다. 이러한 소프트웨어를 사용하여 복잡하고 시간이 많이 걸리는 계산은 컴퓨터에게 맡기고 엔지니어는 보다 창조적인 일에 시간을 써야 할 것이며, 학생들도 이러한 컴퓨터 소프트웨어에 익숙해지도록 해야 한다. 본 서적에서는 많은 예제에서 MATLAB을 이용한 풀이 방법을 포함하였다.

[목 차]

Chapter 01 제어 시스템의 개념

1.1 제어 시스템

1.2 피드백 제어

1.3 시간 영역과 주파수 영역

1.4 디지털 제어 시스템

1.5 실험 실습: Lab 1

 

Chapter 02 제어 시스템 공학의 기초 수학

2.1 복소수 및 복소 함수

2.1.1 복소수

2.1.2 복소 함수

2.2 미분 방정식

2.3 미분 방정식과 제어 시스템의 관계

2.4 라플라스 변환

2.4.1 라플라스 변환의 정의

2.4.2 라플라스 변환의 특징

2.4.3 역라플라스 변환

2.4.4 라플라스 변환을 이용한 미분 방정식의 해

2.4.5 라플라스 변환의 의미

2.5 행렬

2.5.1 행렬의 정의

2.5.2 행렬의 연산

2.5.3 행렬식

2.5.4 역행렬

2.5.5 연립 방정식과 특이 행렬

2.5.6 고윳값과 고유 벡터

2.6 수치 적분과 실시간 시뮬레이션

2.7 실험 실습: Lab 2

연습문제

 

Chapter 03 제어 시스템의 모델링

3.1 미분 방정식을 이용한 동적 시스템 모델링

3.2 전달 함수

3.3 블록 선도

3.4 신호 흐름도

3.5 상태 변수 방정식

3.6 상태 변수를 이용한 동적 시스템 모델링

3.7 비선형 시스템의 선형화

3.8 제어 시스템의 센서

3.9 실험 실습: Lab 3

연습문제

 

Chapter 04 제어 시스템의 성능

4.1 제어 시스템 성능 개요

4.2 제어 시스템의 과도 성능

4.3 과도 상태 응답

4.3.1 1차 시스템의 과도 상태 응답

4.3.2 2차 시스템의 과도 상태 응답

4.4 제어 시스템의 안정도

4.4.1 제어 시스템 안정도의 정의

4.4.2 Routh-Hurwitz의 방법

4.5 정상 상태 성능

4.5.1 단위 피드백 시스템의 정상 상태 오차

4.5.2 단위 피드백이 아닌 시스템의 정상 상태 오차

4.6 아날로그 다이내믹 시뮬레이터

4.7 실험 실습: Lab 4

연습문제

 

Chapter 05 근 궤적 법

5.1 근 궤적 법의 개요

5.2 근 궤적의 특징 및 근 궤적을 그리는 방법

5.3 극점과 영점이 근 궤적에 미치는 영향

5.3.1 극점이 근 궤적에 미치는 영향

5.3.2 영점이 근 궤적에 미치는 영향

5,4 제어기와 근 궤적

5.4.1 PD 제어기와 근 궤적

5.4.2 진상 제어기와 근 궤적

5.4.3 PI 제어기, 지상 제어기와 근 궤적

5.5 실험 실습: Lab 5

연습문제

 

Chapter 06 주파수 응답을 이용한 해석 법

6.1 주파수 응답

6.1.1 주파수 응답의 정의

6.1.2 주파수 응답과 극점의 관계

6.2 보드 선도

6.3 나이퀴스트 안정도 판별법

6.4 안정도 여유

6.5 보드의 이득과 위상의 관계

6.6 폐루프 전달 함수의 주파수 응답

6.6.1 개루프 전달 함수와 폐루프 전달 함수의 관계

6.6.2 니콜스 선도

6.7 실험에 의한 주파수 응답 측정

6.8 실험 실습: Lab 6

연습문제

 

Chapter 07 주파수 영역에서의 제어기 설계

7.1 PD 제어기의 설계

7.2 진상 제어기의 설계

7.3 PI 제어기의 설계

7.4 지상 제어기의 설계

7.5 PID 제어기와 진상-지상 제어기

7.6 디지털 제어기의 구현

7.7 실험 실습: Lab 7

연습문제

 

Chapter 08 상태 변수 방정식을 이용한 제어 시스템 해석

8.1 상태 변수 방정식과 전달 함수의 관계

8.2 상태 변수 방정식의 안정도

8.3 상태 변수 방정식과 시스템 응답

8.4 제어 가능성

8.5 관측 가능성

8.6 상태 변수의 변환

8.7 전달 함수와 제어/관측 가능성의 관계

8.8 실험 실습: Lab 8

연습문제

 

Chapter 09 상태 변수 방정식을 이용한 제어 시스템 설계

9.1 상태 변수 피드백 제어기

9.1.1 기준 입력이 0인 경우의 상태 변수 피드백 제어기

9.1.2 기준 입력이 0이 아닌 경우의 상태 변수 피드백 제어기

9.2 상태 변수 추정기

9.3 상태 변수 추정기 기반 제어기

9.3.1 기준 입력이 0인 경우의 상태 변수 추정기 기반 제어기

9.3.2 기준 입력이 0이 아닌 경우의 상태 변수 추정기 기반 제어기

9.4 적분형 상태 변수 피드백 제어기

9.5 실험 실습: Lab 9

연습문제

 

[부록 A] 라플라스 변환 표

[부록 B] 수학 공식

참고문헌