[논문]프로그램 기반의 시간응답 해석에 의한 고전제어 시스템 이해

민용기; 위영민

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.9.893

프로그램 기반의 시간응답 해석에 의한 고전제어 시스템 이해
Understanding for Classical Control System by Analysis of Program-based Time Response 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.9, 2016년, pp.893 - 900

민용기 (광주대학교 전기전자공학과) , 위영민 (광주대학교 전기전자공학과)

초록
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극점의 위치와 제동비의 변화에 따른 출력응답을 해석하였다. RLC 회로의 시스템 모델링과 출력응답을 단위계단함수와 정현파 입력에 따라 해석하였다. 프로그램으로 확인한 내용들이 이론을 이해하는데 도움이 되었는지를 설문으로 평가하였다. 조사에서 시스템의 전달함수를 해석하는 능력은 이해도가 높게 나타났다. 또한 매개변수 변화에 따른 출력응답 파형을 이해하는 능력도 높게 나타났다. 시간영역의 출력응답을 계산할 수 있다는 응답이 다소 낮게 나왔으며, 이는 부분분수의 조합이 어려웠던 것으로 분석된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Output response for prototype system is analyzed according to the pole locations and the damping ratio changes. The system modeling is constructed for RLC-circuit and the output response is analyzed for both a unit-step and a sinusoidal input. The survey is conducted to estimate the understanding ability on the automatic control. A high understanding ability is shown up in analysing the transfer functions of control system. And improvement is manifest in the ability to understand the output response according to the parameter changes. But some difficulty is revealed in acquiring the output responses in time domain.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

극점의 위치에 따른 출력응답을 정의하고, 이를 윈도우에 그려봄으로써 이론과 실제를 연계시켜 해석한다[8-9]. 또한 과도응답의 주요 변수인 제동비를 변화시키면서 출력응답이 어떻게 달라지는지 확인한다. RLC 회로의 모델링과 제어시스템을 구성하고, 단위계단함수와 정현파 입력에 따른 전압과 전류 출력응답을 해석한다.

제안 방법

2번 문항부터는 객관식 5점 만점 척도로 설문조사를 진행하였다. 학기초에는 Q3부터 Q7까지를 용어 중심으로 조사하였으며, 학기말에 전체적인 설문에 대해 조사를 진행하였다.
또한 과도응답의 주요 변수인 제동비를 변화시키면서 출력응답이 어떻게 달라지는지 확인한다. RLC 회로의 모델링과 제어시스템을 구성하고, 단위계단함수와 정현파 입력에 따른 전압과 전류 출력응답을 해석한다. 윈도우에 응답파형을 그려봄으로써 전압과 전류의 위상차를 이해하고, 이를 이론적 배경과 비교하여 해석한다.
고전제어 측면에서 시스템 모델링과 전달함수를 정의하고, 프로그램으로 시간응답을 확인하였다. 향후의 주제로는 윈도우 모드에서 동작하는 프로그램의 코딩이 필요하다.
설문의 분석을 위해 학기초 제어공학의 주요 용어를 알고 있는지와 프로그램의 코딩 능력을 조사하였다. 그리고 학기말에 프로그램 구현 능력과 자동제어의 주요 내용에 대한 이해도를 조사하였다.
넷째, RLC 회로의 시스템 모델링과 전류, 커패시턴스 및 인덕턴스 전압을 출력응답으로 해석하였다. 전류는 직류에서 0으로 수렴하였으나 교류에서는 전압보다 25.
다섯째, 제어공학의 이해도를 평가하는 설문조사를 실시하였다. 프로그램 능력에서는 간단한 알고리즘을 이용한 코딩이 가능한 것으로 조사되었다.
본 논문에서는 시스템 모델링과 전달함수를 정의하고, 시간영역의 출력응답을 프로그램으로 구현하였다. 자동제어의 이해도를 평가하는 설문조사를 실시해 다음의 결론을 얻었다.
자동제어는 거의 이론 중심으로 시스템 해석이 이루어지기 때문에 학업성취도에 따라 이해도가 다를 수 있다. 본 논문에서는 이론적 배경을 노트로 제공하고, 시스템의 시간응답을 프로그램으로 구현하여 해석하였다.
본 연구에서는 전달함수를 기초로 하여 시스템 모델링과 출력응답을 정의하고, 프로그래밍 언어를 도입하여 윈도우에 응답파형을 그려본다[6-7]. 극점의 위치에 따른 출력응답을 정의하고, 이를 윈도우에 그려봄으로써 이론과 실제를 연계시켜 해석한다[8-9].
설문조사 이전의 자동제어에 대한 지식수준은 이론적인 이해보다는 자격증 공부에 따른 개념정립 정도였다. 설문의 분석을 위해 학기초 제어공학의 주요 용어를 알고 있는지와 프로그램의 코딩 능력을 조사하였다. 그리고 학기말에 프로그램 구현 능력과 자동제어의 주요 내용에 대한 이해도를 조사하였다.
원형 2차계를 갖는 플랜트 모델링과 시스템을 구성하고, 전달함수를 이용해 출력응답을 해석한다[10]. 제안된 시스템에 대한 전달함수의 정의부터 출력응답까지 모든 노트를 수강생에게 제공함으로써 이론적 배경을 이해할 수 있도록 한다.
극점의 위치에 따른 출력응답을 해석하기 위해 VS-2008 소프트웨어를 이용하였다. 윈도우 영역에 응답파형을 그리고, 표현된 응답파형을 이론과 비교하여 해석한다.
RLC 회로의 모델링과 제어시스템을 구성하고, 단위계단함수와 정현파 입력에 따른 전압과 전류 출력응답을 해석한다. 윈도우에 응답파형을 그려봄으로써 전압과 전류의 위상차를 이해하고, 이를 이론적 배경과 비교하여 해석한다. 학기가 종료되는 시점에 설문조사를 실시하여 프로그램 기반의 자동제어 해석 능력과 이해도를 분석한다.
본 논문에서는 시스템 모델링과 전달함수를 정의하고, 시간영역의 출력응답을 프로그램으로 구현하였다. 자동제어의 이해도를 평가하는 설문조사를 실시해 다음의 결론을 얻었다.
전달함수를 이용하여 RLC 회로의 출력응답을 해석하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 응답파형의 결과를 분석한다.
원형 2차계를 갖는 플랜트 모델링과 시스템을 구성하고, 전달함수를 이용해 출력응답을 해석한다[10]. 제안된 시스템에 대한 전달함수의 정의부터 출력응답까지 모든 노트를 수강생에게 제공함으로써 이론적 배경을 이해할 수 있도록 한다.
첫째, 플랜트 모델링부터 출력응답까지를 노트로 제공해 이론적인 어려움을 완화하고, 프로그램을 이용해 시스템의 시간응답을 해석하였다.
프로그램 기반의 시간응답 해석이 제어공학의 이해도에 얼마나 영향을 주었나를 평가하는 설문조사를 실시하였다. 설문조사 대상은 전기전자공학과 4학년으로서 자동제어 교과목을 수강한 학생들이며, 남학생 12명과 여학생 2명 등 14명이 설문에 답하였다.
윈도우에 응답파형을 그려봄으로써 전압과 전류의 위상차를 이해하고, 이를 이론적 배경과 비교하여 해석한다. 학기가 종료되는 시점에 설문조사를 실시하여 프로그램 기반의 자동제어 해석 능력과 이해도를 분석한다.
2번 문항부터는 객관식 5점 만점 척도로 설문조사를 진행하였다. 학기초에는 Q3부터 Q7까지를 용어 중심으로 조사하였으며, 학기말에 전체적인 설문에 대해 조사를 진행하였다.

대상 데이터

프로그램 기반의 시간응답 해석이 제어공학의 이해도에 얼마나 영향을 주었나를 평가하는 설문조사를 실시하였다. 설문조사 대상은 전기전자공학과 4학년으로서 자동제어 교과목을 수강한 학생들이며, 남학생 12명과 여학생 2명 등 14명이 설문에 답하였다. 설문조사 이전의 자동제어에 대한 지식수준은 이론적인 이해보다는 자격증 공부에 따른 개념정립 정도였다.

이론/모형

극점의 위치에 따른 출력응답을 해석하기 위해 VS-2008 소프트웨어를 이용하였다. 윈도우 영역에 응답파형을 그리고, 표현된 응답파형을 이론과 비교하여 해석한다.

성능/효과

그림 3에서 극점의 위치 변화에 따른 응답파형을 표현하였다. 극점이 라플라스 좌측 평면에 존재하는 응답파형은 단위계단함수로 수렴하나, 우측 평면에 존재하면 발산하는 것을 확인할 수 있다.
둘째, 극점 변화에 따른 출력응답을 해석하는 시스템을 구성하였으며, 라플라스 좌측 평면만이 안정하다는 것을 확인하였다.
셋째, 제동비에 따른 출력응답을 확인하는 시스템을 구성하였으며, 0 < ζ < 1 구간에서 오버슈트를 가졌다.
설문 Q3이 학기초에 높은 이유는 공업수학의 수강 비율이 높았다는 의미이며, 자동제어와 연계시켜 전달함수를 정의할 수 있다는 것과는 다르다. 전체적으로는 응답 결과가 향상된 것으로 조사되었다.

후속연구

고전제어 측면에서 시스템 모델링과 전달함수를 정의하고, 프로그램으로 시간응답을 확인하였다. 향후의 주제로는 윈도우 모드에서 동작하는 프로그램의 코딩이 필요하다. 또한 시스템 모델링부터 출력응답까지를 시간영역에서 해석하는 상태방정식을 정의하고, 이를 프로그램으로 구현하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고전제어란 무엇인가?	고전제어란 시스템의 출력응답을 전달함수로써 해석하는 것이다. 전달함수는 입력과 출력으로만 시스템의 출력응답을 표현하므로 초기조건이 무시되는 응답을 얻게 된다[1].
	자동제어의 해석 과정은 어떻게 되는가?	자동제어의 해석 과정은 플랜트의 모델링부터 시작하여 제어시스템을 구성하고, 전달함수나 상태방정식으로 출력응답을 해석하게 되는데 그 과정이 쉽지는 않다[3]. 또한 출력응답을 표현하는 다양한 그림들을 제시하고 있으나 프로그램의 소스 코드를 제공하지 않아 시스템의 해석에 한계가 있다[4-5].
	본 논문에서 자동제어의 이해도를 평가하는 설문조사를 실시한 결과 그 결론은 무엇인가?	첫째, 플랜트 모델링부터 출력응답까지를 노트로 제공해 이론적인 어려움을 완화하고, 프로그램을 이용해 시스템의 시간응답을 해석하였다. 둘째, 극점 변화에 따른 출력응답을 해석하는 시스템을 구성하였으며, 라플라스 좌측 평면만이 안정하다는 것을 확인하였다. 셋째, 제동비에 따른 출력응답을 확인하는 시스템을 구성하였으며, 0 < ζ < 1 구간에서 오버슈트를 가졌다. ζ > 1에서는 오버슈트가 없이 입력을 수렴하였으며, 0에서는 무한진동을 확인하였다. 넷째, RLC 회로의 시스템 모델링과 전류, 커패시턴스 및 인덕턴스 전압을 출력응답으로 해석하였다. 전류는 직류에서 0으로 수렴하였으나 교류에서는 전압보다 25.67° 만큼 위상이 앞선다. 커패시턴스 전압은 직류에서는 단위계단함수로 수렴하였으며, 교류에서는 정현파보다 63.63° 가 뒤진다. 인덕턴스 전압은 커패시턴스와 반대로 직류에서는 0이 되며, 교류에서 입력파보다 116.57° 앞선다. 다만 인과관계에 의해 t = 0에서는 전압과 전류의 위상차가 없다는 것을 확인하였다. 다섯째, 제어공학의 이해도를 평가하는 설문조사를 실시하였다. 프로그램 능력에서는 간단한 알고리즘을 이용한 코딩이 가능한 것으로 조사되었다. 전달함수의 이해도가 가장 높게 평가된 것은 이론과 응답파형의 실습이 조합된 결과로 분석된다. 프로그램 코딩 능력의 향상이 긍정적으로 평가된 것은 함수와 포인터까지 활용할 수 있도록 프로그램을 구현한 결과로 분석된다. 자동제어의 이해도를 묻는 설문은 4.0으로 평가되었으며, 이는 이해하기 어려웠던 이론적 배경들을 직접 코딩한 응답파형과 비교해 봄으로써 이해도가 증대되었다고 분석된다.

참고문헌 (11)

H. Yang, D. Kim, J. Park, T. Song, G. Jeong and W. Hur, Automatic Control Systems, Seoul, Cheongmoongak, 2010.
Y. Choi, Modern Control Engineering. Seoul, Hongrung Publishing, 2012.
K. Park, Y. Kim, K. Kim, and K. Ban, "Design and Implementation of Cloud-based Sensor Data Management System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 6, 2010, pp. 672-677.
S. Han, Y. Lee, B. Gwon, O. Gwon, and W. Gwon, Control Engineering. Seoul, Hanbit Academy, 2013.
S. Kim, Control Engineering. Seoul, Hanbit Academy, 2014.
W. Kim, Practical C Programming. Seoul, EHAN media, 2008.
J. Cheon, C Programming, Seoul, EHAN media, 2012.
K. Park, Y. Kim, and N. Ryu. "Language Education System with Structured Programming," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 5, 2010, pp. 459-464.
Y. Lim and S. Bae, "A Study on Development of the Meteorological Data Preprocessing Program for Air Pollution Modeling," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 1, 2015, pp. 47-53.

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J. Park, G. Lee, J. Lee, J. Jeong, and Y. Joo, Control Systems Engineering. Seoul, Hongrung Publishing, 2010.
B. KUO. Automatic Control Systems. Englewood Cliffs, PRENTICE HALL, 1991.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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