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M07.02 · 전달함수·상태공간·시간응답·안정성

단위별 목표·권장 선수와 자료 준비 상태를 확인하고, 공개된 본문과 활동을 읽고 준비 상태를 확인할 수 있습니다.

전체 커리큘럼

학습 안내

본문을 읽고 장비 없는 기본 실습·세 확인 문제와 해설로 이해를 확인하세요.

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학습 목표

  • 가상 연속 LTI 모델의 미분방정식을 상태공간과 전달함수로 연결하고 초기조건의 역할을 설명한다.
  • 1차 계단 응답을 계산하여 정상값·시간상수·정착 시간·오버슈트를 정의에 따라 판정한다.
  • 내부 상태와 입출력, 연속 모델과 이산 구현의 안정성을 구별하고 유한 로그의 검증 한계를 설명한다.

아래 설명·실습·문제로 각 학습 목표를 확인하세요.

권장 선수

M02의 미분·행렬·고유값과 M07.01의 동역학이 선수다. u와 y가 정규화된 가상 모델을 사용한다. 계산기와 종이로 수행하며 실제 제어기나 로봇을 실행하지 않는다. 이미 알고 있다면 직접 열어볼 수 있습니다.

설명 필수

세 목표에 대응하는 검수된 설명·예제를 읽습니다.

어떤 상태가 미래를 결정하는가

시스템 모델에는 입력 u, 출력 y, 내부 상태 x를 구분한다. 상태는 현재값과 앞으로의 입력이 주어졌을 때 모델의 미래를 계산하는 데 필요한 변수들의 묶음이다. 위치를 출력으로 보더라도 관성계에서는 현재 속도도 미래 위치에 영향을 주므로 상태에 포함할 수 있다. 출력과 상태가 항상 같거나 센서가 모든 상태를 직접 읽는 것은 아니다.

연속 선형 시불변(LTI) 상태공간 모델은 아래 형태다. 선형은 상태와 입력의 합·배율에 대해 모델이 선형이라는 뜻이고 시불변은 A, B, C, D가 시간에 따라 바뀌지 않는다는 뜻이다. x는 n차원 열벡터, u는 입력, y는 출력이며 행렬 크기는 곱이 성립하도록 맞춘다. 시간 t는 s로 쓴다.

x˙=Ax+Bu,y=Cx+Du.\dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du.

가상 1차 모델 ydot=−2y+2u에서 u, y는 무차원 정규화값이다. 계수 2는 시간에 대해 2 s⁻¹의 수치다. x=y로 두면 A=−2, B=2, C=1, D=0인 한 상태 모델이다. 물리 장치를 정규화했다면 기준 크기와 작동 범위를 더 기록해야 한다. 비선형 시스템을 어떤 평형 근처에서 선형화한 경우에는 그 주변의 작은 변화에 대한 모델이며 모든 자세·포화·충돌을 포함하는 것은 아니다.

전달함수에는 입출력 경로를 담는다

전달함수 G(s)는 LTI 모델의 입력과 출력 관계를 복소 변수 s로 표현한다. s는 주파수와 성장/감쇠를 다루는 라플라스 변수이며 시간 단위의 역수 스케일이다. 초기 상태가 0일 때 Y(s)=G(s)U(s)로 계산할 수 있다. U, Y는 입력/출력의 라플라스 변환이다. 여기서는 변환의 긴 증명 대신 미분의 변환이 sY−y(0)이라는 관계로 초기조건을 확인한다.

(s+2)Y(s)=2U(s)+y(0),G(s)=2s+2.(s+2)Y(s)=2U(s)+y(0),\qquad G(s)=\frac{2}{s+2}.

초기값이 0이 아니면 y(0)/(s+2)라는 별도 응답이 남는다. 전달함수의 입력 응답만 계산하고 기존 위치나 속도가 없었다고 가정하면 실제 초기 응답과 달라진다. 상태공간에서 같은 입력/출력 전달함수를 갖는 서로 다른 내부 표현도 가능하다. 따라서 전달함수 하나가 모든 내부 상태의 정보를 항상 보여 주는 것은 아니다. Åström–Murray 저자 교재의 상태와 전달함수 관계를 이 간단한 예로 읽는다.

시간응답의 판정 규칙을 먼저 정한다

입력이 t=0부터 1로 유지되고 y(0)=0이면 위 1차 모델의 해는 다음과 같다. 계단 입력은 이렇게 한 값에서 다른 일정 값으로 바뀌는 입력이다.

y(t)=1−e−2t,t≥0.y(t)=1-e^{-2t},\qquad t\ge0.

정상값은 1이고 시간상수 τ=1/2=0.5 s다. τ에서 y=1−e⁻¹≈0.6321,2τ에서 약 0.8647,4τ에서 약 0.9817이다. 시간상수는 ‘완전히 도착하는 시간’이 아니다. 이 이상 응답은 유한 시간에 정확히 1이 되지 않지만 원하는 오차 띠에 들어갈 수 있다.

정착 시간을 ‘이후 모든 시간에 정상값의 ±2% 띠 안에 머무르는 최초 시간’으로 정의하자. 이 응답은 단조 증가하므로 1−y=e⁻²ᵗ≤0.02를 풀어 t≥ln(50)/2≈1.956 s를 얻는다. 약 4τ라는 값은 이 모델의 편리한 근사다. 다른 응답의 정착 시간을 한 샘플이 띠에 처음 들어간 때로만 읽으면 다시 벗어나는 경우를 놓친다. 오버슈트는 정상값을 넘는 최대 초과를 기준 크기로 나눈 값이며 이번 단조 응답에서는 0이다. 목표값 0이나 변동하는 목표에서는 같은 백분율 정의를 그대로 적용하기 어려워 별도 지표가 필요하다.

2차 모델에서는 감쇠된 진동과 초과가 생길 수 있다. 예를 들어 yddot+2ydot+y=u도 시간 s 기준의 정규화 식이다. y와 u는 무차원이며 ydot의 계수는 2 s⁻¹, y와 u의 계수는 각각 1 s⁻²의 수치로 적었다. 이를 x=(y, ydot)로 쓰면 A의 행이 (0,1),(−1,−2), B=(0,1)ᵀ, C=(1,0), D=0이다. 근은 −1의 중근이고 영 초기조건의 단위 계단 응답은 1−(1+t)e⁻ᵗ다. 단순 지수 하나의 응답과 모양이 다르다. 저자 1차와 2차 응답의 비교에서 차수와 초기조건을 함께 본다.

안정적이라는 말의 대상을 붙인다

입력 u=0인 자유응답에서 유한 차원 연속 LTI의 모든 초기 상태가 0으로 감쇠하는 점근 안정성은 A의 모든 고유값 실수부가 음수인 조건으로 판단한다. 이산 상태 갱신 x[k+1]=A_d x[k]에서는 고유값 크기가 모두 1보다 작아야 한다. 경계값은 이 조건으로 통과시키지 않고 중복·결합·안정성 정의를 더 확인한다. M02.06의 구분을 제어 모델에도 유지한다.

입출력 전달함수만 안정적으로 보이는 것과 내부 안정성도 다르다. 가상 상태가 x1dot=−x1+u, x2dot=+x2이고 y=x1이면 영 초기조건의 G(s)=1/(s+1)에는 x2가 보이지 않는다. 그러나 x2(0)=0.01이면 x2(t)=0.01eᵗ로 커진다. 출력에 안 보이는 불안정 모드가 남은 것이다. 약분된 전달함수의 극만으로 임의의 내부 구현까지 안정하다고 결론 내리지 않는다.

연속 안정성과 수치 갱신 안정성도 구별한다. ydot=−2y의 전진 Euler는 y[k+1]=(1−2T)y[k]다. T는 샘플 간격(s)이다. T=1.2 s면 계수 −1.4라 크기가 커지지만, 같은 간격의 정확한 자유응답 계수는 e⁻²·⁴≈0.0907이다. 연속 모델은 안정적인데 거친 수치 근사가 불안정한 경우다. 실제 디지털 제어는 샘플 유지·지연·포화까지 고려해야 하므로 이 예를 모든 샘플 시스템의 동일한 허용 주기로 일반화하지 않는다. 유한 로그가 잠시 얌전하다는 관찰도 전역 안정성이나 모든 외란의 보증을 대신하지 않는다.

학습 범위와 한계

기본 설명·예제가 준비되었습니다. 기존 보충 자료의 범위와 구별하세요.

실습 필수

장비 없는 실습을 수행하고 관찰·계산 근거를 해설과 비교합니다.

입력은 정규화 모델 ydot=−2y+2u, 초기 y=0, 단위 계단이다. 다른 검토 표에는 숨은 상태 모델 x1dot=−x1+u, x2dot=x2, y=x1이 있다. 자유응답 ydot=−2y의 Euler 간격은 1.2 s다. 실제 시스템 로그가 아니라 분석용 모델이다.

  1. 첫 모델의 상태공간 A/B/C/D와 전달함수를 쓴다. y(0)=0.2로 바꿨을 때 빠뜨리면 안 되는 초기조건 항을 적는다.
  2. 0.5/1/2 s의 y를 계산하고 시간상수·정상값·2% 정착 시간·오버슈트를 정의에 따라 판정한다.
  3. 숨은 상태의 내부 안정성과 출력 전달함수를 구별한다. Euler와 정확한 자유응답의 갱신 계수를 비교하고, 유한 출력 기록만으로 판단하면 부족한 이유를 적는다.

계산기와 종이로 수행한다. 막히면 입력/출력/상태 및 초기조건을 먼저 나눈다. 로그 그림에 진동이 안 보인다는 이유로 확인하지 않은 상태와 비선형 범위까지 안정하다고 쓰지 않는다.

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학습 범위와 한계

기본 실습은 장비 없이 수행합니다. 실제 장비·GPU 실증을 완료했다는 뜻은 아닙니다.

평가·해설 필수

목표별 세 서술문항에 답하고 해설·판정 기준으로 자기검토합니다.

확인 문제 Q1

ydot=−y+u를 x=y로 놓고 A/B/C/D와 영 초기조건 전달함수를 구하라. y(0)=1이면 초기 응답은 전달함수의 입력 항에 자동 포함되는가?

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확인 문제 Q2

위 1차 모델에 y(0)=0, 단위 계단을 넣으면 y=1−e⁻ᵗ다. 시간상수, t=1 s의 값, 2% 정착 시간과 오버슈트를 구하라. 처음 띠에 들어온 샘플만으로 일반 응답의 정착을 정하면 왜 부족한가?

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확인 문제 Q3

숨은 상태 예제의 출력 전달함수는 안정적이다. 전체 상태도 안정한가? 또 연속 고유값이 −2라는 사실만으로 Euler 간격 1.2 s의 갱신도 안정하다고 할 수 있는가? 대상별로 설명하라.

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학습 범위와 한계

서술답안과 해설이 준비되었습니다. 자기검토와 학습 완료는 숙달 인증과 별개입니다.

참고 자료

학습 확인

실습과 세 문항의 답안을 해설과 비교한 뒤, 이 단위의 학습 완료를 직접 기록할 수 있습니다. 자기검토·학습 완료는 자동 채점이나 숙달 인증과 별개입니다.

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