알기 쉽게 풀어쓴 제어공학

이 책의 구성과 특징

이 책은 총 10개의 단원으로 구성되어 있으며, 특징은 다음과 같다.
필자의 다양한 경험을 살려 제어공학의 개념과 원리를 그림으로 표현함으로써 학생들이 시각적으로 이해하기 쉽게 구성하였다. 또한 각 단원에서 학습한 핵심 내용들을 각 단원의 끝에 요약함으로써 학생들이 학습한 내용을 스스로 복습하면서 재확인할 수 있도록 하였다. 특히 『여기서 잠깐!』이라는 코너는 과거에 학습한 기억이 희미하거나 주의해야 할 내용을 다시 간략하게 설명하여 학생들이 다른 교재를 찾아보는 수고를 덜어 줄 수 있도록 하였다.


이 책의 내용

1장에서는 제어시스템의 개념과 피드백 제어시스템에 대하여 살펴보고 제어시스템의 여러 가지 종류에 대하여 학습한다. 제어시스템에는 여러 가지 종류가 있지만 본 단원에서는 주로 선형시불변 제어시스템에 대하여 설명한다. 마지막으로 제어시스템을 해석하는 두 가지 기법인 시간영역 해석과 주파수영역 해석에 대하여 소개한다.
2장에서는 제어시스템을 해석하거나 설계하는 과정에서 필요한 기초 수학에 대하여 학습한다. 먼저, 주파수영역 해석과 설계에 필수적인 Laplace 변환과 역변환의 여러 가지 성질을 살펴보고, 이를 이용하여 선형미분방정식의 해를 구하는 과정을 학습한다. 또한 행렬식과 역행렬 계산 방법과 행렬의 고유값과 고유벡터에 대한 개념을 학습하여 행렬의 대각화와 유사변환으로 확장한다. 마지막으로 복소수의 표현과 복소함수의 개념과 맵핑(Mapping)에 대해서도 학습한다.
3장에서는 주파수영역에서 선형시불변시스템의 입력과 출력 관계를 표현하는 전달함수를 정의하고 시스템을 블록으로 표현하는 블록선도를 다룬다. 또한 복잡한 시스템을 다룰 때 가지와 마디만을 이용하여 신호의 흐름만을 간결하게 표현하는 신호흐름선도에 대해서도 학습한다. 또한, 신호흐름선도가 주어질 때 체계적으로 폐루프 전달함수를 구할 수 있는 Mason의 이득공식도 소개한다. 마지막으로 전달함수 표현 방법의 단점을 보완할 수 있는 상태방정식 표현 방법과 상태선도를 그리는 방법에 대해서 살펴본다.
4장에서는 전기시스템과 기계시스템에 대한 모델링과 상호 등가성에 대하여 살펴본다. 또한 전기시스템과 기계시스템이 결합된 전기기계시스템의 모델링에 대해서도 직류전동기를 예를 들어 소개한다. 마지막으로 제어시스템에서 피드백 구성요소인 센서와 인코더의 개념과 동작원리에 대해서 학습한다.
5장에서는 상태천이행렬을 이용하여 상태방정식의 해를 구하는 방법을 소개하고, 주어진 상태방정식을 좀 더 간결하게 표현할 수 있는 상사변환에 대해 학습한다. 또한 전달함수로부터 여러 가지 표준형의 상태방정식으로 표현하는 전달함수 분해기법과 제어시스템의 가제어성과 가관측성의 개념에 대해서도 학습한다. 마지막으로 주어진 시스템을 상사변환을 통해 새로운 시스템으로 변환하는 경우, 시스템의 고유한 특성은 변하지 않는다는 불변정리에 대해서도 다룬다.
6장에서는 선형시불변시스템으로 한정하여 안정도를 정의하고 BIBO 안정도 조건에 대하여 학습한다. 또한 폐루프 제어시스템의 특성방정식의 근을 직접 구하지 않고도 시스템의 절대안정도를 판별할 수 있는 Routh-Hurwitz 안정도 판별법을 소개한다. 마지막으로 Routh-Hurwitz 판별법을 이용하여 피드백 제어시스템을 설계하는 방법을 간략히 소개한다.
7장에서는 제어시스템의 단위계단응답과 설계특성, 그리고 정상상태오차에 대하여 학습한다. 또한 1차 및 2차 시스템에 대한 시간응답 특성과 부족제동 2차 시스템에 대한 과도응답 특성에 대해 학습한다. 마지막으로 단위 피드백 제어시스템에서 극점 또는 영점이 추가되는 경우 단위계단응답이 어떻게 변화하는지를 분석하고, 또한 전달함수의 우세 극점에 대해서도 학습한다.
8장에서는 근궤적의 기본 개념과 근궤적을 그리는데 필요한 기본 성질들을 학습한다. 또한 극점 또는 영점이 개루프 전달함수에 추가되는 경우, 근궤적이 어떻게 변하는지에 대해서도 살펴본다. 마지막으로 시간영역에서 어떤 제어시스템의 과도응답을 개선하기 위하여 원하는 과도응답 특성에 맞는 근궤적 상의 한 점을 찾아 그 점에 대한 제어이득을 결정하는 방법에 대하여 소개한다.
9장에서는 주파수영역의 특성을 기초로 시간영역의 성능을 예측할 수 있도록 주파수응답과 시간응답 사이의 상관관계를 살펴본다. 또한 Bode 선도와 Nyquist 선도를 작성하여 제어시스템의 상대안정도를 판단하는 방법에 대해서도 학습한다. 마지막으로 일정-M 궤적과 Nichols 도표를 소개하고 이에 대한 활용에 대해서도 학습한다.
10장에서는 제어시스템 구성을 위한 여러 가지 형태의 제어기에 대하여 시간영역과 주파수영역에서의 설계 과정을 살펴본다. 먼저 설계사양과 산업 현장에서 매우 보편적으로 사용되는 PID 제어기의 설계에 대해서 학습하고, 진상 및 지상보상기에 대해서도 고찰한다. 그리고 상태공간에서 상태피드백을 통한 극점배치 설계와 적분제어를 이용하여 정상상태 오차를 보정하는 기법에 대해서도 학습한다.

CHAPTER 01 제어시스템의 개요
1.1 제어시스템의 개념
1.2 피드백 제어시스템
1.3 제어시스템의 분류
1.4 제어시스템의 해석과 설계
요약 및 복습

CHAPTER 02 제어공학의 기초 수학
2.1 Laplace 변환의 정의와 성질
2.2 Laplace 역변환과 부분분수 분해법
2.3 합성곱 이론
2.4 선형미분방정식의 해법
2.5 행렬식과 역행렬
2.6 고유값과 고유벡터
2.7 행렬의 대각화와 상사변환
2.8 복소수와 복소함수
2.9 복소함수의 맵핑
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 03 블록선도와 신호흐름선도
3.1 전달함수와 임펄스 응답
3.2 블록선도
3.3 신호흐름선도와 Mason의 이득공식
3.4 상태방정식
3.5 상태선도
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 04 물리적 시스템의 수학적 모델링
4.1 전기시스템의 모델링
4.2 병진운동 기계시스템의 모델링
4.3 회전운동 기계시스템의 모델링
4.4 전기기계시스템의 모델링
4.5 제어시스템 센서
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 05 상태공간 해석
5.1 상태방정식과 상태천이행렬
5.2 동적방정식과 전달함수
5.3 특성방정식과 고유값 문제
5.4 상사변환
5.5 전달함수의 분해
5.6 제어시스템의 가제어성
5.7 제어시스템의 가관측성
5.8 가제어성, 가관측성과 전달함수와의 관계
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 06 제어시스템의 안정도 해석
6.1 안정도의 정의
6.2 Routh-Hurwitz 안정도 판별법
6.3 Routh-Hurwitz 안정도 판별법: 특별한 경우
6.4 피드백 제어시스템의 안정성 설계
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 07 제어시스템의 시간영역 해석
7.1 제어시스템의 시간응답
7.2 단위계단응답과 설계 특성
7.3 정상상태오차
7.4 1차 시스템의 시간응답
7.5 2차 시스템의 시간응답
7.6 영점과 극점의 추가: 단위 피드백시스템
7.7 전달함수의 우세극점
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 08 근궤적 기법
8.1 근궤적의 개념
8.2 근궤적의 기본 성질
8.3 2차 피드백 제어시스템의 근궤적 작성
8.4 극점과 영점의 추가에 따른 근궤적의 변화
8.5 근궤적을 이용한 과도응답 개선
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 09 제어시스템의 주파수영역 해석
9.1 주파수응답의 개요
9.2 표준 2차 시스템의 주파수영역 사양
9.3 주파수응답과 시간응답의 관계
9.4 Bode 선도
9.5 Nyquist 안정도 판별법
9.6 극점과 영점 추가에 따른 Nyquist 선도의 변화
9.7 상대안정도 판별: Nyquist 선도
9.8 상대안정도 판별: Bode 선도
9.9 일정-M 궤적과 Nichols 도표
요약 및 복습
연습문제

CHAPTER 10 제어시스템의 설계
10.1 제어시스템의 설계사양
10.2 PD 제어기 설계
10.3 PI 제어기 설계
10.4 PID 제어기 설계
10.5 진상보상기 설계
10.6 지상보상기 설계
10.7 진상-지상보상기 설계
10.8 상태피드백을 이용한 극점배치 설계
10.9 적분제어를 이용한 상태피드백 제어
10.10 상태관측기를 이용한 상태피드백 제어
요약 및 복습
연습문제

부록
참고문헌
SI 단위계와 접두사
기본 함수의 Laplace 변환표
Laplace 변환의 성질
삼각함수의 기본 공식
연습문제 해답

김동식 (金東植)
1986년 고려대학교 전기공학과 공학사 취득(고려대학교 전체 수석)
1988년 고려대학교 일반대학원 전기공학과 공학석사 취득
1989년 특수전문요원 예사 11기 전역
1992년 고려대학교 일반대학원 전기공학과 공학박사 취득
1997년~1998년 University of Saskatchewan, Visiting Professor
2004년 LG 연암문화재단 해외 연구교수 선정
2005년~2006년 University of Ottawa, Visiting Professor
2013년~2014년 고려대학교 전력시스템기술연구소 연구교수
1992년~현재 순천향대학교 전기공학과 교수
〈저서〉
알기 쉽게 풀어쓴 전자회로(생능출판사), PSpice로 배우는 전자회로실험(생능출판사), 알기 쉽게 풀어쓴 공업수학 Express(생능출판사), 알기 쉽게 풀어쓴 기초공학수학(생능출판사), 알기 쉽게 풀어쓴 기초회로이론(생능출판사), 회로이론 Express(생능출판사), 알기 쉽게 풀어쓴 인공지능 기초수학(생능출판사)