제어 시스템 공학(3판)

이 책의 특징

ㆍ 수학 기초가 부족한 학생들을 위하여, 제어 시스템 공학에 필요한 기초 수학을 설명하는 장이 포함되었다. 별도의 수학책이 없어도 필요한 수학 내용의 복습이 가능하도록 기술하였다.
ㆍ 각 장의 도입부에 쉬운 예제를 이용하여 개념 설명을 시작하였다. 가급적 쉬운 예제를 이용하여 쉽게 설명을 시작한 후 일반적인 내용으로 진행되도록 하였다.
ㆍ 각 예제에서 필요한 MATLAB 내용들을 예제에 포함하였다. MATLAB을 별도로 공부하지 않아도 예제의 MATLAB 명령어들을 따라하면서 자연스럽게 MATLAB을 익힐 수 있도록 하였다.
ㆍ 비선형 시스템의 선형화, 상태변수 추정기 등 학부 과정에 다소 어려운 부분이 있다는 지적이 있으나, 전체적인 완성도를 위하여 이러한 내용들은 그대로 유지하였다.

개정3판에서 추가되거나 달라진 부분

가장 큰 특징은 실험 실습 자료가 포함된 점이다. 제어 공학을 수강한 학생들이 이구동성으로 말하는 것은 제어 공학의 이론을 학습한 후에도 제어 공학의 이론이 실제로 어떻게 구현되고 적용되는지 알기 어렵다는 점이다.
이러한 문제점은 제어 공학 실험 실습을 통해서 어느 정도 해결이 가능하다. 대학에서 실시하는 제어 공학 실험은 주로 교육 기자재를 제조 판매하는 회사의 제품을 이용하는 경우가 많다. 이런 교육 기자재들은 대량 생산을 하지 않으므로 가격이 높은 편이며, 지속적인 유지 보수가 필요하다. 또한, 전용 소프트웨어를 사용하는 경우가 많아서, 소프트웨어의 지속적인 업그레이드가 요구된다. 이러한 여러 가지 어려운 요인으로 인해서 제어 공학 실험을 지속 가능하게 유지하는 것이 쉽지 않다. 이 책에서는 이러한 교육 전용 장비가 아닌, 시중에서 쉽게 입수할 수 있는 부품들을 이용해서 제어 공학 실험 실습을 수행할 수 있는 실험 실습 자료를 제공한다. 다만, 실험 실습 자료는 분량이 많고 종이 책에 포함하기 어려운 내용들을 많이 포함하고 있어서 pdf 파일의 형태로 제공한다. 이 책은 모두 9개의 장으로 구성되어 있으며, pdf 파일로 제공되는 각 장의 마지막 절은 실험 실습을 설명하는 절이다. 이 자료는 생능출판사 홈페이지 혹은 저자의 홈페이지에서 다운로드 받을 수 있다. 물론, 현실적으로 이와 같은 자료를 이용해서 실제로 실험 실습을 구성하기 어려울 수 있다. 그런 경우에도 제공되는 실험 실습 자료는 제어 이론이 실제로 어떻게 구현되고 적용되는지를 이해하는데 도움이 될 수 있다고 생각한다. 이 책의 실험 실습 방법이 교육용으로 만들어진 제어 공학 실습 기기의 사용 방법보다 다소 복잡해 보일 수 있다. 그러나 교육용으로 만들어진 실습 기기들은 학생들이 개념을 이해하는데 도움을 줄 수 있지만, 실제 제어 시스템의 구현 방법을 이해하는데 큰 도움을 준다고 보기는 어렵다. 반면, 이 책의 실습 방법은 실제 제어 시스템을 구현할 때도 사용할 수 있는 방법으로 학생들의 실무 능력 향상에 도움이 될 수 있는 방법이라고 생각한다. 파일 형태로 제공되는 실험 실습 절을 제외하고 각 장에 추가된 절에서는 제어 시스템을 실제로 구성하는데 필요한 지식들을 설명해서, 자연스럽게 실험 실습과 연결되도록 하였다.

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

임동진 〈학력〉
1975년 3월~1979년 2월: 서울대학교 전기공학과(공학사)
1979년 3월~1981년 2월: 서울대학교 전기공학과(공학석사)
1983년 9월~1988년 12월: 미국 University of Iowa, Electrical and Computer Engineering(Ph.D.)
〈경력〉
1988년 10월~1991년 2월: 산업과학기술연구소 주임연구원
1991년 3월~2021년 8월: 한양대학교 ERICA 전자공학부 교수
2021년 9월~현재: 한양대학교 ERICA 전자공학부 명예교수