제어 시스템 공학 (3 판)

제어 시스템 공학 (3 판)

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Description
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.
저자

임동진

〈학력〉
1975년3월~1979년2월:서울대학교전기공학과(공학사)
1979년3월~1981년2월:서울대학교전기공학과(공학석사)
1983년9월~1988년12월:미국UniversityofIowa,ElectricalandComputerEngineering(Ph.D.)
〈경력〉
1988년10월~1991년2월:산업과학기술연구소주임연구원
1991년3월~2021년8월:한양대학교ERICA전자공학부교수
2021년9월~현재:한양대학교ERICA전자공학부명예교수

목차

Chapter01제어시스템의개념
1.1제어시스템
1.2피드백제어
1.3시간영역과주파수영역
1.4디지털제어시스템
1.5실험실습:Lab1

Chapter02제어시스템공학의기초수학
2.1복소수및복소함수
2.1.1복소수
2.1.2복소함수
2.2미분방정식
2.3미분방정식과제어시스템의관계
2.4라플라스변환
2.4.1라플라스변환의정의
2.4.2라플라스변환의특징
2.4.3역라플라스변환
2.4.4라플라스변환을이용한미분방정식의해
2.4.5라플라스변환의의미
2.5행렬
2.5.1행렬의정의
2.5.2행렬의연산
2.5.3행렬식
2.5.4역행렬
2.5.5연립방정식과특이행렬
2.5.6고윳값과고유벡터
2.6수치적분과실시간시뮬레이션
2.7실험실습:Lab2
연습문제

Chapter03제어시스템의모델링
3.1미분방정식을이용한동적시스템모델링
3.2전달함수
3.3블록선도
3.4신호흐름도
3.5상태변수방정식
3.6상태변수를이용한동적시스템모델링
3.7비선형시스템의선형화
3.8제어시스템의센서
3.9실험실습:Lab3
연습문제

Chapter04제어시스템의성능
4.1제어시스템성능개요
4.2제어시스템의과도성능
4.3과도상태응답
4.3.11차시스템의과도상태응답
4.3.22차시스템의과도상태응답
4.4제어시스템의안정도
4.4.1제어시스템안정도의정의
4.4.2Routh-Hurwitz의방법
4.5정상상태성능
4.5.1단위피드백시스템의정상상태오차
4.5.2단위피드백이아닌시스템의정상상태오차
4.6아날로그다이내믹시뮬레이터
4.7실험실습:Lab4
연습문제

Chapter05근궤적법
5.1근궤적법의개요
5.2근궤적의특징및근궤적을그리는방법
5.3극점과영점이근궤적에미치는영향
5.3.1극점이근궤적에미치는영향
5.3.2영점이근궤적에미치는영향
5,4제어기와근궤적
5.4.1PD제어기와근궤적
5.4.2진상제어기와근궤적
5.4.3PI제어기,지상제어기와근궤적
5.5실험실습:Lab5
연습문제

Chapter06주파수응답을이용한해석법
6.1주파수응답
6.1.1주파수응답의정의
6.1.2주파수응답과극점의관계
6.2보드선도
6.3나이퀴스트안정도판별법
6.4안정도여유
6.5보드의이득과위상의관계
6.6폐루프전달함수의주파수응답
6.6.1개루프전달함수와폐루프전달함수의관계
6.6.2니콜스선도
6.7실험에의한주파수응답측정
6.8실험실습:Lab6
연습문제

Chapter07주파수영역에서의제어기설계
7.1PD제어기의설계
7.2진상제어기의설계
7.3PI제어기의설계
7.4지상제어기의설계
7.5PID제어기와진상-지상제어기
7.6디지털제어기의구현
7.7실험실습:Lab7
연습문제

Chapter08상태변수방정식을이용한제어시스템해석
8.1상태변수방정식과전달함수의관계
8.2상태변수방정식의안정도
8.3상태변수방정식과시스템응답
8.4제어가능성
8.5관측가능성
8.6상태변수의변환
8.7전달함수와제어/관측가능성의관계
8.8실험실습:Lab8
연습문제

Chapter09상태변수방정식을이용한제어시스템설계
9.1상태변수피드백제어기
9.1.1기준입력이0인경우의상태변수피드백제어기
9.1.2기준입력이0이아닌경우의상태변수피드백제어기
9.2상태변수추정기
9.3상태변수추정기기반제어기
9.3.1기준입력이0인경우의상태변수추정기기반제어기
9.3.2기준입력이0이아닌경우의상태변수추정기기반제어기
9.4적분형상태변수피드백제어기
9.5실험실습:Lab9
연습문제

[부록A]라플라스변환표
[부록B]수학공식
참고문헌

출판사 서평

이책의특징

ㆍ수학기초가부족한학생들을위하여,제어시스템공학에필요한기초수학을설명하는장이포함되었다.별도의수학책이없어도필요한수학내용의복습이가능하도록기술하였다.
ㆍ각장의도입부에쉬운예제를이용하여개념설명을시작하였다.가급적쉬운예제를이용하여쉽게설명을시작한후일반적인내용으로진행되도록하였다.
ㆍ각예제에서필요한MATLAB내용들을예제에포함하였다.MATLAB을별도로공부하지않아도예제의MATLAB명령어들을따라하면서자연스럽게MATLAB을익힐수있도록하였다.
ㆍ비선형시스템의선형화,상태변수추정기등학부과정에다소어려운부분이있다는지적이있으나,전체적인완성도를위하여이러한내용들은그대로유지하였다.

개정3판에서추가되거나달라진부분

가장큰특징은실험실습자료가포함된점이다.제어공학을수강한학생들이이구동성으로말하는것은제어공학의이론을학습한후에도제어공학의이론이실제로어떻게구현되고적용되는지알기어렵다는점이다.
이러한문제점은제어공학실험실습을통해서어느정도해결이가능하다.대학에서실시하는제어공학실험은주로교육기자재를제조판매하는회사의제품을이용하는경우가많다.이런교육기자재들은대량생산을하지않으므로가격이높은편이며,지속적인유지보수가필요하다.또한,전용소프트웨어를사용하는경우가많아서,소프트웨어의지속적인업그레이드가요구된다.이러한여러가지어려운요인으로인해서제어공학실험을지속가능하게유지하는것이쉽지않다.이책에서는이러한교육전용장비가아닌,시중에서쉽게입수할수있는부품들을이용해서제어공학실험실습을수행할수있는실험실습자료를제공한다.다만,실험실습자료는분량이많고종이책에포함하기어려운내용들을많이포함하고있어서pdf파일의형태로제공한다.이책은모두9개의장으로구성되어있으며,pdf파일로제공되는각장의마지막절은실험실습을설명하는절이다.이자료는생능출판사홈페이지혹은저자의홈페이지에서다운로드받을수있다.물론,현실적으로이와같은자료를이용해서실제로실험실습을구성하기어려울수있다.그런경우에도제공되는실험실습자료는제어이론이실제로어떻게구현되고적용되는지를이해하는데도움이될수있다고생각한다.이책의실험실습방법이교육용으로만들어진제어공학실습기기의사용방법보다다소복잡해보일수있다.그러나교육용으로만들어진실습기기들은학생들이개념을이해하는데도움을줄수있지만,실제제어시스템의구현방법을이해하는데큰도움을준다고보기는어렵다.반면,이책의실습방법은실제제어시스템을구현할때도사용할수있는방법으로학생들의실무능력향상에도움이될수있는방법이라고생각한다.파일형태로제공되는실험실습절을제외하고각장에추가된절에서는제어시스템을실제로구성하는데필요한지식들을설명해서,자연스럽게실험실습과연결되도록하였다.