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mck system

https://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=Introduction&section=SystemModeling

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MCK System

Mass · Spring · Damper → 운동방정식 → 상태변수 → State Space

1. MCK System

MCK System은 Mass, Spring, Damper로 구성된 대표적인 2차 기계 시스템이다.

기호 요소 물리량
m Mass 질량
k Spring 스프링 상수
c Damper 감쇠계수
x Displacement 변위
F(t) External Force 외력
입력은 외력 F(t), 시스템의 운동은 변위 x(t)로 나타낸다.

2. Spring Force

Spring Force는 변위에 비례하며 변위의 반대 방향으로 작용한다.

Fspring = -kx
Spring Force ∝ Displacement

음의 부호는 스프링 힘이 변위를 원래 위치로 되돌리는 방향으로 작용한다는 의미이다.

3. Damper Force

Damper Force는 속도에 비례하며 운동 방향의 반대로 작용한다.

Fdamper = -cẋ
Damper Force ∝ Velocity

4. 운동방정식

Mass에 작용하는 힘의 합에 Newton의 운동법칙을 적용한다.

ΣF = ma = mẍ

Mass에는 외력 F(t), Spring Force, Damper Force가 작용한다.

mẍ = -kx – cẋ + F(t)

정리하면

mẍ + cẋ + kx = F(t)
MCK System은 2계 미분방정식으로 표현된다.

5. State Variable 정의

운동방정식은 2계 미분방정식이다.

State Space 형태로 표현하기 위해 2계 미분방정식을 두 개의 1계 미분방정식으로 변환한다.

x1 = x
x2 = ẋ

따라서

ẋ1 = x2

그리고

ẋ2 = ẍ
상태변수는 위치 x와 속도 ẋ로 설정한다.

6. 2계 미분방정식을 1계식으로 변환

원래 운동방정식은

mẍ = -kx – cẋ + F(t)

이다.

양변을 m으로 나누면

ẍ = -(k/m)x – (c/m)ẋ + (1/m)F(t)

상태변수를 대입하면

ẋ2 = -(k/m)x1 – (c/m)x2 + (1/m)F(t)

7. State Equation

두 개의 1계 미분방정식을 행렬 형태로 정리한다.

[ ẋ1
ẋ2 ] = [ 0    1
-k/m    -c/m ] [ x1
x2 ] + [ 0
1/m ] F(t)

일반적인 상태방정식

ẋ = Ax + Bu

과 비교하면

A = [ 0    1
-k/m    -c/m ]
B = [ 0
1/m ]
u = F(t)

8. Output Equation

상태공간의 출력방정식은 일반적으로

y = Cx + Du

로 표현한다.

이미지에서는 출력으로 위치 x를 선택하였다.

y = x1

따라서

C = [ 1    0 ]
D = 0

출력방정식은

y = [ 1    0 ] [ x1
x2 ] + 0·u
y = x1 = x
출력으로 변위를 선택하면 C = [1  0], D = 0이다.

9. 최종 State Space Model

ẋ = Ax + Bu
y = Cx + Du
행렬 MCK System
A [0   1; -k/m   -c/m]
B [0; 1/m]
C [1   0]
D 0

10. 핵심 관계

항목 관계식
Spring Force F = -kx
Damper Force F = -cẋ
Newton’s Law ΣF = mẍ
Motion Equation mẍ + cẋ + kx = F(t)
State 1 x1 = x
State 2 x2 = ẋ
State Equation ẋ = Ax + Bu
Output Equation y = Cx + Du

11. 핵심 기억 문장

  1. Spring Force는 변위에 비례하여 F = -kx로 표현한다.
  2. Damper Force는 속도에 비례하여 F = -cẋ로 표현한다.
  3. Newton의 운동법칙을 적용하면 mẍ + cẋ + kx = F(t)가 된다.
  4. 2계 미분방정식을 상태방정식으로 변환하기 위해 x₁ = x, x₂ = ẋ로 정의한다.
  5. 상태행렬 A는 시스템 자체의 동특성을 나타낸다.
  6. 입력 F(t)는 B 행렬을 통해 상태변화에 영향을 준다.
  7. 출력이 위치 x라면 C = [1 0], D = 0이다.
MCK System, Mass, Spring, Damper, Motion Equation, Newton’s Law, State Variable, State Equation, State Space, A Matrix, B Matrix, C Matrix, D Matrix
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