필기에서는 제어시스템의 기본구조로 Negative Feedback System을 제시한다.

                         Disturbance
                              │
                              ▼
      r(t) ──► (+) Σ ──► [ Controller ] ──► [ Plant ] ──► y(t)
                ▲  -                                  │
                │                                     │
                └──────────── [ Sensor ] ◄────────────┘
    

기준값과 출력의 차이를 이용하여 제어입력을 결정한다.

제어기 설계에서 안정성이 가장 중요하다고 필기에 기록되어 있다.

시스템이 불안정하다면 Controller의 Pole과 Zero를 적절히 추가하거나 System Gain을 조절한다.

안정성 판단 방법으로 다음 두 가지가 기록되어 있다.

• Root Locus가 LHP에 위치
• Nyquist Criterion 만족

과도상태에서는 시스템의 응답속도와 응답형태를 고려한다.

필기에서는 다음 성능지표를 언급한다.

• Settling Time
• Overshoot
• 각 상황에 적합한 성능기준

Steady State는 Transient State를 지난 후 시스템의 목표오차를 얼마나 줄일 수 있는지를 본다.

필기에서는 정상상태 오차가 System Type에 의해 결정된다고 기록한다.

필기에서는 외란이 비교적 낮은 주파수 영역으로 들어오는 경우를 설명한다.

서서히 변화하는 외란이 발생하더라도 시스템이 이를 빠르게 복원할 수 있어야 한다.

필기에서는 System Bandwidth를 고려하여 고주파 Sensor Noise의 영향을 줄이는 방향을 기록한다.

동시에 제어에 필요한 저주파 영역의 신호는 시스템이 적절하게 추종하도록 설계한다.

      Magnitude
          ↑
          │────────────
          │            \
          │             \
          │              \____
          └────────────────────────→ Frequency

            Control 영역      High-Frequency Noise
                                ↓
                              감쇠
    

외란이나 측정 가능한 변수를 미리 알 수 있는 경우에는 Feedforward를 사용하여 제어성능을 높일 수 있다고 기록되어 있다.

      Disturbance
          │
          ├────────► [ Feedforward ]
          │                 │
          │                 ▼
          └──────────────► Control Input
    

State Space를 이용하여 시스템을 설계하는 경우 Controllability를 확인해야 한다.

출력측에서 필요한 상태값을 확인할 수 있는지에 대한 Observability도 중요하다고 기록한다.

          Input u(t)
              │
              ▼
          ┌────────┐
          │ System │
          │ State x│
          └────────┘
              │
              ▼
          Output y(t)


      Controllability
      Input → State 제어 가능 여부

      Observability
      Output → State 확인 가능 여부
    

Optimal Control에서는 무엇에 중점을 두고 제어할 것인지 판단해야 한다.

필기에서는 LQR을 예로 들어 상태의 성능과 제어입력 비용 사이의 균형을 고려한다.

필기에서는 제어성능과 비용 사이에 Trade-Off가 존재한다고 설명한다.

      성능 중시
          │
          ├── 빠른 응답
          ├── 높은 제어성능
          └── 운영비용 증가 가능

                  ↕ Trade-Off

      비용 중시
          │
          ├── 운영비용 감소
          └── 제어성능 저하 가능
    

필기에서는 이러한 균형점이 중요한 사례로 인공위성 자세제어를 기록한다.

      Negative Feedback
             │
             ▼
         Stability
             │
             ▼
      Transient Response
      Steady-State Error
             │
             ▼
      Disturbance / Noise
         Robustness
             │
             ▼
      Controllability
      Observability
             │
             ▼
       Optimal Control
             │
             ▼
      Performance ↔ Cost