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Final Value Theorem

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Final Value Theorem

정상상태 값 → Laplace Transform → sY(s) → Pole 조건 → Final Value

1. Final Value Theorem 전체 흐름

Final Value Theorem은 시간응답 y(t)를 직접 역 Laplace Transform하지 않고, s-domain의 Y(s)에서 정상상태 최종값을 구하는 방법이다.
Time Response y(t) → Laplace Transform Y(s) → sY(s) → s → 0 → Final Value
limt→∞ y(t) = lims→0 sY(s)

즉 시간 t를 무한대로 보내어 정상상태 값을 직접 구하는 대신, Laplace 영역에서 s를 0으로 보내어 같은 값을 계산한다.

단, Final Value Theorem을 적용하려면 sY(s)의 모든 pole이 LHP에 존재하여 최종값이 수렴해야 한다.

2. 용어 정의

2.1 Final Value

Final Value는 시간이 충분히 지난 후 출력 y(t)가 도달하는 정상상태 값이다.

Final Value = limt→∞ y(t)
Transient Response → 시간 경과 → Steady State → Final Value
Final Value는 과도응답이 사라진 뒤 남는 출력값이다.

2.2 Final Value Theorem

y(t)의 Laplace Transform을 Y(s)라고 하면 Final Value Theorem은 다음과 같다.

limt→∞ y(t) = lims→0 sY(s)
Time Domain

limt→∞ y(t)
s-Domain

lims→0 sY(s)

따라서 복잡한 Y(s)를 inverse Laplace Transform하여 y(t)를 모두 구하지 않아도 정상상태 값만 바로 계산할 수 있다.

2.3 적용 조건 — Pole

Final Value Theorem은 아무 Y(s)에나 적용할 수 있는 공식이 아니다.

원문 필기에서는 적용조건을 다음과 같이 정리하였다.

sY(s)의 모든 pole이 LHP에 존재해야 한다.
Pole of sY(s) → LHP → 시간응답 수렴 → Final Value 존재

LHP는 Left Half Plane, 즉 s-plane의 왼쪽 반평면을 의미한다.

Re(s) < 0
핵심은 y(t)가 시간이 지나면서 하나의 값으로 수렴해야 한다는 것이다.

2.4 왜 s → 0 인가?

Final Value Theorem에서는 시간영역의

t → ∞

에 대응하여 s-domain에서

s → 0

을 사용한다.

Long-Time Behavior → Low-Frequency / DC Behavior → s → 0
정상상태를 확인할 때는 sY(s)에서 s를 0으로 보낸다.

3. Final Value Theorem 유도

3.1 미분의 Laplace Transform에서 시작

원문에서는 y(t)의 미분에 대한 Laplace Transform에서 출발한다.

ℒ{dy(t)/dt} = sY(s) – y(0–)

Laplace Transform 정의로 쓰면

sY(s) – y(0–) = ∫0–∞ e-st [dy(t)/dt] dt
Final Value Theorem은 미분의 Laplace Transform 성질에서 유도할 수 있다.

3.2 양변에 s → 0 적용

이제 양변에서 s를 0으로 보낸다.

lims→0 [sY(s) – y(0–)]

우변에서는

e-st → 1    (s → 0)

이므로

lims→0 ∫0∞ e-st [dy/dt] dt = ∫0∞ [dy/dt] dt

3.3 미분을 적분한다

미분값을 시간에 대해 적분하면 y(t)의 처음 값과 마지막 값의 차이가 된다.

∫0∞ [dy/dt] dt = y(∞) – y(0)

따라서

lims→0 [sY(s) – y(0)] = limt→∞ y(t) – y(0)

양변의 초기값 y(0)을 제거하면

lims→0 sY(s) = limt→∞ y(t)

따라서

limt→∞ y(t) = lims→0 sY(s)
이것이 Final Value Theorem이다.

4. 용어 간 관계

용어 의미 Final Value Theorem과의 관계
y(t) 시간영역 출력 최종값을 구하려는 대상
Y(s) y(t)의 Laplace Transform s-domain 출력
sY(s) Y(s)에 s를 곱한 값 Final Value 계산 및 pole 조건 확인
s → 0 DC / 정상상태 영역 최종값 계산
LHP Left Half Plane 응답의 수렴 조건
Final Value t → ∞에서의 출력값 lim sY(s)로 계산

Final Value Theorem의 핵심 연결

Output y(t) → Laplace Transform → Y(s) → sY(s) → Pole 확인 → LHP → s → 0 → Final Value
limt→∞ y(t) = lims→0 sY(s)

5. 하나의 스토리로 이해하기

Step 1. 출력의 최종값만 알고 싶다

시스템의 출력이 y(t)라고 하자.

우리가 알고 싶은 것은 전체 과도응답이 아니라 시간이 충분히 지난 후의 값이다.

limt→∞ y(t)

Step 2. y(t)를 직접 구하기는 번거롭다

Y(s)가 주어졌다면 일반적인 방법은 inverse Laplace Transform으로 y(t)를 먼저 구하는 것이다.

Y(s) → Inverse Laplace Transform → y(t) → t → ∞

하지만 정상상태 값만 필요하다면 이 전체 과정을 수행할 필요가 없다.

Step 3. sY(s)를 만든다

Y(s) → sY(s)

그리고 sY(s)의 pole을 확인한다.

sY(s)의 모든 pole이 LHP에 존재하는가?

Step 4. Pole이 LHP에 있으면 응답이 수렴한다

Pole → LHP → Transient Decay → Final Value 존재

이 조건이 만족되면 Final Value Theorem을 적용할 수 있다.

Step 5. s를 0으로 보낸다

lims→0 sY(s)

이 값이 시간영역 출력의 정상상태 최종값이다.

limt→∞ y(t) = lims→0 sY(s)

6. 제어공학에서의 의미

제어시스템에서는 입력에 대한 출력의 정상상태 값을 자주 확인한다.

전달함수를 G(s), 입력을 R(s)라고 하면

Y(s) = G(s)R(s)

이므로 Final Value는

y(∞) = lims→0 sG(s)R(s)

로 계산할 수 있다.

Transfer Function + Input → Y(s) → Final Value Theorem → Steady-State Output
Final Value Theorem은 전달함수에서 정상상태 응답을 직접 확인하기 위한 도구이다.

7. Steady-State Error와의 연결

Feedback Control System에서는 출력뿐 아니라 정상상태 오차도 Final Value Theorem으로 구할 수 있다.

ess = limt→∞ e(t)

E(s)가 오차 e(t)의 Laplace Transform이면

ess = lims→0 sE(s)
Error e(t) → E(s) → sE(s) → s → 0 → Steady-State Error
따라서 Final Value Theorem은 정상상태 오차 해석의 기본 도구가 된다.

8. 핵심 기억 문장

  1. Final Value는 limt→∞ y(t)이다.
  2. Final Value Theorem은 limt→∞ y(t) = lims→0 sY(s)이다.
  3. Final Value Theorem 적용 전에는 sY(s)의 pole을 확인해야 한다.
  4. 원문에서는 sY(s)의 모든 pole이 LHP에 존재해야 한다고 정리한다.
  5. Final Value Theorem은 미분의 Laplace Transform 성질에서 유도할 수 있다.
  6. 정상상태 출력은 Y(s)를 역변환하지 않고 직접 구할 수 있다.
  7. 정상상태 오차 역시 ess = lims→0sE(s)로 계산한다.

9. 최종 암기 구조

Output
y(t)
↓
Laplace Transform
↓
Y(s)
↓
sY(s)
↓
Pole 확인
↓
모든 Pole
LHP
↓
Final Value Theorem 적용
↓
s → 0
↓
lims→0sY(s)
↓
limt→∞y(t)
↓
Steady-State Value
한 문장 정리

Final Value Theorem은 시간응답 y(t)를 직접 역 Laplace Transform하지 않고 Y(s)에 s를 곱한 sY(s)의 pole이 LHP에 존재하여 응답이 수렴하는지를 먼저 확인한 후, s를 0으로 보내어 limt→∞y(t) = lims→0sY(s)로 시스템의 정상상태 최종값을 구하는 방법이다.
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