2 1 2 2 1
1 2 1 1
4 2 6 4
2 3 2 2
x x y dt y
dy
x y dt y
dy
식(2-1)
y1 과 y2 에 대한 초기조건이 모두 ‘0’ 이므로, 식(2-1) 의 첫번째식을 라플라스 변환하면 다음과 같다.
) ( 2 ) ( 3 ) ( 2 ) (
2sY1 s Y1 s Y2 s X1 s Y1(s) 에 대하여 정리하면,
) ) ( 1 ( ) 1 ) ( 1 ( 2
3
) 1 ( 2
) ( 2 ) 1 ( 2
) ( ) 3
(
) ( 2 ) ( 3 ) 2 2 )(
(
1 2
1 1 2
1 2
1
s s X
s s Y
s s X s
s s Y
Y
s X s Y s
s Y
식(2-2)
식(2-1) 의 두번째식을 라플라스 변환하면 다음과 같다.
) ( 4 ) ( 2 ) ( 6 ) ( 4 )
( 1 2 1 2
2 s Y s Y s X s X s
sY 식(2-3)
식(2-3) 에 식(2-2)을 대입하여 정리하면,
) ( 1 4
) 3 ( )2 ) (
1 (
) 4 )(
3 ) (
(
) ( 4 ) 2
1 ( ) 4 ) (
1 (
12 ) 7
(
) ( 4 ) ( ) 2
1 (
) ( 4 ) 1 ( 6 6 ) (
) ( 4 ) ( 2 ) ( ) 6
1 (
) ( )
1 ( 2
) ( 4 3
) (
2 1
2
2 1
2 2
2 1
1 2
2 1
1 2 2 2
s s X
s s s X
s s s
Y
s s X
s s X
s s s
Y
s X s s X
s X s s
s Y
s X s X s s Y
s X s
s s Y
sY
위식을 다시 Y2(s) 에 대하여 정리하면,
) ) ( 4 )(
3 (
) 1 ( ) 4 4 ( ) 2
( 1 2
2 X s
s s s s s X
s
Y
식(2-4)
따라서 Y2(s) 는 X1(s) 과 X2(s) 에 대하여 표현되고, 각각 전달함수
4 2
1
G s 와
) 4 )(
3 (
) 1 ( 4
2
s s
G s 를 갖는
다.
식(2-4) 를 식(2-2) 에 대입하여 정리하면, 2. 다음 모델식의 전달함수를 구하시오.
) ) ( 4 )(
3 ( ) 6 ) ( 4 (
1
) ) ( 4 )(
3 ( ) 6 ) (
1 (
1 ) 4 )(
1 (
3
) 1 (
) ) (
) ( 4 )(
3 (
) 1 ( ) 4 4 ( 2 ) 1 ( 2 ) 3 (
2 1
2 1
1 2
1 1
s s X
s s s X
s s X
s s s X
s s
s s s X
s X s s s s X
s s Y
따라서 Y1(s) 또한 X1(s) 과 X2(s) 에 대하여 표현되고, 각각 전달함수
4 1
3
G s 와
) 4 )(
3 (
6
4
s
G s 를 갖
는다.
상기공정을 블록선도로 나타내면,
이 공정은 질량보존에 의한 물질수지식과 에너지 보존에 의한 에너지수지식으로 모델링할 수 있다.
물질수지식은 유입되는 유량과 유출되는 유량이 같기 때문에, 다음과 같이 표현된다.
0
w w dt
dV
윗식에서 w 는 질량유속 [kg/s] 을 말한다.
에너지 수지식은 유입/유출에너지, 열전달에 의한 열손실, 그리고 외부로부터의 열공급을 고려하여 다음과 같이 모 델링된다.
Q T T UA T T w C
Q T T UA T
T w C T T w dt C
V dT C
a i
p
a r
p r i p p
) (
) (
) (
) (
)
(
식(4-1) 4. 연속교반가열 공정을 모델링하고, 정상상태에서 선형화하여 편차변수로 표현하고 전달함수를 구하시오.
G1(s)
X1(s) Y2(s)
Y1(s)
G2(s) X2(s)
G3(s)
G4(s) +
+ +
+
여기에서 Cp,,V,w,A,U,Ta 는 상수이므로, 3개 (Ti,T,Q ) 의 종속변수만 남는다. 편차함수꼴로 만들 기 위해 어떤 정상상태를 식(4-1)로부터 구할 수 있다.
0 )
( )
(
p is s s a s
s
p C w T T UAT T Q
dt V dT
C 식(4-2)
식(4-1) 에서 식(4-2) 을 빼면, 우변과 좌변은 다음과 같다.
i is s
s a a
s
p s
p C w T T T T UA T T T T Q Q
dt T T V d
C
) (
) (
) (
) ) (
(
식(4-3)
여기에서 편차함수를 다음과 같이 정의하면,
s is i i
s
Q Q Q
T T T
T T T
이 정의식을 식(4-3) 에 대입하면 다음과 같이 표현된다.
T T
UAT Qw dt C
T V d
Cp p i
윗식을 라플라스 변환하면, 전달함수를 얻을 수 있다.
( ) ( ) ( ) ( )
)
( s C w T s T s UA T s Q s
T Vs
C
p
p i
) (s
T 에 대하여 윗식을 정리하면,
( )
1
( )) (
) ( ) ( )
(
s UA Q w C Vs s C
UA T w C Vs C
w s C
T
s Q s T w C UA w C Vs C s T
p p
i p
p
p
i p p
p
식(4-4)
식(4-4) 의 우변을 좀더 쉽게 표현하기 위해 전달함수의 분모와 분자에 (CpwUA) 로 나눈다.
) ( 1 1
) ( 1 )
( Q s
UAs w C
V C
UA w s C
T UAs
w C
V C
UA w C
w C s
T
p p
p i
p p
p p
식(4-5)
윗식에서
UA w C
V C
p p
은 시간단위를 갖기 때문에 시상수 라고 정의하고, 이득상수들을 다음과 같이 정의하면,
즉, C w UA V C
p p
,
UA w C
w K C
p p
1 , K C w UA
p
1
2 .
따라서 식(4-5) 는 다음과 같이 간단히 표현된다.
1
( )
1
( ))
( 1 2 Q s
s s K s T
s K
T i
식(4-6)
전달함수를 각각 G1
sK11
, G2
sK21
라고 표현하면, 다음과 같은 블록선도를 그릴 수 있다.G1(s) Ti(s)
Q(s)
T(s)
G2(s)
+
+
이문제를 다음 5단계로 나누어 풀어본다.
a) 공정모델링, b) 선형화 c)편차함수화,
d)라플라스 변환, 그리고 e)유입농도에 따른 전달함수
a) 공정모델링: 본공정에서는 에너지수지식 또는 온도변화가 고려되지 않기 때문에 물질수지식만 이용한다.
부피유량, q, 의 유입량과 유출량이 일정하므로, 총괄물질수지식은 다음과 같다.
0
q q dt
dV
하지만, 이 반응기내에는 세개의 성분이 존재하므로 성분별 물질수지식을 세워야 한다. 성분 A 는 유입/유출되는 양 과 첫번째와 두번째 반응에 의해 소멸되는 속도로서 표현된다.
B A A
A Ai
A qC qC VkC Vk C C
dt
V dC 1 2 2 식(7-1)
성분 B 또한 유입/유출되는 양, 첫번째반응에서 생성되는 양, 그리고 두번째 반응에서 소멸되는 양으로 표현된다.
B A A
B Bi
B qC qC VkC Vk C C
dt
V dC 1 2 2 식(7-2)
성분 C 는 유입되는 양이 없으므로, 유출되는 양과 두번째반응에서 생성되는 양으로 표현된다.
B A C
C qC Vk C C
dt
V dC 2 식(7-3)
따라서 이공정은 세성분의 시간에 따른 농도변화를 구하는 세개의 식으로 구성되어있고, 세성분의 농도(
C B
A C C
C , , ) 는 원료로 주입되는 성분 A 와 B 의 초기농도 (C ,Ai CBi ) 에 의해서 조절되는 전달함수로 표현 할 수 있다.
b) 선형화: 전달함수로 표현하기 위해서는 라플라스변환을 해야하는데, 식(7-1) 식(7-3) 에서 Vk1CA2 와
B AC C
Vk2 은 변수들의 곱으로 표현된 비선형항이다. 따라서 이항들을 선형화하여 라플라스변환하여야 한다. 선 형화를 위하여 성분 A 와 B 의 정상상태에서의 농도를 각각 C ,As CBs 라고 하면,
A As
As As
As A A As A
A
C C C Vk C
Vk
C dC C
C Vk d C
Vk C Vk
1 2
1
2 1 2 1 2 1
2
) (
식(7-4)
A As
As
B Bs
Bs Bs
As
Bs B B As B As
A A Bs A Bs
As
Bs B B
B As A
A A
B Bs A
As B
A
C C C Vk C
C C Vk C
C Vk
C C C
C C Vk C
C C C C Vk C C Vk
C C C
C C C Vk
C C C C C Vk
C Vk C C Vk
2 2
2
2 2
2
2 2 2
2
7. 다음반응기의 전달함수를 구하라.
B A C
A A
C C dt k
r dC C B A
C dt k
r dC B A
2 2
2 1 1
, ,
식(7-5)
따라서 식(7-1) 식(7-3) 에 식(7-4)와 식(7-5)을 대입하면 다음과 같이 선형화된 모델식을 얻는다.
A As
Bs
A As
As
B Bs
As As BsAs A
Ai
Bs B As As
A Bs Bs
As As
A As As
A A Ai
C C Vk C Vk C
C C Vk C
C C Vk C
C C Vk C
C q
C C C Vk C
C C Vk C C Vk C
C C Vk C
Vk qC dt qC
V dC
2 2 1 2
2 1
2 2
2 1
2 1
2 ) (
2
식(7-6)
A As
Bs
A As
As
B Bs
As As BsAs B
Bi
B q C C Vk C C C Vk C C C Vk C C C Vk C Vk C C
dt
V dC ( )2 1 2 2 1 2 2
식(7-7)
A As
As
B Bs
Bs Bs
As C
C qC Vk C C Vk C C C Vk C C C
dt
V dC 2 2 2
식(7-8)
c)편차함수화: 위에서 구한 선형화된 모델을 편차함수로 표현하기 위해, 식(7-1) 식(7-3) 의 정상상태 모델식을 구하여 각각을 빼준다. 즉, 정상상태에서,
2 0
2
1
Ais As As As Bs
As qC qC VkC Vk C C
dt V dC
식(7-9)
2 0
2
1
Bis Bs As As Bs
Bs qC qC Vk C Vk C C
dt V dC
식(7-10)
Bs As Cs
Cs qC Vk C C
dt
V dC 2 식(7-11)
식(7-6) 에서 식(7-9) 를 빼고, 식(7-7) 에서 식(7-10) 를 빼며, 식(7-8) 에서 식(7-11) 를 빼면 상수항은 모두 사 라진다.
A As q C
AiC
Ais C
AC
As Vk C
As C
AC
As Vk C
Bs C
AC
As Vk C
As C
BC
Bs
dt C C
V d
2 2
2
1
B Bs q C
BiC
Bis C
BC
Bs Vk C
As C
AC
As Vk C
Bs C
AC
As Vk C
As C
BC
Bs
dt C C
V d
2 2
2
1식(7-12)
C Cs q C
CC
Cs Vk C
Bs C
AC
As Vk C
As C
BC
Bs
dt C C
V d
2 2
편차함수를 다음과 같이 정의하면, CA
CACAs
, CB
CB CBs
, CC
CC CCs
,
Ai Ais
Ai C C
C , CBi
CBi CBis
, 식(7-12)의 세식은 다음과 같이 정리된다.
Ai A
As A Bs A As BA qC C VkC C Vk C C Vk C C
dt C
V d 2 1 2 2
식(7-13)
Bi B
As A Bs A As BB qC C VkC C Vk C C Vk C C
dt C
V d 2 1 2 2
식(7-14)
B As A
Bs C
C qC Vk C C Vk C C
dt C
V d 2 2 식(7-15)
d)라플라스 변환: 선형화되고, 편차함수화된 모델식을 이젠 라플라스변환하면, 초기값이 모두 “0” 으로 되었기 때 문에, 식(7-13) 은 다음과 같이 라플라스 변환된다.
( ) 2 ( )
) 2 (
) ( )
( 2
) (
) ( )
( )
( 2
) ( )
( )
(
2 1
2 2
1
2 2
1
2 2
1
s C C
Vk C
Vk q
Vs
C s Vk
C C Vk C
Vk q
Vs s q
C
s C C Vk s
C q C
Vk C
Vk q
Vs s
C
s C C Vk s
C C Vk s
C C Vk s
C s
C q s
C Vs
B Bs
As As Ai
Bs As
A
B As Ai
Bs As
A
B As A
Bs A
As A
Ai A
식(7-16) 윗식에서 시간상수
Bs
As Vk C
C Vk q
V
2 1
1 2
, 그리고 이득상수
Bs
As Vk C
C Vk q K q
2 1
1 2 ,
Bs As
As
C Vk C Vk q
C K Vk
2 1
2 2
2
라고 하면, 식(7-16) 은 다음과 같이 간단히 표현된다.
1 ( ) 1 ( )
) (
1 2 1
1
C s
s s K s C
s K
C
A Ai B
식(7-17)
식(7-14) 도 같은 방법으로 정리하면,
( )) 2 ( )
(
) ( )
( 2
) ( )
(
) ( )
( )
( 2
) ( )
( )
(
2 2 1
2
2 1
2
2 2
1
s C C
Vk q
Vs
C Vk C
s Vk C C
Vk q
Vs s q
C
s C C Vk s
C C Vk s
C q C
Vk q
Vs s
C
s C C Vk s
C C Vk s
C C Vk s
C s
C q s
C Vs
A As
Bs As
Bi As
B
A Bs A
As Bi
As B
B As A
Bs A
As B
Bi B
윗식에서 시간상수와 이득상수를 다음과 같이 정의하면,
CAs
Vk q
V
2
2
,
CAs
Vk q K q
2
3 ,
As Bs As
C Vk q
C Vk C
K Vk
2 2 1
4
2
,
1 ( ) 1 ( )
) (
2 4 2
3
C s
s s K s C
s K
C
B Bi A
식(7-18)식(7-15) 도 같은 방법으로 정리하면,
( ) ( )
) (
) ( )
( )
(
) ( )
( )
( )
(
2 2
2 2
2 2
s q C
Vs C s Vk
q C Vs
C s Vk
C
s C C Vk s
C C Vk q
Vs s
C
s C C Vk s
C C Vk s
C q s
C Vs
B As
A Bs
C
B As A
Bs C
B As A
Bs C
C
윗식에서 시간상수와 이득상수를 다음과 같이 정의하면, q
V
3 ,
q C K5 Vk2 Bs ,
q C K6 Vk2 As ,,
1 ( ) 1 ( )
) (
3 6 3
5
C s
s s K s C
s K
C
C A B
식(7-19)e)유입농도에 따른 전달함수: 이문제는 각성분의 농도 (CA(s),CB(s),CC(s) ) 와 유입되는 성분 A, B 농도 ( )
( ), (s C s
CAi Bi ) 와의 관계를 표현하는 전달함수를 구하는 것이므로, 위에서 얻어진 세식, 식(7-17), 식(7-18) 그리고 식(7-19) 로부터 필요한 관계식을 유도해야한다.
식(7-17) 을 식(7-18) 에 대입하면,
( )
) 1 1 (
) 1 1 (
) (
1 2 1
1 2
4 2
3 C s
s s K s C
K s
s K s C
s K
CB Bi Ai B
) (s
CB 에 대하여 정리하면,
1 1 ( )
1 1
1 ) 1
1 ( 1
1 1
) 1 (
) 1 (
) 1 1 (
1 1 1
) (
4 2 2
1
2 1
2 1
4 1 4
2 2
1
2 1
2 3
2 4 1
1 2
3 2
4 1
2
s K C
K s
s
s s
s s
K s K
K C K s
s
s s
s s K C
s s C
K s
s K s C
K s
K s
s K C
Ai Bi
B
Ai Bi
B
따라서,
1 1 1 ( )
) 1 (
) 1 (
4 2 2
1
1 3 4
2 2
1
4
1
C s
K K s
s
s s K
K C K s
s
K s K
C
B Ai Bi
식(7-20)식(7-20) 을 식(7-17) 에 대입하면,
1 1 1 1 ( )
) 1 (
1 1
1
) 1 1 (
) 1 1 (
1 ) 1
1 ( )
(
1 2 4 2 2
1
1 3 1
2 4 2 2
1
4 1 1
1
1 2 4
2 2
1
4 1 4
2 2
1
1 3 1
1
s s C
K K K s
s
s s K
s C K K K s
s
K K s
K
s s K K C
K s
s
K s K
K C K s
s
s s K
s C s K
C
Bi Ai
Ai Bi
Ai A
따라서,
( ) 1 1 ( )
) 1 )(
1 ( 1
) 1 )(
1 (
) 1 (
) 1 1 (
1 1
) 1 (
4 2 2
1
3 2 4
2 2
1 1
4 2 1 1 4 2 2
1
4 2 2
1
3 2 1
2 4
2 2
1
4 1 1
1
s K C
K s
s
K s K
K C K s
s s
K K K K K K s
s
s K C
K s
s
K s K
s C K K
K s
s
K K s
s K C
Bi Ai
Bi Ai
A
식(7-21)
식(7-21) 을 식(7-19)에 대입하여 정리하면,
) 1 (
1 ) 1
1 ( 1
1
) 1 (
) 1 ) (
1 )(
1 ( 1
) 1 )(
1 ( ) 1
(
4 2 2
1
1 3 4
2 2
1
4 1 3
6
4 2 2
1
3 2 4
2 2
1 1
4 2 1 1 4 2 2
1 3
5
s K C
K s
s
s s K
K C K s
s
K K s
K
s K C
K s
s
K s K
K C K s
s s
K K K K K K s
s s
s K C
Bi Ai
Bi Ai
C
윗식을 재정리하여 다음과 같은 전달함수를 얻는다.
1 1 1 1 1 1 1 ( )
) 1 (
1 1
) 1 )(
1 ( 1 1
) 1 )(
1 ) (
(
4 2 2
1 3
1 6 3 4
2 2
1 3
5 3 2
4 2 2
1 3
6 4 1 4
2 2
1 1
3
4 2 1 1 4 2 2
1 5
s K C
K s
s s
s K K K
K s
s s
K K K
s K C
K s
s s
K K K K
K s
s s
s
K K K K K K s
s s K
C
Bi
Ai C
식(7-22)
식(7-20), 식(7-21), 식(7-22) 로부터, 본 반응기에서 반응후 농도변화 (CA(s),CB(s),CC(s))는 유입농도 (CAi(s), CBi(s)) 에 따른 전달함수로 기술된다.
21. 전달함수를 구하시오.
주어진 블록선도로부터 전체전달함수, Y(s)/X(s), 를 찾아내기 위해 다음과 같은 중간전달함수를 설정한다.
중간전달함수는 다음과 같이 정의된다.
2 1
cG Y
bG c
c a b
Y X a
중간전달함수를 순차적으로 대입하여 정리하면,
2
1
cG Y
G c Y X c
식(21-1)
식(21-1) 의 첫번째식에서 c 에 대하여 정리하면,
) )(
1 (
) (
) 1 (
1 1
1 1
Y G X
c G
Y X G G c
식(21-2)
식(21-2) 을 식(21-1)의 두번째식에 대입하면,
G X G G
G G
G Y G
G X G G G
G Y G
G G Y G X Y
) 1
(
) 1 ( ) 1 (
) 1 ( ) 1 1 (
) 1 (
2 1 1
1 1
2 1
1 2 1 1
2 1
1 2 1
따라서,
G X G G
G Y G
) 1
( 1 1 2
2 1
G1 G1
+ -
+
X + Y
G1 G1
+
- +
X + Y
a b c
여기에서
1 1
1
G s
, 그리고 0.5 1 5 . 0
2
G s
이므로,
s X
s X s
X s
s
s s
s
s s
X s
s s
s Y s
2 2 2
) 1 (
1
5 . 0 5
. 0
5 . 0
) 1 5 . 0 )(
1 (
5 . 0 ) 1 5 . 0 ( ) 1 5 . 0 )(
1 (
) 1 5 . 0 (
5 . 0 1 1
)) 1 5 . 0 (
5 . 0 1 1 1 1 1
(
) 1 5 . 0 (
5 . 0 1 1
따라서 입력변수에 따른 출력변수간의 전달함수 Y(s)/X(s) 는 다음과 같다.
)2
1 (
1 )
( ) (
s s X
s Y
24. 다음과 같은 액체 교반공정을 고려한다. 모든 유입속도 및 유출속도는 일정한 값으로 유지되며 유입흐름의 농 도는 변화할 수 있다.
(1) 유입흐름이 농도 입력변화에 대한 유출흐름의 농도 응답을 전달함수로 표현하라.
농도의 단위를 질량농도 (CA [kg/l]), 부피유속을 F [l/min] 라고 가정하고, 성분에 A에 대하여 물질수지 식을 세우면,
A A
A
F C
AF C F C dt
V C
d
3 2 2 1 1
)
(
(1)여기에서, 모든 부피유속이 일정하게 유지되므로, F1F2F3 0 dt
dV 이다. 따라서 식 (1) 은 다음과 같이 정
리된다.
A A
A F CA F C F C dt
V dC 1 1 2 2 3 (2)
C'A1(S)
C'A2(S)
C'A(S) K1
K2 τS+1
τS+1
편차변수를 이용하여 식 (2) 를 표준화하면 다음과 같다.
A A
A F CA F C F C dt
C
V d 1 1 2 2 3 (3)
식 (3) 을 라플라스변환하여 정리하면,
) ( )
( )
( )
(VsF3 CA s F1CA1 s F2 CA2 s
윗식의 양변을 F3 로 나누고, V/ F3, K1 F1/ F3, K2 F2/ F3 라고 정의하면 다음과 같다.
) 1 (
) 1 (
)
( 1 1 2 C 2 s
s s K s C
s K
CA A A
(2) 위 전달함수에 대응되는 블록 선도를 그려라.
27. 다음 블록선도로부터 전달함수 C(S)/R(S) 및 C(S)/L(S)를 구하여라.
G4
a
C --- ⓐ
1 5) (R C G GC
b --- ⓑ
(b G3 a) G 2 G1
L G2a C --- ⓒ
a
에 대하여 동류항끼리 묶어 정리하면,2 2
1 3
2
1 )
1
( G G G b G G L G
a C ---ⓓ
b 에 관련된 ⓑ식을 ⓓ식에 대입하면,
2 2
1 1 5 3
2
1 ) {( ) }
1
( G G G R C G G G G L G
a C C
a
에 대해 정리하면,3 2 1
2 2
1 1 5
1
} )
{(
G G G
G L G G G G C
a R C C
---ⓔ
ⓐ식에 ⓔ식을 대입하면,
3 2 1
4 2 3
2 1
4 2 1 1 5
1 1
} )
{(
G G G
G G L G
G G
G G G G G C
C R C C
---ⓕ
ⓕ식을 C 의 동류항끼리 묶어 정리를 하면,
1 ) ( 1 )
( 1 )
1 (
3 2 1
4 2 1 1 3
2 1
4 2 3
2 1
5 4 2 1 1
G G G
G G G R G
G G G
G L G
G G G
G G G G
C GC C C C
5 4 2 1 1 3 2 1
4 2
1 ) (
) (
G G G G G G G G
G G S
L S C
C
C
5 4 1 2 1 3 2 1
4 2 1 1
1 ) (
) (
G G G G G G G G
G G G G S
R S C
C C
C C