Stability Margin   안정도 여유

(2025-01-13)

Relative Stability, 상대 안정도, 상대 안정성, Gain Margin, 이득 여유, Phase Margin, 위상 여유


1. 상대 안정도 (Relative Stability) 또는 안정도 여유 (Stability Margin) 이란?

  ㅇ 안정하다면 얼마나 안정한가(안정해야만 하는가)의 정도를 나타냄

  ㅇ 상대 안정도의 고려 필요 이유  :  (모델 불확실성에 기인함)
     - `수학모델`과 `실제 플랜트` 간의 모델링 오차 

  ㅇ 상대 안정도의 평가
     - 주로, 보드 선도, 나이퀴스트 선도를, 상대 안정도 평가에 사용


2. 상대 안정도의 특징안정성의 `정도`를 나타냄
     - 단순히 안정/불안정을 넘어서, 얼마나 더 안정한지를 정량적으로 표현함
     - 제어시스템의 상대적 안정성(안정도 비교 평가 등)을 보장하는 정도로써,
        . `이득` 및 `위상`이 변화될 수 있는 최대 허용 범위

  ㅇ 과도 응답 품질과 밀접한 관련
     - (이득,위상) 이 두 항목 모두,
        . 주로, 주파수응답 특성을 대상으로하는 항목이나, 
        . 또한, 이들은 시간응답 특성(과도응답,정상상태오차)과도 밀접한 관계가 있음
     - 상대 안정도가 낮으면, 오버슈트,진동,느린 응답 등 시간 응답 상의 품질 저하가 발생할 수 있음

  ㅇ 모델 불확실성에 대비하는 지표 (강건성(Robustness) 판단의 기준)
     - 실제 시스템은 이상적 수학 모델과 다르므로,
       . 모델링 오차와 외란에도 안정성을 보장하는 여유가 필요함
     - 즉, 시스템파라미터 변화나 외란에도 잘 견디는가를 판단하는 데 활용됨

  ㅇ 안정도 - 성능 상충관계 존재
     - 너무 큰 안정도 여유는 응답 속도 저하, 성능 감소로 이어질 수 있어,
       적절한 여유 확보가 중요

  ㅇ 상대 안정도의 정량화
     - 이득 여유, 위상 여유 으로 구분   ☞ 아래 4.항 참조

  ※ 일반적으로,
     - 이득 여유가 클수록, 외부 간섭이나 모델링 오차에 대해 더 견고한 시스템을 제공
        . 보통, 6 dB 이상 권장됨
     - 위상 여유가 클수록, 시스템은 더 안정적이며 진동이나 초과응답(Overshoot)이 줄어듬
        . 보통, 30 ~ 60 ˚ 권장됨


3. 상대 안정도의 시각적 확인보드 선도에서는, 위상이 -180°일 때의 이득을 확인하여 계산함
  ㅇ 나이퀴스트 선도에서는, 원점에서 -1점을 기준으로 거리를 측정해 구할 수 있음


4. 상대 안정도의 정량화이득 여유 (Gain Margin)
     - 위상이 -180˚일 때의 이득과 0 dB의 차이
        . 개루프 전달함수위상은 그대로이나 이득 만이 변할 때, 
        . 폐루프 전달함수안정성을 유지할 수 있는 최대 이득 변화

     - 표현식  :  GM = − 20 log |G(jωp)|
        . ωp : 위상 교차 주파수 (위상이 -180˚가 되는 주파수)

     - 값이 클수록, 안정도 여유가 높다고 판단됨

  ㅇ 위상 여유 (Phase Margin)
     - 이득이 0 dB 일 때의 위상과 -180˚의 차이
        . 개루프 전달함수이득은 그대로이나 위상 만이 변할 때, 
        . 폐루프 전달함수안정성을 유지할 수 있는 최대 위상 변화

     - 표현식  :  PM = ∠G(jωg) + 180˚
        . ωg : 이득 교차 주파수 (이득이 0 dB가 되는 주파수)

     - 값이 작을수록, 진동성이 커지고, 과도응답에서 오버슈트(Overshoot)가 심해질 수 있음

안정도
1. 안정성   2. 안정도 구분   3. 상대안정도(이득여유,위상여유)   4. 안정도 판별법   5. Hurwitz 다항식   6. Routh-Hurwitz 판별법   7. 나이퀴스트 판별법  

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