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15.5 : 極とシステムの安定性

伝達関数は、2 つの多項式の比を表す基本概念です。この分子と分母はシステムの流動特性を含んでいます。この伝達関数のゼロ点と極は、システムの動作と安定性を決定する上で重要です。

単純極は、分母多項式の一意の根です。各単純極は、システムの特性方程式の明確な解に対応し、通常、システムの応答に指数関数的な減衰項をもたらします。

分母に複数回出現する多重極は、より複雑なシステム動作を示します。これらの極は、振動動作またはより遅い減衰率のいずれかを示唆し、時間領域応答に t^n e^σt という項が現れます。ここで、n は極の多重度、σ は極の実数部です。

複素極には実数部と虚数部の両方があり、システムの応答に振動成分をもたらします。これらの極は通常、共役対 σ±jω で現れ、指数関数的減衰によって変調された正弦項と余弦項を含む応答、e^σt(cos(ωt)+jsin(ωt)) につながります。

線形時間不変 (LTI) システムの安定性は、s 平面における極の位置によって決まります。有界入力有界出力安定性 (BIBO) の場合、すべての極が左半平面 (LHP) にある必要があり、すべてのインパルス応答が時間の経過とともに減衰することが保証されます。LHP 内の多重極は安定性に貢献しますが、システムの応答の次数が増加するため、減衰はより緩やかになります。

逆に、右半平面 (RHP) の極は不安定性につながります。これらの極はシステムの応答を指数関数的に増加させ、結果として、有界な入力に対しても出力が無限に成長する結果になります。

適切な有理関数は、分子の次数が分母の次数以下であり、厳密に適切な関数と同様の安定性ルールに従います。分子の次数が分母の次数を超える不適切な有理関数は、本質的に BIBO 安定ではありません。これは、このような関数は、有界な入力信号に対して出力が無限大になり、有界性の原則に違反する可能性があるためです。

要約すると、伝達関数の極 (単純極、多重極、複素極) は、システムの応答と安定性を理解する上で極めて重要です。s 平面上でのこれらの極の位置によって、システムが安定した動作を示すか不安定になるかが決定され、適切な有理関数と不適切な有理関数も安定性に追加の影響を与えます。

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Transfer FunctionPolesSystem StabilitySimple PolesRepeated PolesComplex PolesLinear Time Invariant LTIBounded InputBounded Output BIBO StabilityLeft Half plane LHPRight Half plane RHPProper Rational FunctionsImproper Rational FunctionsCharacteristic EquationOscillatory Behavior

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