フィードバック制御システムの解析と設計でよく使用される周波数領域手法は、線形で時間不変のシステムには効果的です。ただし、非線形で時間変動の、複数入力複数出力のシステムを扱う場合には不十分です。時間領域または状態空間アプローチは、状態変数を使用して n 次システムの状態方程式と呼ばれる同時一次微分方程式を構築することで、これらの制限に対処します。
一般的な二次システムである RLC 回路を考えてみましょう。状態空間アプローチを使用してこの回路を解析するには、2 つの同時一次微分方程式が必要です。この文脈での状態変数は、エネルギー貯蔵要素、具体的にはインダクタとコンデンサに関連する微分方程式で微分された量から導出されます。
状態方程式を定式化するために、キルヒホッフの電圧法則と電流法則が使用されます。キルヒホッフの電圧法則 (KVL) は、ループの周りのすべての電位差がゼロであることを示しています。一方、キルヒホッフの電流法則 (KCL) は、接合部に入る電流の合計が接合部から出る電流の合計に等しいことを示しています。これらの法則により、非状態変数を状態変数と入力の線形結合として表現できます。
RLC 回路では、状態変数はコンデンサ VC の両端の電圧とインダクタ iL を流れる電流です。キルヒホッフの法則は、抵抗器の電流とその他の非状態変数を VC と iL で表します。これらの式は、回路の元の微分方程式に代入されます。
状態方程式を導出した後、最後のステップは、これらの方程式をベクトル行列形式で表し、状態空間表現を実現することです。 RLC 回路の場合、状態ベクトル x、入力ベクトル u、出力ベクトル y、および行列 A、B、C、D を次のように定義する必要があります。
この表現は、システムの動的動作を分析し、適切な制御戦略を設計するために不可欠です。
要約すると、状態空間アプローチは、非線形性、時間変動、および複数の入力と出力に対応することで、周波数領域手法の能力を超えて、複雑なシステムを処理するための強力なフレームワークを提供します。
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