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15.5 : 극점과 시스템 안정성

전달 함수는 두 다항식의 비율을 나타내는 기본 개념입니다. 분자와 분모는 시스템의 동역학을 포괄합니다. 이 전달 함수의 0과 극점은 시스템의 동작과 안정성을 결정하는 데 중요합니다.

단순 극점은 분모 다항식의 고유한 근입니다. 각 단순 극점은 시스템의 특성 방정식에 대한 고유한 해에 해당하며, 일반적으로 시스템 응답에서 지수 감쇠 항을 야기합니다.

분모에서 두 번 이상 나타나는 반복 극점은 더욱 복잡한 시스템 동작을 나타냅니다. 이러한 극점은 진동 작용 또는 더 느린 감쇠율을 나타내며, 시간 영역 응답에서 ^n e^σt를 포함하는 항을 초래합니다. 여기서 n은 극점의 다중도이고 σ는 극점의 실수 부분입니다.

복소 극점에는 실수부와 허수부가 모두 있어 시스템 응답에서 진동 구성 요소가 발생합니다. 이러한 극은 일반적으로 켤레 쌍, σ±jω로 나타나며, 지수 감쇠, (cos⁡(ωt)+jsin⁡(ωt))에 의해 변조된 사인 및 코사인 항을 포함하는 응답으로 이어집니다.

선형 시불변(LTI) 시스템의 안정성은 s-평면에서 극의 위치에 따라 결정됩니다. 유계 입력-유계 출력(BIBO) 안정성의 경우 모든 극은 좌반평면(LHP)에 있어야 하며, 모든 임펄스 응답이 시간이 지남에 따라 감쇠되도록 합니다. LHP의 반복된 극은 안정성에 기여하지만 시스템 응답의 순서가 증가함에 따라 감쇠가 더 점진적입니다.

반대로, 우반평면(RHP)의 극은 불안정성을 초래합니다. 이러한 극이 시스템 응답에서 기하급수적 증가를 일으켜 유한한 입력에 대해서도 무한한 출력을 초래하기 때문입니다.

적절한 유리 함수는 분자 차수가 분모 차수보다 작거나 같고 엄격히 적절한 함수와 유사한 안정성 규칙을 따릅니다. 분자 차수가 분모 차수를 초과하는 부적절한 유리 함수는 본질적으로 BIBO 안정적이지 않습니다. 이는 이러한 함수가 출력이 유한한 입력 신호에 대해 무한해질 수 있음을 의미하며, 유한성의 원리를 위반하기 때문입니다.

요약하면, 전달 함수의 극은 단순, 반복 또는 복잡 여부에 관계없이 시스템의 응답과 안정성을 이해하는 데 중요합니다. s-평면에서 이러한 극의 위치는 시스템이 안정적인 동작을 보이는지 불안정해지는지 여부를 결정하며, 적절한 유리 함수와 부적절한 유리 함수는 안정성을 더 높여줍니다.

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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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