피드백 제어 시스템을 분석하고 설계하는 데 일반적으로 사용되는 주파수 영역 기술은 선형, 시불변 시스템에 효과적입니다. 그러나 비선형, 시변 및 다중 입력 다중 출력 시스템을 다룰 때는 부족합니다. 시간 영역 또는 상태 공간 접근 방식은 상태 변수를 사용하여 n차 시스템에 대한 동시 1차 미분 방정식(상태 방정식이라고 함)을 구성하여 이러한 한계를 해결합니다.
일반적인 2차 시스템인 RLC 회로를 고려해 보겠습니다. 상태 공간 접근 방식을 사용하여 이 회로를 분석하려면 두 개의 동시 1차 미분 방정식이 필요합니다. 이 맥락에서 상태 변수는 에너지 저장 요소, 특히 유도자와 축전기와 관련된 미분 방정식에서 미분된 양에서 파생됩니다.
키르히호프의 전압 및 전류 법칙을 사용하여 상태 방정식을 공식화합니다. 키르히호프의 전압 법칙(KVL)은 루프 주변의 모든 전기적 전위차가 0이라고 말하는 반면, 키르히호프의 전류 법칙(KCL)은 접합에 들어오는 전류의 합이 나가는 전류의 합과 같다고 주장합니다. 이러한 법칙은 비상태 변수를 상태 변수와 입력의 선형 조합으로 표현할 수 있게 합니다.
RLC 회로에서 상태 변수는 축전기 VC의 전압과 유도자를 통과하는 전류 iL입니다. 키르히호프의 법칙은 저항 전류와 기타 비상태 변수를 VC 및 iL로 표현합니다. 이러한 표현식은 회로의 원래 미분 방정식으로 다시 대입됩니다.
상태 방정식을 도출한 후 마지막 단계는 이러한 방정식을 벡터 행렬 형태로 표현하여 상태 공간 표현을 달성하는 것입니다. RLC 회로의 경우, 이는 상태 벡터 x, 입력 벡터 u, 출력 벡터 y, 행렬 A, B, C, D를 다음과 같이 정의하는 것을 포함할 수 있습니다.
이 표현은 시스템의 동적 동작을 분석하고 적절한 제어 전략을 설계하는 데 필수적입니다.
요약하자면, 상태 공간 접근 방식은 복잡한 시스템을 처리하기 위한 견고한 프레임워크를 제공하며, 비선형성, 시간 변화, 다중 입력 및 출력을 수용함으로써 주파수 영역 기술의 기능을 넘어 확장됩니다.
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