線形システムは、重ね合わせと均質性という 2 つの主な特性によって特徴付けられます。重ね合わせにより、複数の入力に対する応答は、各入力に対する応答の和になります。均質性により、入力をスカラーでスケーリングすると、応答が同じスカラーでスケーリングされます。
対照的に、非線形システムは本質的にこれらの特性を持ちません。ただし、動作点の周りの小さな偏差については、非線形システムを線形として近似できることがよくあります。この近似は、特定の点での導関数で関数を表現するテイラー級数展開によって実現されます。小さな偏差に対して高次の項を無視することで、線形関係が得られます。
非線形抵抗器を含む RL 回路を考えてみましょう。このシステムを分析するには、伝達関数を導出する前に線形化が必要です。
まず、キルヒホッフの電圧法則を回路に適用し、システムを記述する非線形微分方程式を作成します。たとえば、電圧法則の方程式は次の形式になります。
ここで、V(t) は印加電圧、L はインダクタンス、R は抵抗、E はバッテリ電圧を表します。
定常電流を求めるには、小信号源をゼロに設定し、平衡電流 i_0 を解きます。次に、この平衡からの偏差に基づいて非線形微分方程式を書き直します。
非線形抵抗器の特性を使用して、線形化された微分方程式を導きます。電流の偏差が小さい場合、電圧方程式は次のように記述できます。
この近似値を電圧法則方程式に代入すると、線形微分方程式が得られます。既知の値を代入し、初期条件がゼロであると仮定すると、ラプラス変換が適用され、微分方程式がラプラス領域の代数方程式に変換されます。
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