線形時間不変 (LTI) システムの時間応答は、過渡応答と定常応答に分けられます。過渡応答は、入力の変化に対するシステムの初期反応を表し、時間の経過とともにゼロに減少します。対照的に、定常応答は、過渡効果が消えた後も持続する動作です。
LTI システムの安定性は、極と呼ばれる特性方程式の根によって決まります。システムが安定するのは、有界入力に対して有界出力を生成する場合です。これは、特性方程式のすべての根が s 平面の左半分に位置する場合に発生します。いずれかの根が s 平面の右半分に位置する場合、システムは不安定になります。絶対安定性は、システムが安定しているか不安定であるかを示しますが、相対安定性は、安定性の度合いを測定します。
これらの概念のわかりやすい例として振り子が挙げられます。振り子は、乱されていない状態では静的平衡状態にあり、この平衡位置の周りの小さな動きに対しては安定性を示します。この安定性は、振り子が変位して揺れても維持されます。この場合、外部力または摩擦力が存在します。これらの力によって減衰が生じ、システムの過渡応答が時間の経過とともに徐々に減少します。最終的に、振り子は平衡位置の周りで安定した動きを達成し、安定したシステムの特性を示します。
対照的に、振り子が不安定な平衡位置からずれると、振り子は時間応答が指数関数的に増加しながら揺れ始めます。この制限のない動きは不安定性を意味し、システムは平衡状態に戻らず、振動の振幅は増し続けます。
過渡応答と定常応答の違い、および安定性の条件を理解することは、LTI システムの分析と設計に不可欠です。システムのすべての極が左半分の s 平面にあることを確認することで、エンジニアは安定性を保証し、さまざまな入力に対するシステムの動作を予測して、より堅牢で信頼性の高いシステムパフォーマンスを実現できます。
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