Elección de variables de estado en la teoría de circuitos

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He estado tratando de obtener una comprensión más fundamental de lo que es un circuito, matemáticamente hablando. He leído sobre el modelo de elementos agrupados, las ecuaciones constitutivas y el memristor. Sin embargo, todavía tengo algunas dudas sobre qué es el marco conceptual.

Cuando se habla de memristors , la gente dice que las variables de estado son voltaje, corriente, carga y flujo magnético (o flujo vinculación, no estoy seguro acerca de la distinción). Luego hay 6 posibles pares de variables de estado, dos de las cuales son definiciones, y del resto surgirán los elementos del circuito : $$ \ punto q = i, \ \ \ punto \ Phi = v \\ v = R i, \ \ \ Phi = L i, \ \ q = C v, \ \ \ Phi = M q $$

Sin embargo, me parece que los enlaces de carga y flujo no agregan mucho a la imagen, ya que están relacionados con v y i por sus definiciones. Se podría decir que solo v y i son variables de estado, y los elementos del circuito son los habituales:

$$ v = L \ dot i, \ \ v = i R \ iff i = Gv, \ \ i = C \ punto v $$

¿Estos dos modelos difieren de alguna manera significativa? Supongo que el estado del memristor dentro del modelo es una distinción. ¿O es solo una cuestión de preferencia personal?

Más ampliamente : También me he estado preguntando acerca de cómo obtener el conjunto mínimo de ecuaciones para un circuito y, en general, tratar de encajar cosas como fuentes dependientes, nulistas (norators y nullators), inductancias mutuas y elementos multipuerto en una serie de modelos gradualmente más complejos, y en general sobre el mapeo de una serie de ecuaciones lineales. He encontrado algunas matemáticas sofisticadas que probablemente están relacionadas pero no entiendo, así que supongo que estas preguntas no son tan triviales. Sin embargo, me conformaría con algunos principios rectores, o cualquier sugerencia de material accesible que adopte un enfoque más basado en principios que las cosas descriptivas habituales. Gracias.

Editar: Solo para aclarar, estoy hablando de un enfoque axiomático del tema. Circuitos como una abstracción: qué estructura matemática permanece de las ecuaciones de Maxwell cuando se hacen ciertas suposiciones.

    
pregunta spelufo

2 respuestas

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Experiencia pasada:

En las clases que requieren modelar o controlar un circuito como un conjunto de ecuaciones diferenciales, nunca tuve que usar ninguna variable de estado que no fuera el voltaje y la corriente. La advertencia es que estas clases nunca fueron más allá de las ecuaciones diferenciales lineales y no usaron nada más complicado que las fuentes de corriente, fuentes de voltaje, resistencias, condensadores o inductores. Si está buscando un conjunto mínimo de ecuaciones, use el segundo conjunto de ecuaciones en su pregunta.

Desde mi comprensión del análisis de circuitos:

A mi entender, usted tiene razón, los enlaces de carga y flujo no agregan mucho al conjunto de ecuaciones. Una analogía sería que si conoce la aceleración angular de una roca en el espacio en cada punto en el tiempo, no necesita conocer la velocidad angular o el desplazamiento. No es que no necesite estos valores, ya tiene suficiente información para resolverlos. Si tienes corriente puedes integrar para encontrar carga. Si tiene un voltaje que puede integrar para encontrar el enlace de flujo.

Entonces, ¿por qué están tocando? Creo que es por razones históricas. La carga, por ejemplo, es bastante fácil de medir utilizando la ley de Coulomb y, como resultado, la literatura anterior utiliza este valor como la variable de interés. Hoy en día, ayuda a proporcionar una comprensión más completa y quizás más intuitiva de lo que está sucediendo dentro de un circuito. (estos valores también son importantes en áreas distintas del análisis de circuitos, como la investigación de semiconductores, donde la carga afecta la conductancia)

¿Quieres un modelo más complicado?

Si está buscando axiomático, tal vez comenzar con las ecuaciones de Maxwell sea una buena idea. El enlace a continuación muestra el análisis de un circuito RLC simple usando estas ecuaciones y podría ser un buen punto de partida para ver lo que gana o pierde al usar los supuestos que permiten que el análisis de circuitos funcione.

enlace

    
respondido por el Andrew
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En la teoría de circuitos lineales tradicionales y actuales, los memristores rara vez se consideran en algún sentido práctico porque el parámetro \ $ M \ $ que relaciona el flujo y la carga es difícil de realizar físicamente por cualquier medio pasivo. Y no estoy seguro de que se pueda diseñar por ingeniero, digamos, con amplificadores operacionales, un memristor virtual sin el uso de sensores de flujo y carga complejos y costosos. Los otros parámetros \ $ R \ $, \ $ L \ $ y \ $ C \ $ por otra parte son fáciles de diseñar utilizando materiales pasivos.

    
respondido por el docscience

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