Analogová implementace prvků neceločíselného řádu a jejich aplikace

Abstract

S pokroky v teorii počtu neceločíselného řádu a také s rozšířením inženýrských aplikací systémů neceločíselného řádu byla značná pozornost věnována analogové implementaci integrátorů a derivátorů neceločíselného řádu. Je to dáno tím, že tento mocný matematický nástroj nám umožňuje přesněji popsat a modelovat fenomén reálného světa ve srovnání s klasickými „celočíselnými“ metodami. Navíc nám jejich dodatečný stupeň volnosti umožňuje navrhovat přesnější a robustnější systémy, které by s konvenčními kondenzátory bylo nepraktické nebo nemožné realizovat. V předložené disertační práci je věnována pozornost širokému spektru problémů spojených s návrhem analogových obvodů systémů neceločíselného řádu: optimalizace rezistivně-kapacitních a rezistivně-induktivních typů prvků neceločíselného řádu, realizace aktivních kapacitorů neceločíselného řádu, analogová implementace integrátoru neceločíselného řádů, robustní návrh proporcionálně-integračního regulátoru neceločíselného řádu, výzkum různých materiálů pro výrobu kapacitorů neceločíselného řádu s ultraširokým kmitočtovým pásmem a malou fázovou chybou, možná realizace nízkofrekvenčních a vysokofrekvenčních oscilátorů neceločíselného řádu v analogové oblasti, matematická a experimentální studie kapacitorů s pevným dielektrikem neceločíselného řádu v sériových, paralelních a složených obvodech. Navrhované přístupy v této práci jsou důležitými faktory v rámci budoucích studií dynamických systémů neceločíselného řádu.With advancements in the theory of fractional calculus and also with widespread engineering application of fractional-order systems, analog implementation of fractional-order integrators and differentiators have received considerable attention. This is due to the fact that this powerful mathematical tool allows us to describe and model a real-world phenomenon more accurately than via classical “integer” methods. Moreover, their additional degree of freedom allows researchers to design accurate and more robust systems that would be impractical or impossible to implement with conventional capacitors. Throughout this thesis, a wide range of problems associated with analog circuit design of fractional-order systems are covered: passive component optimization of resistive-capacitive and resistive-inductive type fractional-order elements, realization of active fractional-order capacitors (FOCs), analog implementation of fractional-order integrators, robust fractional-order proportional-integral control design, investigation of different materials for FOC fabrication having ultra-wide frequency band, low phase error, possible low- and high-frequency realization of fractional-order oscillators in analog domain, mathematical and experimental study of solid-state FOCs in series-, parallel- and interconnected circuit networks. Consequently, the proposed approaches in this thesis are important considerations in beyond the future studies of fractional dynamic systems.