Laplaceova transformace

Transkrypt

1 Laplaceova transformace Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček Ústav aplikované matematiky ČVUT v Praze, Fakulta dopravní 5. přednáška 11MSP 219 verze: :12

2 Obsah přednášky 1 Fourierova transformace Vlastní funkce a komplexní exponenciála 2 Matematické nářadí - Laplaceova transformace 3 Dopředná Laplaceova transformace 4 Příklady použití Laplaceovy transformace

3 Vlastní funkce systému A x = λ x Vstup systému u(t), výstup λu(t). λ je vlastní číslo

4 Fourierova transformace Komplexní exponenciála Odezva LTI systému na komplexní exponenciálu je ta samá komplexní exponenciála, pouze se změněnou amplitudou: spojitý systém: e st H(s) e st diskrétní systém: z n H(z) z n kde H(s) respektive H(z) je komplexní škálovací faktor, jež obecně může záviset na komplexní proměnné s nebo z. Signál, pro nějž je výstup systému roven vstupu až na násobení konstantou, nazýváme vlastní funkce systému a odpovídající škálovací faktor pak nazýváme vlastní číslo systému.

5 Fourierova transformace Komplexní exponenciála Uvažujme spojitý LTI systém s impulsní odezvou h(t) a vstupním signálem u(t) = e st, kde s C: y(t) = h(τ) u(t τ) dτ = h(τ) e s(t τ) dτ. Platí e s(t τ) = e st e sτ a člen e st nezávisí na integrandu, je tedy y(t) = e st h(τ) e sτ dτ.

6 Fourierova transformace Komplexní exponenciála y(t) = H(s) e st, kde H(s) je komplexní konstanta závisející jednak na s a jednak na impulsní odezvě systému vztahem H(s) = h(τ) e sτ dτ.

7 Obsah přednášky 1 Fourierova transformace 2 Matematické nářadí - Laplaceova transformace 3 Dopředná Laplaceova transformace 4 Příklady použití Laplaceovy transformace

8 Laplaceova transformace Odkud se bere? Pro imaginární s odpovídá H(s) Fourierově transformaci signálu impulsní odezvy h(t). Pokud budeme uvažovat namísto ryze imaginárních komplexních hodnot obecná komplexní čísla p, bude výsledkem generalizace Fourierovy transformace tak zvaná Laplaceova transformace. Bude potom e pt H(p) e pt, p = a + bi a H(p) odpovídá Laplaceově transformaci signálu impulsní odezvy h(t).

9 Obsah přednášky 1 Fourierova transformace 2 Matematické nářadí - Laplaceova transformace 3 Dopředná Laplaceova transformace Důvody použití Definice Vlastnosti Tabulky Laplaceovy transformace 4 Příklady použití Laplaceovy transformace

10 Laplaceova transformace Důvody pro použití Laplaceova transformace významně zjednodušuje některé operace v oblasti analýzy spojitých LTI systémů, například derivace násobení proměnnou p integrace dělení proměnnou p diferenciální rovnice n-tého řádu s konstantními koeficienty algebraické rovnice n-tého řádu konvoluce f (t) g(t) součin F (p) G(p)

11 Laplaceova transformace Definice Definition (Laplaceova transformace) Laplaceova transformace funkce f (t), která je nanejvýš polynomiálního růstu je definována integrálem f (t) = a + a 1 t + a 2 t a n t n F (p) = f (t)e pt dt L {f (t)}. Funkci f (t) nazýváme vzorem a funkci F (p) Laplaceovým obrazem.

12 Laplaceova transformace Definice inverzní transformace Zpětná Laplaceova transformace má tvar integrálu podél křivky v komplexní rovině p f (t) = 1 2πi c+i c i F (p) e pt dp L 1 {F (p)}. Praktické počítání zpětné Laplaceovy transformace vychází z residuové věty, která pro racionálně lomené funkce v proměnné p vede v operátorovém počtu na Heavisideovu větu. (Oliver Heaviside, )

13 Laplaceova transformace Vlastnosti - linearita Theorem (Linearita) Laplaceova transformace je lineární: { } L a k f k (t) = a k L {f k (t)} = a k F k (p) k k k { } L 1 b m F m (p) = b m L 1 {F m (p)} = b m f m (t) m m m

14 Laplaceova transformace Vlastnosti změna měřítka Theorem (O změně měřítka) Pro F (p) = L {f (t)} je L {f (at)} = 1 ( p ) a F a Důkaz. Substitucí at = τ L {f (at)} = f (at)e pt dt = f (τ)e p a τ 1 a dτ = 1 a F ( p a )

15 Laplaceova transformace vlastnosti Věta o změně měřítka platí samozřejmě i obráceně: 1 ( t ) b f = L 1 {F (bp)} b Všechny integrální transformace (Laplace, Fourier, Wavelets) podléhají Hesienbergově principu neurčitosti v časovém a kmitočtovém rozlišení. f f t t

16 Laplaceova transformace Vlastnosti posunutí Theorem (O posunutí) Je-li F (t) = L {f (t)}, pak Důkaz. L {1(t τ)f (t τ)} = e pτ L {f (t)} = e pτ F (p). Substitucí t τ = ϑ obdržíme L {f (t τ)} = f (t τ)e pt dt = τ f (ϑ)e p(τ+ϑ) dϑ = e pτ f (ϑ)e pϑ dϑ + e pτ f (ϑ)e pϑ dϑ τ = e pτ f (ϑ)e pϑ dϑ e pτ F (p)

17 Laplaceova transformace Vlastnosti transformace konvoluce Theorem (O konvoluci) { } L {f (t) g(t)} = L f (t τ) g(τ) dτ = F (p) G(p) Důkaz se snáze provádí v diskrétním čase. Důsledek { L y(t) = } h(τ) u(t τ) dτ Y (p) = H(p) U(p)

18 Laplaceova transformace Vlastnosti obraz derivace Theorem (O obrazu derivace funkce) L {f (t)} = F (p) { } d L dt f (t) = pf (p) f () { d 2 } L dt 2 f (t) = p 2 F (p) pf () d dt f () {. d n } L dt n f (t) = p n F (p) p n 1 f () p n 2 d dt f ()... f (n 1) ()

19 Laplaceova transformace vlastnosti Důkaz. Integrováním per partes, b a u v = [uv] b a b { } d L dt f (t) = = d dt f (t)e pt dt [ f (t)e pt ] ( p) = f () + pf (p). a uv : f (t)e pt dt Opakováním tohoto procesu získáme postupně { d 2 } L dt 2 f (t) = p 2 F (p) pf (+) d dt f (+)

20 Laplaceova transformace vlastnosti Theorem (O obrazu integrálu funkce) { t } L f (τ) dτ = 1 p F (p) Důkaz. Integrováním per partes, b a uv = [uv] b a b { t } L f (τ) dτ = = 1 p = 1 p F (p). a u v: ( t ) f (τ) dτ e pt dt [ t ] f (τ) dτe pt 1 p f (t)e pt dt

21 Tabulky Laplaceovy transformace (1/4) f (t) = L 1 {F (p)} F (p) = L {f (t)} f (t) = 1 2πi c+i c i F (p) e pt dp F (p) = f (t) e pt dt δ(t) 1 1(t) 1 p

22 Tabulky Laplaceovy transformace (2/4) f (t) = L 1 {F (p)} F (p) = L {f (t)} e αt 1 p + α sin ωt ω p 2 + ω 2 cos ωt p p 2 + ω 2

23 Tabulky Laplaceovy transformace (3/4) f (t) = L 1 {F (p)} F (p) = L {f (t)} e αt sin ωt ω (p + α) 2 + ω 2 e αt cos ωt p + α (p + α) 2 + ω 2 t n n! p n+1

24 Tabulky Laplaceovy transformace (4/4) f (t) = L 1 {F (p)} F (p) = L {f (t)} t n e αt n! (p + α) n+1 t cos ωt p 2 ω 2 (p 2 + ω 2 ) 2 t sin ωt 2ωp (p 2 + ω 2 ) 2

25 Obsah přednášky 1 Fourierova transformace 2 Matematické nářadí - Laplaceova transformace 3 Dopředná Laplaceova transformace 4 Příklady použití Laplaceovy transformace Integrační RC článek Impulsní odezva LTI systému

26 Laplaceova transformace příklad 1 Hledejme odezvu integračního RC článku na vstupní signál. u 1 (t) R C u C (t) Diferenciální rovnici jsme si již odvodili v první přednášce: RC d dt u C(t) + u C (t) = u 1 (t).

27 Laplaceova transformace příklad 1 Pro α = 1 RC a vstupní u 1(t) = U 1(t) je d dt y(t) + αy(t) = αu 1(t). Protože je to diferenciální rovnice s konstantními koeficienty, můžeme použít Laplaceovu transformaci a její vlastnosti { } d L dt y(t) + L {αy(t)} = L {αu 1(t)}, a obdržíme algebraickou rovnici pro neznámou Y (p) py (p) y() + αy (p) = αu 1 p.

28 Laplaceova transformace příklad 1 Rovnici upravíme tak, že neznámá bude na levé straně a všechny známé konstanty na straně pravé (p + α)y (p) = αu p + y(). a nalezneme řešení v rovině p Y (p) = αu p(p + α) + y() p + α = U p U p + α + y() p + α S pomocí tabulek pak můžeme nalézt pro t > řešení y(t) = U (1 e αt ) + y()e αt

29 Laplaceova transformace příklad u C (t) t

30 Laplaceova transformace příklad 2 Uvažujte LTI systém, který je pro t > popsán naměřenými hodnotami vstupu u(t) = e t + e 3t a výstupu y(t) = te 3t. Jak nalezneme impulsní odezvu?

31 Laplaceova transformace příklad 2 Protože platí a protože je U(p) = 1 p p + 3 = 2 p + 2 (p + 1)(p + 3) 1 Y (p) = (p + 3) 2 Y (p) = H(p) U(p), H(p) = Y (p) U(p) = 1 p (p + 2)(p + 3) = 1 2 [ 2 p ]. p + 2

32 Laplaceova transformace příklad 2 S pomocí tabulek pak můžeme nalézt pro t > řešení h(t) = e 3t 1 2 e 2t. h(t) t

33 Přeji hezký jarní den