Inverzní Laplaceova transformace

Podobné dokumenty
Laplaceova transformace

Inverzní z-transformace. prof. Miroslav Vlček. 25. dubna 2013

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "

Kapitola 7: Integrál.

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

1 Modelování systémů 2. řádu

[1] Definice 1: Polynom je komplexní funkce p : C C, pro kterou. pro všechna x C. Čísla a 0, a 1,..., a n nazýváme koeficienty polynomu.

Komplexní analýza. Laplaceova transformace. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Teorie měření a regulace

Kapitola 7: Integrál. 1/17

1 Polynomiální interpolace

Kapitola 7: Neurčitý integrál. 1/14

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ INTEGRACE RACIONÁLNÍCH FUNKCÍ

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

Algebraické výrazy - řešené úlohy

Matematika 4 FSV UK, LS Miroslav Zelený

Diskretizace. 29. dubna 2015

Frekvenční charakteristiky

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

12.1 Úvod. Poznámka : Příklad 12.1: Funkce f(t) = e t2 nemá Laplaceův obraz. Příklad 12.2: a) L{1} = 1 p, p > 0 ; b) L{ eat } = 1, [ZMA15-P73]

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

1 Nulové body holomorfní funkce

Test M1-ZS12-2 M1-ZS12-2/1. Příklad 1 Najděte tečnu grafu funkce f x 2 x 6 3 x 2, která je kolmá na přímku p :2x y 3 0.

PŘÍKLAD PŘECHODNÝ DĚJ DRUHÉHO ŘÁDU ŘEŠENÍ V ČASOVÉ OBLASTI A S VYUŽITÍM OPERÁTOROVÉ ANALÝZY

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Polynomy. Mgr. Veronika Švandová a Mgr. Zdeněk Kříž, Ph. D. 1.1 Teorie Zavedení polynomů Operace s polynomy...

Diferenciální rovnice 3

F (x) = f(x). Je-li funkce f spojitá na intervalu I, pak existuje k funkci f primitivní funkce na intervalu I.

Matematika IV 9. týden Vytvořující funkce

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

arcsin x 2 dx. x dx 4 x 2 ln 2 x + 24 x ln 2 x + 9x dx.

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

VI. Derivace složené funkce.

22 Základní vlastnosti distribucí

4C. Polynomy a racionální lomené funkce. Patří mezi tzv. algebraické funkce, ke kterým patří také funkce s odmocninami. Polynomy

7.1. Číslicové filtry IIR

Matematická analýza III.

Tlumené a vynucené kmity

Limita ve vlastním bodě

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Komplexní analýza. Reziduová věta a její aplikace. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK CZ.1.07/1.5.00/ Anotace. Integrální počet VY_32_INOVACE_M0307. Matematika

MAT 1 Mnohočleny a racionální lomená funkce

Diferenciální rovnice

VZOROVÝ TEST PRO 1. ROČNÍK (1. A, 3. C)

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Lineární algebra : Polynomy

Metody výpočtu limit funkcí a posloupností

1 Laplaceova transformace

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

METODICKÝ NÁVOD MODULU

Lineární rovnice prvního řádu. Máme řešit nehomogenní lineární diferenciální rovnici prvního řádu. Funkce h(t) = 2

Integrální počet funkcí jedné proměnné

ROZKLAD MNOHOČLENU NA SOUČIN

kuncova/, 2x + 3 (x 2)(x + 5) = A x 2 + B Přenásobením této rovnice (x 2)(x + 5) dostaneme rovnost

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.

Kvadratická rovnice. - koeficienty a, b, c jsou libovolná reálná čísla, a se nesmí rovnat 0

Wolfram Alpha. v podobě html stránky, samotný výsledek je často doplněn o další informace (např. graf, jiné možné zobrazení výsledku a

c ÚM FSI VUT v Brně 20. srpna 2007

Goniometrické rovnice

Elementární funkce. Polynomy

Algebraické výrazy Vypracovala: Mgr. Zuzana Kopečková

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

Úvodní informace. 17. února 2018

Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky

1. března Organizace Základní informace Literatura Úvod Motivace... 3

Věta o dělení polynomů se zbytkem

Kapitola 1. Hlavním cílem této kapitoly je naučit se rychle a bezchybně upravovat složité algebraické výrazy. To ovšem

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% POJMY, JEJICHŽ ZNALOST SE OČEKÁVÁ %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

Limita a spojitost LDF MENDELU

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

Neurčitý integrál. Robert Mařík. 4. března 2012

7.1 Úvod. Definice: [MA1-18:P7.1a]

Integrální počet - II. část (další integrační postupy pro některé typy funkcí)

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

CITLIVOSTNÍ ANALÝZA DYNAMICKÝCH SYSTÉMŮ I

Matematika 1A. PetrSalačaJiříHozman Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Technická univerzita v Liberci

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Zpracoval: 7. Matematická indukce a rekurse. Řešení rekurentních (diferenčních) rovnic s konstantními koeficienty.

Integrální transformace

Základy matematické analýzy

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

Transkript:

Inverzní Laplaceova transformace Modelování systémů a procesů (MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček Ústav aplikované matematiky ČVUT v Praze, Fakulta dopravní 6. přednáška MSP čtvrtek 30. března 205 verze: 205-03-27 6:59

Obsah přednášky Zpětná Laplaceova transformace Definice Rozklad na parciální zlomky Zakrývací pravidlo pro jednoduché póly Násobné póly Zakrývací pravidlo pro násobné póly 2

Zpětná Laplaceova transformace Definice Již jsme si řekli, že zpětná Laplaceova transformace má tvar integrálu podél křivky v komplexní rovině p f (t) = 2πi c+i c i F (p) e pt dp L {F (p)}. Pro racionální lomené funkce v proměnné p budeme postupovat jinak.

Jak na to? f (t) F (p) e αt p + α e αt cos ωt = e (α ıω)t + e (α+ıω)t 2 e αt sin ωt = e (α ıω)t e (α+ıω)t 2ı = 2ı = 2 ( p + α (p + α) 2 + ω 2 ( p+α ıω + p+α+ıω ω (p + α) 2 + ω 2 ) p+α ıω p + α + ıω )

Racionální lomená funkce Rozklad na parciální zlomky Obraz výstupu systému ve tvaru racionální lomené funkce, R(p) = Q(p) N(p) = b mp m + b m p m + + b p + b 0 a n p n + a n p n + + a p + a 0 Zlomek lze vyjádřit jako součet parciálních zlomků, což jsou jednoduché zlomky s konstantou v čitateli a jedním kořenem N(p) ve jmenovateli.

Racionální lomená funkce Rozklad na parciální zlomky O racionální lomené funkci Q(p) N(p) říkáme, že má nulové body p 0ν, jestliže Q(p 0ν ) = 0 a že má póly p µ, jestliže N(p µ ) = 0. Pokud má funkce Q(p) N(p) N(p) = jednoduché póly, potom n (p p µ ) = (p p )(p p 2 )... (p p n ). µ=

Racionální lomená funkce I Příklad Příklad (Racionální lomená funkce) Jestliže N(p) = p 3 + 3p 2 + 6p + 4 = (p + )(p 2 + 2p + 4) určete rozklad na kořenové činitele. Je samozřejmě N(p) = (p + )(p 2 + 2p + 4) = (p + )(p + + ı 3)(p + ı 3) takže platí N(p) = 3 (p p µ ) = (p p )(p p 2 )(p p 3 ). µ=

Racionální lomená funkce II Příklad Příklad (Racionální lomená funkce) Póly v tomto případě jsou p = p 2 = ı 3 p 3 = + ı 3 a platí N(p ) N( ) = 0 atd. Z tohoto příkladu plyne první krok, který musíme při zpětné Laplaceově transformaci provést: nalezení kořenů polynomu ve jmenovateli racionální funkce N(p)

Zpětná Laplaceova transformace Rozklad racionální lomené funkce na parciální zlomky má tvar Q(p) N(p) = n µ= k µ p p µ kde k µ se nazývají residua. k k 2 k n = + + + p p p p 2 p p n k + k 2 + + k n, p p p p 2 p p n

Zpětná Laplaceova transformace Pro residua platí k µ = lim (p p µ ) Q(p) p p µ N(p) = Q(p µ ) lim (p p µ ) p p µ N(p) = Q(p µ ) lim p p µ N(p) p p µ = Q(p µ ) N (p µ )

Zpětná Laplaceova transformace Pro jednoduchost budeme dále psát p µ p µ. Protože platí { } L = e αt, p α dostaneme { } Q(p) n L = L k µ N(p) p p µ = µ= n k µ e pµt. µ=

Zpětná Laplaceova transformace Tím jsme dokázali tzv. Heavisideův vzorec pro zpětnou transformaci racionální lomené funkce s jednoduchými póly { } Q(p) L = Q(p µ ) N(p) N (p µ µ ) epµt

Zpětná Laplaceova transformace I Příklad Příklad (Jednoduché póly) Laplaceův obraz impulsní odezvy systému je H(p) = Určete h(t). Řešení: Nejprve rozložíme H(p) = 6 p 3 + 3p 2 + 6p + 4 = 6 (p + )(p 2 + 2p + 4). 6 (p + )(p 2 + 2p + 4) = k p + + k 2 p + + ı 3 + k 3 p + ı 3.

Zpětná Laplaceova transformace II Příklad Příklad (Jednoduché póly) Platí 6 k = lim p p 2 + 2p + 4 = 6 2 + 4 = 6 3 = 2, 6 k 2 = lim p ı 3 (p + )(p + ı 3) 6 = ( ı 3 + )( ı 3 + ı 3) 6 = ( ı 3)( ı2 3) =,

Zpětná Laplaceova transformace III Příklad Příklad (Jednoduché póly) 6 k 3 = lim p ı 3 (p + )(p + + ı 3) 6 = ( + ı 3 + )( + ı 3 + + ı 3) 6 = (ı 3)(ı2 3) =.

Zpětná Laplaceova transformace Co s násobnými póly? Jestliže N(p) = (p p ) β (p p 2 ) β 2... (p p n ) βn má násobné kořeny s násobností β i, musíme předchozí postup modifikovat, protože platí L { e αt} = p + α L { te αt}! = (p + α) 2 L { t 2 e αt} = L { t n e αt} =. 2! (p + α) 3 n! (p + α) n+

Zpětná Laplaceova transformace Co s násobnými póly? Je zřejmé, že v inverzní transformaci hrají výsadní roli póly racionální lomené funkce. Proto se v dalším můžeme zabývat pouze takovými racionálně lomenými funkcemi, jejichž čitatel je jednotkový H(p) = N(p). Jestliže tedy N(p) = (p p ) β (p p 2 ) β 2... (p p n ) βn má násobné kořeny, potom inverzní Laplaceova transformace má tvar

Zpětná Laplaceova transformace Co s násobnými póly? { } [ L = e p t k () + k (2) t N(p)! + + k(β ) t β ] (β )! [ + e p 2t k () 2 + k (2) t 2! + + k(β 2) t β ] 2 2 (β 2 )! [. + e pnt k n () + k n (2) t! + + t βn ] k(βn) n (β n )!

Zpětná Laplaceova transformace I Co s násobnými póly? Koeficienty k (βm) µ můžeme získat následujícím postupem. Příklad (Zpětná Laplaceova transformace násobných pólů) Nechť například N(p) = (p 2) 2 (p + 5)(p + 7). Rozklad na parciální zlomky hledáme ve tvaru (p 2) 2 (p + 5)(p + 7) = k(2) (p 2) 2 + k() p 2 + k 2 p + 5 + k 3 p + 7

Zpětná Laplaceova transformace II Co s násobnými póly? Příklad (Zpětná Laplaceova transformace násobných pólů) Vynásobíme rovnici členem (p 2) 2 (p 2) 2 (p 2) 2 (p + 5)(p + 7) = k (2) + k () (p 2) + k 2(p 2) 2 + k 3(p 2) 2 p + 5 p + 7 a nalezneme limitu pro p 2, (2 + 5)(2 + 7) = k(2)

Zpětná Laplaceova transformace III Co s násobnými póly? Příklad (Zpětná Laplaceova transformace násobných pólů) Odečteme-li výraz dostáváme od obou stran původní rovnice, 63(p 2) 2 (p 2) 2 (p + 5)(p + 7) 63(p 2) 2 = k() p 2 + k 2 p + 5 + k 3 p + 7 respektive rovnici [ 63 (p + 4) (p 2)(p + 5)(p + 7) ] = k() p 2 + k 2 p + 5 + k 3 p + 7,

Zpětná Laplaceova transformace IV Co s násobnými póly? Příklad (Zpětná Laplaceova transformace násobných pólů) pro kterou se výpočet k µ redukuje na případ s jednoduchými póly a platí k () = 24 7 2 9 2, k 2 = 2 7 2, k 3 = 2 9 2.

Heavisideův vzorec pro násobné póly I Příklad (Heavisideův vzorec pro násobné póly) Heavisideovou metodou rozložíme na parciální zlomky racionální lomenou funkci R(p) = (p + ) 2 (p + 2).

Heavisideův vzorec pro násobné póly II Příklad (Heavisideův vzorec pro násobné póly) Postupujeme takto: Původní racionální lomená R(p) = (p + ) 2 (p + 2) funkce s násobnými póly. = (p + ) Násobné kořeny vytkneme. (p + )(p + 2) ( = (p + ) p + + ) Na pravý zlomek použijeme p + 2 zakrývací pravidlo. = (p + ) 2 Roznásobíme závorku. (p + )(p + 2) = (p + ) 2 p + + A na pravý zlomek použijeme zakrývací pravidlo p + 2 ještě jednou.

Obsah přednášky Zpětná Laplaceova transformace 2 Diferenciální rovnice

Zpětná Laplaceova transformace I Příklad Příklad (Spojitý systém druhého řádu) Uvažujme lineární spojitý systém, popsaný diferenciální rovnicí y (t) + 3y (t) + 2y(t) = 5u(t), kde u(t) = (t) je jednotkový skok a počáteční stav systému je dán stavem výstupu a rychlosti v čase t = 0: y(0) = a y (0) = 2. Máme nalézt řešení y(t).

Zpětná Laplaceova transformace II Příklad Příklad (Spojitý systém druhého řádu) Po Laplaceově transformaci diferenciální rovnice dostaneme algebraickou rovnici p 2 Y (p) py(0) y (0) + 3pY (p) 3y(0) + 2Y (p) = 5 p. S použitím počátečních podmínek nalezneme řešení algebraické rovnice ve tvaru Y (p) = 5 p p2 p(p + )(p + 2).

Zpětná Laplaceova transformace III Příklad Příklad (Spojitý systém druhého řádu) Rozložíme racionální lomenou funkci na parciální zlomky Hledané řešení je pro t 0 Y (p) = 5 2p 5 p + + 3 2 (p + 2). y(t) = 5 2 5e t + 3 2 e 2t. První člen odpovídá ustálenému stavu, další dva členy popisují přechodový děj.