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LTI System

ẋ(t) = A x(t) + B u(t) y(t) = C x(t) + D u(t)

x = state y = output u = input

A = dynamic matrix (mxm) B = input matrix (mxm) C = output matrix (pxm) D = feedthrough matrix (pxm)

Response u(t) = f(t)

x(t) = eAt x0 + ∫0t eA(t-τ) B u(τ) dτ

ZIR: Zero Input Response (FREE) ZSR: Zero State Response (forced)

y(t) = CeAt x0 + ∫0t CeA(t-τ) B u(τ) dτ + D u(t)

eAt = state-transition matrix CeAt = output-transition matrix

Impulse Response u(t) = δDir(t)

x(t) = eAt x0 + H(t)

y(t) = CeAt x0 + W(t)

H(t) = ∫0t eA(t-τ) B δDir(t) dτ = eAt B

W(t) = ∫0t CeA(t-τ) B δsmn(t) dτ + D δsmn(t) = CeAt B + D δ(t)

Change of Coordinates

z = T x ⇒ S → Ṡ : (detT ≠ 0)

ż = Ã z + B̃ u y = C̃ z + D̃ u

Ŵ(t) = W(t) invariant!!

If A is diagonalisable then we can use T = U-1 and Zt(t) = eΛt z0

à = T A T-1 B̃ = T B C̃ = C T-1 D̃ = D

General Response u(t) = f(t)

x(t) = Φ(t) x0 + ∫0t Φ(t-τ) u(τ) dτ

y(t) = Ψ(t) x0 + ∫0t W(t-τ) u(τ) dτ

Φ(t) = eAt Ψ(t) = CeAt

H(t) = CeAt

W(t) = CeAt B + D δ(t)

Linear Algebra

Characteristic Polynomial

PA(λ) = det[A - λI]

Eigenvalues

λi : Are all the solutions of PA(λ) = 0

Eigenvectors

ui : All the vectors such that (A - λiI)ui = 0

so ui belongs to the nullspace of (A - λiI) i.e ker(A - λI)

Algebraic Multiplicity

mAi) : Is the multiplicity of the solution of λi in PA(λ) = 0

Geometric Multiplicity

mGi) = dim[ker(A - λiI)] = n - rk[A - λiI]

(number of parameters in (A - λiI)ui = 0)

Diagonalizable Matrix

An (m x m) matrix is diagonalizable if and only if mGi) = mAi) ∀ i

Λ = A1 0 ⋯ 0 0 λ2 ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 ⋯ -λm]

U = [u1, ..., um]

eigenvectors matrix

if T = U-1

Λ = TAT-1 = U-1AU

Spectral Form: A = ∑i=1m λi ui uiT

Case of Complex Eigenvalues

If : λi = αi + jωi and ui = ua + jub :

i* = αi - jωi ; ui* = ua; - jub;)

  • Diagonalisation → [λi 00 λi*]
  • complex elements

    (T-1 = [ui ui*])

  • Real Blocks (2x2) → [αi ωii αi]
  • real elements

    (T-1 = [ua; ub;])

λi ∈ ℝ → Aperiodic natural modes

λi ∈ ℂ → Pseudo periodic natural modes

Foglio delle Trasformate

  • Linearità Addizione:

    L [α f(t) + β g(t)] = α L [f(t)] + β L [g(t)]

  • Linearità Prodotto:

    L [f(t) · g(t)] = L [f(t)] · L [g(t)]

  • Teorema della Derivazione:

    L [d/dt f(t)] = s L [f(t)] - f(0)

  • L [δ(t)] = 1
  • L [u(t)] = k / s
  • L [et] = 1 / s-a
  • L [tk / k!] = 1 / sk+1
  • L [tk et] / k!] = 1 / (s-a)k+1
  • L [sin(ωt)] = ω / (s2 + ω2) = ω/2 j / s-jω + -ω/2 j / s+jω
  • L [cos(ωt)] = s / (s2 + ω2) = ω/2 / s-jω + ω/2 / s+jω
  • L [sin(ωt+φ)] = s sin φ + ω cos φ / s2 + ω2
  • et sin(ωt) = (s-a) / (s-a)2 + ω2
  • et cos(ωt) = s-a / (s-a)2 + ω2

Trasformata di funzione con il ritardo:

L [f(t-τ) · g(t-τ)] = L [f(t) · g(t)] · e-sτ

FATTORE BINOMIO (1+jωτ)/(1+jt*ω)

Si fa un'approssimazione intorno alla PULSAVILE DI ROTTURA ω* = 1/|τ| (CUTOFF FREQUENCY)

-1 1 per ωτ → P(s) is STRICTLY PROPER

      sτ + aτ-1sτ-1 + ... + a1s + a0

C(s) = dnsn + dn-1sn-1 + ... + d1s + d0     → C(s) is PROPER at maximum

    sχ + cχsχ-1 + ... + c1s + c0

Dwr = DcDp + NcNp   → poles of Scl are solutions of Dwr(s) = 0 (order max = n+τ)

I want to assign n+τ poles, P1z, P2z,...,Pn+τz → Pcl(s) = (s-P1z)(s-P2z)...(s-Pn+τz)

Pole Assignment: I choose χ = n + τ in order to obtain a solution (at least χ = n+τ, it's possible χ = n-1)

So: C(s) = dn+τsn+τ + ... + d1s + d0sn+τ + cn+τsn+τ-1 + ... + c1s + c0

And (s-P3z)(s-P2z)...(s-Pn+τz) = Dp(s)·(sn+χ + cn+χsn+χ-1 + ... + c1s + c0) + Np(s)·(dnχsn+τ + ... + d1s + d0)

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I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher barlo93 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Control Systems e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Roma La Sapienza o del prof Lanari Leonardo.
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