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LTI System

.x = Ax + Bu y = Cx + Du

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) = eAtx0 + ∫0t eA(t-τ)B u(τ) dτ y(t) = CeAtx0 + ∫0t CeA(t-τ)B u(τ) dτ + D u(t)

ZIR = zero input response (free)

ZSR = zero state response (forced)

eAt = state-transition matrix

CeAt = output-transition matrix

Impulse Response u(t) = δDir(t)

x(t) = eAtx0 + H(t) y(t) = CeAtx0 + W(t)

H(t) = ∫0t eA(t-τ)B δDir(t) dτ = eAtB

W(t) = ∫0t CeA(t-τ)B δDir(t) dτ = CeAtB + D δ(t)

Change of Coordinates

z = Tx => S → S̅

(det T ≠ 0)

N.Bo: Ẇ(t) = W(t) invariant!!

If A is diagonalisable then we can use T = U-1 and

Zt(t) = eλit z0

General Response u(t)=f(t)

x(t) = Φ(t)x0 + ∫0t H(t-τ)u(τ)dτ

y(t) = Ψ(t)x0 + ∫0t W(t-τ)u(τ)dτ

Φ(t) = eAt

H(t) = CeAt

Ψ(t) = CeAt

W(t) = CeAtB + D δ(t)

LTI System

ẋ = Ax + Buy = Cx + Du

  • 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 + ∫ eA(t-τ) Bu(τ) dτy(t) = CeAt x₀ + ∫ eA(t-τ) B μ(t) dτ + D u(t)

eAt = state-transition matrixCeAt = output-transition matrix

Impulse Response u(t) = δDir(t)

x(t) = eAt x₀ + H(t)y(t) = CeAt x₀ + W(t)

Property: ∫ f(t-σ) δ(σ) dσ = f(t)

H(t) = ∫ eA(t-τ) B δDir(t) dτ = eAt BW(t) = ∫ CeA(t-τ) B δDir(t) dτ + D δDir(t) = CeAt B + D δ(t)

Change of Coordinates

ż = Ãz + B̃μy = Ćz + D̃μ

z = Tx, S → ṠĂż = Ṡ˙

New matrices:Ã = TAṠ-1B̃ = TBĆ = CṠ-1D̃ = D

N.B.: Ṽ(t) = W(t) invariant!!

If A is diagonalisable then we can use T = U-1 and

Zi(t) = eλit z₀

General Response u(t) = f(t)

x(t) = Φ(t) x₀ + ∫ H(t-τ) u(τ) dτy(t) = Ψ(t) x₀ + ∫ W(t-τ) u(τ) dτ

Φ(t) = eAtΨ(t) = CeAtH(t) = CeAtW(t) = CeAt B + D δ(t)

LINEAR ALGEBRA

CHARACTERISTIC POLYNOMIAL

PA(λ) = det [A - λI]

EIGENVALUES :

Are all the solutions of PA(λ) = 0

EIGENVECTORS :

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

so ui belongs to the nullspace of (A - λiI) {ker(A - λiI)}

ALGEBRAIC MULTIPLICITY

mai) :

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

GEOMETRIC MULTIPLICITY

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

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

DIAGONALIZABLE MATRIX

An (mxn) matrix is diagonalizable if and only if mg(λi) = mai) ∀ i

Λ = [ λ1 0 ··· 0 ] [ 0 λ2 · ] [ · · · ·] [ 0 · · λn] U = [u1, ..., un] eigenvectors matrix

if T = U-1

Λ = T A T-1 = U-1 A USPECTRAL FORM:A = ∑mi=1 λi ui uiT

CASE OF COMPLEX EIGENVALUES

if : λi = αi + j ωi and Mi = Ma + j Mbi* = αi - j ωi ; ui* = Ma - j Mb)
  • DIAGONALIZATION → [ λi 0 ] complex elements [ 0 λi* ] ( T-1 = [ui ui*] )
  • REAL BLOCKS → [ αi ωi ] real elements [ -ωi αi ]
  • ( T-1 = [ua, ub] )

λi ∈ ℝ → APERIODIC

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