State and output response: time domain analysis
Example 4.4.1 (Battelotti)
A =
| 1 | 0 | 1 |
| 2 | 2 | 1 |
| -2 | 2 | 0 |
x0 =
| 4 |
| -2 |
| 0 |
t=0 ⇒ calculate the zero input to state response
Calculate eigenvalues:
det(A - Iλ) =
| 1 - λ | 0 | 1 |
| 2 | 2 - λ | 1 |
| -2 | 2 | -λ |
det(Iλ - A) =
| λ | -1 | 0 |
| -2 | λ-2 | -1 |
| 2 | -2 | λ |
= (λ-2)[λ(λ-1)+2] - 4 + 2(λ-1) = (λ-1)[λ2+λ+2] - 4 - 2(λ-2) = λ3 + λ2 + λ + λ - 2(λ3 - λ(λ2 - 1)
λ1: 0, λ2: 1, λ3: 1
Calculate eigenvectors:
(A - λI)z1:
| 1 | 0 | 1 |
| -2 | 2 | 1 |
| 2 | 2 | 0 |
= 0 ⇒ { z2.1 + z3.1 = 0, z2.3 = z2.1, z2.4 = z1.1, 2z4.1 + 2z1.2 = 0 }
{ z2.3: z3.3 = 1/3 }
⇒ equivalently I can write z2:
| 1 | -1 | 1 |
(A - λ2I) z2: 0 ⇒
| 0 | 0 | 1 |
| -2 | -2 | -1 |
| 2 | -1 | 1 |
= 0 ⇒ { z2.3 = 0 } ⇒ {-2z2.1 + z3.2 = 0 } 2z1.2 = z2.1 z3.3 = 5 ⇒ 2z2.4 + z2.2 z3.3 = 0 }
{ z1.3: 1/√3 }
(A - λ2.1) z3: 0 ⇒
| 2 | 0 | 1 |
| 3 | 0 | 1 |
| 2 | 1 | 1 |
{ z3.4 = 0 }
{ z3.4 = -1/2 }
{ z3.3 = 0 }
{ z3.3 = - }
⇒ equivalently z2:
| 1 | 0 | 2 |
∃! C : Z = X0∀t ⇒ Z(t) = C eΛt where Z(t) = (z1(t))(z2(t))(z3(t)) ⇒ C = Z0 X0 where
Z0 =
| 1 | 1 | 1 | | 0 |
| -1 | 2 | 1 | | 0 |
| -1 | -1 | 2 | | 0 |
⇒ Z0 =
| 1 | -1 | -2 | | |
| -1 | 2 | -2 | | |
| 1 |
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