01.04.2015 Views

Deel II Continue systemen

Deel II Continue systemen

Deel II Continue systemen

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

<strong>Deel</strong> <strong>II</strong><br />

<strong>Continue</strong> <strong>systemen</strong><br />

50


Hoofdstuk 3<br />

Lineaire <strong>Continue</strong> tijdsinvariante<br />

<strong>systemen</strong><br />

3.1 Systemen Beschreven door Lineaire Differentiaalvergelijkingen<br />

3.1.1 Lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficienten<br />

Lineaire continue <strong>systemen</strong> kunnen worden gekarakteriseerd door gewone lineaire differentiaal<br />

vergelijkingen. Beschouw volgende m-de orde lineaire differentiaal vergelijking<br />

m∑<br />

k=0<br />

a k<br />

d k y (t)<br />

dt k =<br />

l∑<br />

k=0<br />

b k<br />

d k x (t)<br />

dt k (3.1)<br />

waarbij a k , b k ∈ R, t is de onafhankelijke variabele, y (t) is een uitgangsfunctie en x (t)<br />

is een ingangsfunctie. Enkele fysische toepassingen die leiden tot lineaire differentiaal<br />

vergelijkingen worden nu gegeven.<br />

Voorbeeld 3.1 Gegeven een massa m die verticaal vanuit het punt O wordt omhoog<br />

gebracht met beginsnelheid v 0 . Laat y de afstand zijn van punt O tot tijdstip t (zie<br />

Figuur 1.1).<br />

Figuur 3.1:<br />

51


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 52<br />

Er werken twee krachten in op m, de gravitatiekracht mg en de luchtwrijvingsweerstand<br />

K dy(t) en K = mk. Het systeem kan beschreven worden door volgende lineaire<br />

dt<br />

differentiaal vergelijking<br />

d 2 y (t)<br />

dt 2<br />

dy (t)<br />

+ k<br />

dt<br />

= −g. (3.2)<br />

Voorbeeld 3.2 Beschouw een horizontale staaf (Figuur 1.2) met lengte l meters, ingeklemd<br />

langs beide kanten. Neem de oorsprong in O en P bevindt zich in (x, y) . Een<br />

uniforme belasting w wordt toegepast. De uitwendige krachten die op het segment OP<br />

werken zijn: een koppel onbekende momenten K, de opwaartse krachten 1 wl (x meters<br />

2<br />

van P ) en een kracht wx neerwaarts gericht in het middelpunt van OP ( 1 x meters van<br />

2<br />

P ). Het systeem kan beschreven worden door volgende lineaire differentiaal vergelijking<br />

Figuur 3.2:<br />

EI d2 y (t)<br />

dx 2 = K + 1 2 wlx − 1 2 wx2 . (3.3)<br />

Algemene oplossing<br />

De algemene oplossing van (1.1) is gegeven door<br />

y (t) = y h (t) + y p (t) (3.4)<br />

waarbij y p (t) de particuliere (steady-state) oplossing is. De homogene oplossing (transiënt,<br />

bron-vrij) y h (t) voldoet aan volgende homogene differentiaal vergelijking<br />

m∑<br />

k=0<br />

a k<br />

d k y (t)<br />

dt k = 0. (3.5)<br />

De exacte vorm van y h (t) wordt bepaald door de m initiële voorwaarden. In het algemeen,<br />

een set van initiële voorwaarden zijn de waarden van y (t) , dy(t) , ..., dm−1 y(t)<br />

bij een bepaald<br />

dt dt m−1<br />

tijdstip.<br />

Het systeem gedefinieerd door (1.1) is lineair als en slechts als alle initiële voorwaarden<br />

gelijk aan nul zijn. Als de initiële voorwaarden verschillend zijn van nul kan de uitgang<br />

uitgedrukt worden door<br />

y (t) = y zi (t) + y zs (t) (3.6)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 53<br />

Figuur 3.3: zero toestand en zero ingang-antwoorden<br />

waarbij y zi (t) het antwoord is tengevolge van de initiële voorwaarden (zero-ingang antwoord)<br />

en y zs (t) het antwoord is van een lineair systeem waarbij de initiële voorwaarden nul<br />

zijn (zero-toestand antwoord). Dit wordt geïllustreerd in Figuur 1.3.<br />

Merk op dat y zi (t) ≠ y h (t) en y zs (t) ≠ y p (t) , en in het algemeen y zi (t) bevat y h (t)<br />

en y zs (t) bevat y h (t) en y p (t) .<br />

3.1.2 Systeem modelering<br />

Elektrische kringen<br />

Condensator<br />

1.4(a).<br />

De schematische voorstelling van de condensator wordt getoond in Figuur<br />

Figuur 3.4: (a) Condensator; (b) Lading-spanning karakteristiek van een lineaire condensator<br />

De lading-spanning karakteristiek is weergegeven in Figuur 1.4(b). Bij definitie, de<br />

capaciteit C is<br />

dq (t)<br />

C = (3.7)<br />

dv (t)<br />

en de stroom wordt gegeven door<br />

dq (t)<br />

i (t) =<br />

dt<br />

Door gebruik te maken van (1.7) en (1.8) verkrijgen we volgende relaties<br />

(3.8)<br />

v (t) = 1 C<br />

∫ t<br />

−∞<br />

i (τ) dτ, (3.9)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 54<br />

i (t) = C<br />

dv (t)<br />

. (3.10)<br />

dt<br />

Spoel Figuur 1.5(a) geeft de schematische voorstelling van de spoel en Figuur 1.5(b)<br />

beschrijft de flux-stroom relatie.<br />

Figuur 3.5: (a) Spoel; (b) Lineaire flux-stroom karakteristiek; (c) Illustratie van de flux<br />

Bij definitie, de inductantie L is<br />

L =<br />

dψ (t)<br />

di (t) . (3.11)<br />

Combineer (1.11) met de wet van Faraday<br />

en we krijgen volgende relaties<br />

v (t) =<br />

dψ (t)<br />

dt<br />

(3.12)<br />

i (t) = 1 L<br />

∫ t<br />

−∞<br />

v (t) = L<br />

v (τ) dτ, (3.13)<br />

di (t)<br />

. (3.14)<br />

dt<br />

Weerstand Anders dan de condensator en spoel, welke energie kunnen opslaan, de<br />

weerstand weergegeven in Figuur 1.6(a) dissipeert energie.<br />

Figuur 3.6: (a) Weerstand; (b) Lineaire spanning-stroom karakteristiek


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 55<br />

De v-i karakteristiek voor de lineaire weerstand, afgebeeld in Figuur 1.6(b), is een<br />

rechte met proportionele factor<br />

R = v (t)<br />

i (t) . (3.15)<br />

Mechanische (Translatie) <strong>systemen</strong><br />

Ideaal massa element De dynamische eigenshappen van een ideaal massa element<br />

worden beschreven door Newton’s tweede wet van beweging<br />

dv (t)<br />

f (t) = M<br />

dt<br />

welke de kracht f (t) relateert aan de versnelling dv(t)<br />

dt<br />

wordt gegeven door<br />

v (t) = 1 M<br />

∫ t<br />

−∞<br />

= M d2 x (t)<br />

dt 2 (3.16)<br />

= d2 x(t)<br />

dt 2 . De integraalvorm van (1.16)<br />

f (τ) dτ. (3.17)<br />

Een vergelijk van (1.17) met (1.10) toont de analogie aan tussen het ideaal massa element<br />

in mechanische <strong>systemen</strong> en de capaciteit in een elektrisch systeem. Een schematische<br />

voorstelling wordt gegeven in Figuur 1.7.<br />

Figuur 3.7: Schematische voorstelling van het massa-element. (a) Fysisch systeem; (b)<br />

Circuitvoorstelling<br />

Veer De veer is een component dat energie opslaat door de elastische deformatie die<br />

optreedt t.g.v. de kracht toegepast op de veer. In zijn lineair gebied voldoet de veer aan<br />

Hooke’s wet<br />

f (t) = kx (t) (3.18)<br />

waarbij k de veerconstante en x (t) de verplaatsing in functie van de tijd zijn. Differentieren<br />

van (1.18) naar de tijd geeft<br />

v (t) = 1 k<br />

df (t)<br />

. (3.19)<br />

dt<br />

Gegeven de schematische voorstelling, Figuur 1.8, en gebruikmakend van (1.18) en (1.19)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 56<br />

Figuur 3.8: Schematische voorstelling van de veer<br />

geeft<br />

∫ t<br />

f (t) = k (x 1 (t) − x 2 (t)) = k<br />

−∞<br />

(v 1 (τ) − v 2 (τ)) dτ<br />

∫ t<br />

= k v (τ) dτ. (3.20)<br />

−∞<br />

Als x 1 (t) > x 2 (t), dan f (t) > 0. Als x 1 (t) < x 2 (t), dan f (t) < 0. Merk op, de analogie<br />

tussen veer en spoel.<br />

Demper Een mechanische demper en zijn schematische voorstelling worden weergegeven<br />

in Figuur 1.9.<br />

Figuur 3.9: Voorstelling demper. (a) Fysisch systeem; (b) Circuitvoorstelling<br />

De lineaire afhankelijk tussen kracht en snelheid wordt gegeven door<br />

f (t) = Dv (t) (3.21)<br />

waarbij D de dempingsconstante [ ]<br />

Ns<br />

m is. Merk op de analogie tussen demper en weerstand.<br />

Mechanische (Roterende) <strong>systemen</strong><br />

In analogie met de drie soorten krachten (translatie beweging) zijn er drie soorten krachten<br />

(roterende beweging), nl., de inertie kracht<br />

f (t) = I d2 θ (t)<br />

dt 2 (3.22)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 57<br />

het dempingsmoment<br />

en het veermoment<br />

f (t) = k D<br />

dθ (t)<br />

dt<br />

(3.23)<br />

f (t) = k S θ (t) . (3.24)<br />

In (1.22), (1.23) en (1.24), θ (t) is de hoekpositie op tijdstip t, I is het traagheidsmoment<br />

en k D , k S zijn roterende demping en stiffness constanten, respectievelijk.<br />

3.1.3 Eerste orde <strong>systemen</strong><br />

In deze sectie bestuderen we de karakteristieken en het gedrag van eerste orde <strong>systemen</strong><br />

(aan elkaar geschakelde componenten) via hun mathematische formulering. Deze formuleringen<br />

worden verkregen door gebruik te maken van:<br />

1. Wetten van Kirchoff voor elektrische <strong>systemen</strong>.<br />

2. D’Alembert’s principe voor mechanische <strong>systemen</strong>.<br />

Beschouw het eenvoudig elektrisch systeem in Figuur 1.10.<br />

Figuur 3.10: Eenvoudig RL-circuit en zero-ingangsantwoord<br />

Door toepassing van de wetten van Kirchoff, verkrijgen we<br />

di (t)<br />

L + Ri (t) = v (t) (3.25)<br />

dt<br />

of<br />

L dv 0 (t)<br />

+ v 0 (t) = v (t) (3.26)<br />

R dt<br />

waarbij v 0 (t) = Ri (t) .<br />

Een aantal verschillende technieken bestaan voor het oplossen van differentiaal vergelijkingen.<br />

Initieel ,twee methoden worden besproken: (i) de methode ”variation of parameters”<br />

en (ii) de standaard methoden voor differentiaal vergelijkingen. Andere technieken,<br />

zoals convolutie en transformatie methoden, worden later besproken.


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 58<br />

Variation of parameters<br />

De procedure voor het oplossen van de differentiaal vergelijking bestaat uit twee stappen.<br />

Eerst schreven we de vergelijking in zijn homogene vorm<br />

L dv 0 (t)<br />

+ v 0 (t) = 0. (3.27)<br />

R dt<br />

De oplossing van deze homogene vergelijking wordt het zero-ingang antwoord genoemd.<br />

Voor het oplossen van (1.27), proberen we een oplossing van de vorm<br />

v 0 (t) = A exp (st) (3.28)<br />

waarbij A en s constanten zijn. Substitueren van (1.28) in (1.27) geeft<br />

L<br />

As exp (st) + A exp (st) = 0 (3.29)<br />

R<br />

of ( L<br />

R s + 1 )<br />

A exp (st) = 0<br />

of<br />

(<br />

s + R )<br />

A exp (st) = 0. (3.30)<br />

L<br />

Als we A = 0 stellen verkrijgen we het triviale geval. Daarom, stellen we ( )<br />

s + R L = 0<br />

en daaruit volgt dat s = − R . Dit gecombineerd met (1.28) geeft ons het zero-ingang<br />

L<br />

antwoord, nl.<br />

(<br />

v 0 (t) = A exp −<br />

t )<br />

. (3.31)<br />

L/R<br />

Als we kiezen voor v 0 (t)| t=0<br />

= v 0 (0) , dan, voor deze initiële toestand, v 0 (t) = A exp<br />

( )<br />

− 0<br />

L/R<br />

en A = v 0 (0) . De oplossing is grafisch weergegeven in Figuur 1.10(b).<br />

In de volgende stap wordt (1.26) opgelost met v (t) . Dus we zoeken de oplossing van<br />

de niet homogene differentiaal vergelijking<br />

dv 0 (t)<br />

dt<br />

+ R L v 0 (t) = R v (t) . (3.32)<br />

L<br />

(<br />

Vervolgens vermenigvuldigen we beide leden van (1.32) met exp<br />

)<br />

, een vorm gesuggereerd<br />

door (1.31)<br />

( dv0 (t)<br />

+ R ) ( t<br />

dt L v 0 (t) exp<br />

L/R<br />

(<br />

We kunnen de linkse term schrijven als d exp<br />

dt<br />

t<br />

L/R<br />

)<br />

= R ( t<br />

L v (t) exp L/R<br />

(<br />

t<br />

L/R<br />

) )<br />

v 0 (t) en (1.33) wordt<br />

)<br />

. (3.33)<br />

( ( ) )<br />

d t<br />

exp v 0 (t) = R ( ) t<br />

dt L/R<br />

L v (t) exp . (3.34)<br />

L/R<br />

Integreren van beide leden van 0 tot t geeft<br />

( )<br />

t t<br />

exp v 0 (t)<br />

L/R ∣ = R<br />

0<br />

L<br />

∫ t<br />

0<br />

( ) τ<br />

v (τ) exp dτ (3.35)<br />

L/R


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 59<br />

of<br />

( ) t<br />

exp v 0 (t) − v 0 (0) = R L/R<br />

L<br />

Dit resultaat kan geschreven worden als<br />

(<br />

v 0 (t) = v 0 (0) exp −<br />

t )<br />

+ R (<br />

L exp −<br />

} {{<br />

L/R<br />

}<br />

v ozi (t)<br />

∫ t<br />

0<br />

( ) τ<br />

v (τ) exp dτ. (3.36)<br />

L/R<br />

t ) ∫ t<br />

( τ<br />

v (τ) exp<br />

L/R 0<br />

} {{ }<br />

v osi (t)<br />

)<br />

dτ. (3.37)<br />

L/R<br />

Stel dat bij t = 0, de initiële spanning v o (0) = 2 [V ] en de verhouding L = 1. Onder<br />

R<br />

deze condities, de uitgangsspanning voor een eenheidstap ingang v (t) = u (t) is<br />

v 0 (t) = 2 exp (−t) + exp (−t)<br />

Standaard methode<br />

= 2 exp (−t)<br />

} {{ }<br />

Zero-ingang antwoord<br />

∫ t<br />

0<br />

exp (τ) dτ<br />

+ (1 − exp (−t))<br />

} {{ }<br />

zero-toes tan d antwoord<br />

= exp (−t)<br />

} {{ }<br />

transient<br />

+ 1. }{{}<br />

steady state<br />

(3.38)<br />

De oplossing van (1.26) met de standaard methode geeft onmiddellijk de transient component<br />

en de steady state component. De eerste stap in deze procedure is de homogene<br />

oplossing vinden. Dat resultaat is reeds bepaald in (1.31). De volgende stap is<br />

het oplossen van de niet homogene vergelijking (1.32) voor de eenheidstap ingang. De<br />

vergelijking wordt<br />

dv 0 (t)<br />

+ R dt L v 0 (t) = R , t > 0. (3.39)<br />

L<br />

We veronderstellen een oplossing van de vorm v 0 (t) = B, waarbij B een onbekende<br />

constante is. Een constante wordt verondersteld omdat de ingang van het systeem een<br />

constante is. We substitueren de veronderstelde oplossing in (1.39) en we vinden B = 1.<br />

De complete oplossing is<br />

( )<br />

v 0 (t) = A exp −<br />

t<br />

L/R<br />

} {{ }<br />

homogene oplossing<br />

Voor de initiële conditie (t = 0), v 0 (0) = 2 en L R<br />

v 0 (t) =<br />

exp (−t)<br />

} {{ }<br />

transient component<br />

3.1.4 Hogere orde <strong>systemen</strong><br />

+ }{{} 1 . (3.40)<br />

particuliere oplossing<br />

= 1, (1.40) wordt<br />

+ }{{} 1 . (3.41)<br />

steady state component<br />

De oplossing van differentiaal vergelijkingen van hogere orde volgen dezelfe algemene<br />

strategie als voor de eerste orde differentiaal vergelijkingen. De algeme oplossing bestaat<br />

uit twee delen, namelijk, de homogene en de particuliere oplossing.<br />

Homogene lineaire differentiaal vergelijkingen met constante coefficienten hebben een<br />

oplossing van de vorm exp (λt), waarbij λ een wortel is van de karakteristieke vergelijking<br />

geassocieerd met de differentiaal vergelijking. Beschouw de tweede orde differentiaal<br />

vergelijking met reele coefficienten<br />

a 2<br />

d 2 y (t)<br />

dt 2<br />

+ a 1<br />

dy (t)<br />

dt<br />

+ a 0 y (t) = 0, a 2 ≠ 0. (3.42)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 60<br />

Veronderstel dat λ 1 en λ 2 de wortels zijn van de karakteristieke vergelijking<br />

a 2 Λ 2 + a 1 Λ + a 0 = 0 (3.43)<br />

waarbij de operator Λ = d . De algemene oplossing voor (1.42) is een van de volgende drie<br />

dt<br />

gevallen<br />

1. Wortels zijn reeël en verschillend (λ 1 , λ 2 ∈ R en λ 1 ≠ λ 2 ) .<br />

waarbij C 1 en C 2 willekeurige constanten zijn.<br />

y h (t) = C 1 exp (λt) + C 2 exp (λt) (3.44)<br />

2. Wortels zijn reeël en gelijk (λ 1 , λ 2 ∈ R en λ 1 = λ 2 = λ) .<br />

y h (t) = (C 1 + C 2 t) exp (λ 2 t) . (3.45)<br />

3. Complex toegevoegde wortels (λ 1 , λ 2 ∈ C en λ 1 , λ 2 = α ± jβ) .<br />

y h (t) = C 1 exp (αt) cos (βt) + C 2 exp (αt) sin (βt) . (3.46)<br />

Dit formaat van oplossingen kan worden toegepast voor elke orde differentiaal vergelijkingen.<br />

Voorbeeld 3.3 Beschouw het systeem voorgesteld in Figuur 1.11.<br />

Figuur 3.11: (a) Massa-veer systeem met demping; (b) Netwerkvoorstelling van het systeem<br />

De beweging van het massa element, welke bevestigd is aan een veer en een mechanische<br />

demper, wordt door de volgende vergelijking beschreven<br />

of<br />

−f (t) + f M (t) + f K (t) + f D (t) = 0 (3.47)<br />

∫<br />

dv (t)<br />

M + K<br />

dt<br />

v (t) dt + Dv (t) = f (t) . (3.48)<br />

De snelheid v (t) is gerelateerd aan de verplaatsing (afgelegde weg) y door dy = v (t) en<br />

dt<br />

(1.48) wordt geschreven als<br />

d 2 y (t)<br />

dt 2<br />

+ D M<br />

dy (t)<br />

dt<br />

+ K M y (t) = 1 f (t) (3.49)<br />

M


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 61<br />

waarbij M, D, K ∈ R + . Stel D = 2d en K = M M k2 en (1.49) in zijn homogene vorm wordt<br />

dan<br />

d 2 y (t) dy (t)<br />

+ 2d + k 2 y (t) = 0. (3.50)<br />

dt 2 dt<br />

De oplossing van de karakteristieke vergelijking Λ 2 + 2dΛ + b 2 = 0 heeft twee wortels<br />

λ 1 = −d + √ d 2 − k 2 , λ 2 = −d − √ d 2 − k 2 . (3.51)<br />

We onderscheiden de volgende drie gevallen in functie van de waarden d en k.<br />

1. k 2 > d 2 (or k > d) .<br />

De algemene oplossing van de homogene vergelijking, (1.50), wordt<br />

( (√ ) (√ ))<br />

y h (t) = exp (dt) C 1 cos d2 − k 2 t + C 2 sin d2 − k 2 t<br />

(3.52)<br />

waarbij C 1 en C 2 willekeurige constanten zijn. De oplossing beschrijft een dalende<br />

oscillatie rond het equilibriumpunt, het is gekend als het ondergedempte geval.<br />

2. k 2 = d 2 (or k = d) .<br />

De algemene oplossing van de homogene vergelijking, (1.50), wordt<br />

y h (t) = (C 1 + C 2 t) exp (−dt) . (3.53)<br />

In dit geval treden er geen oscillaties op. Alhoewel, met een kleine daling van de<br />

demping treden oscillaties op. Dit geval is gekend als kritische demping.<br />

3. k 2 < d 2 (or k < d) .<br />

De algemene oplossing van de homogene vergelijking, (1.50), wordt<br />

waarbij λ 1 , λ 2 ∈ R − .<br />

y h (t) = C 1 exp (λ 1 t) + C 2 exp (λ 2 t) (3.54)<br />

We gebruiken de methode van onbepaalde coëfficienten om de particuliere oplossing<br />

te vinden, de oplossing die afhankelijk is van de kracht f (t) . De niet-homogene vergelijking<br />

wordt gegeven door<br />

a 2<br />

d 2 y (t)<br />

dt 2<br />

+ a 1<br />

dy (t)<br />

dt<br />

+ a 0 y (t) = f (t) (3.55)<br />

waarbij de a i ’s constanten zijn en f (t) een lineaire combinatie is van functies. Tabel (1.1)<br />

is een hulp voor het vinden van particuliere oplossingen van differentiaal vergelijkingen.<br />

Het geeft de vorm van de veronderstelde oplossingen weer in functie van de ingangsfunctie.


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 62<br />

Ingang<br />

f (t) = a 0 + a 1 t + ... + a n t n<br />

f (t) = A exp (st)<br />

f (t) = A cos (t) + B sin (t)<br />

f (t) = A cos (αt) of B sin (βt)<br />

Veronderstelde oplossing<br />

f (t) = c 0 + c 1 t + ... + c n t n<br />

f (t) = B exp (st)<br />

f (t) = C 1 cos (t) + C 2 sin (t)<br />

f (t) = C 1 cos (αt) + C 2 sin (βt)<br />

Tabel 3.1: Particuliere oplossing.<br />

3.2 Convolutie voor continue LTI <strong>systemen</strong><br />

De impuls respons h (t) van een continu LTI systeem wordt gedefinieerd door<br />

waarbij T een operator is die het systeem voorsteld.<br />

h (t) = T [δ (t)] (3.56)<br />

Theorema 3.1 Gegeven een willekeurig ingangsignaal x (t), de respons y (t) van het lineair<br />

systeem kan uitgedrukt worden als<br />

Bewijs<br />

y (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

Een willekeurig signaal x (t) kan uitgedrukt worden als<br />

x (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ) h (t − τ) dτ. (3.57)<br />

x (τ) δ (t − τ) dτ. (3.58)<br />

De respons y (t) van een lineair systeem kan uitgedrukt worden als<br />

[∫ ∞<br />

]<br />

y (t) = T [x (t)] = T x (τ) δ (t − τ) dτ<br />

−∞<br />

=<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ) T [δ (t − τ) dτ] . (3.59)<br />

Gebruik makend van (1.56) en steunend op het feit dat het systeem tijdsinvariant is<br />

krijgen we<br />

h (t − τ) = T [δ (t − τ)] . (3.60)<br />

Substitutie van (1.60) in (1.59) geeft<br />

y (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ) h (t − τ) dτ. (3.61)<br />

Voorbeeld 3.4 Gegeven de deltafunctie δ(t) en een willekeurige functie f(t), bepaal de<br />

convolutie y(t) = f(t) ∗ δ(t).<br />

Oplossing<br />

Uit de definitie van convolutie volgt<br />

y(t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

f(τ)δ(t − τ) dτ = f(t) (3.62)<br />

In woorden, convolutie van een functie f(t) met δ(t) geeft de functie f(t). Dit wordt<br />

schematisch weergegeven in Figuur 1.12


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 63<br />

Figuur 3.12: Convolutie van f(t) met δ(t)<br />

Voorbeeld 3.5 Gegeven f(t) en g(t) met<br />

f(t) =<br />

Bepaal y(t) = f(t) ∗ g(t)<br />

Oplossing<br />

Uit de definitie van convolutie<br />

{ e −t , t ≥ 0<br />

0, t < 0<br />

g(t) =<br />

{ αe −t , t ≥ 0<br />

0, t < 0<br />

(3.63)<br />

Convolutie integraal<br />

y(t) =<br />

=<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

∫ t<br />

0<br />

f(τ)g(t − τ) dτ<br />

e −τ αe −α(t−τ) dτ, t ≥ 0<br />

∫ t<br />

= αe −αt e τ(α−1) dτ, t ≥ 0<br />

=<br />

α<br />

α − 1<br />

0<br />

(<br />

e −t − e αt) , α ≠ 1, t ≥ 0 (3.64)<br />

Vergelijking (1.57) definieert de convolutie van twee continue tijdsignalen x (t) en h (t) ,<br />

voorgesteld door<br />

y (t) = x (t) ∗ h (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ) h (t − τ) dτ. (3.65)<br />

De uitgang y (t) van een willekeurig continu LTI systeem is de convolutie van de<br />

ingang x (t) met het impulsantwoord h (t)van het systeem. Figuur 1.13 illustreert<br />

de definitie van de impuls respons h (t) en de relatie van vergelijking (1.65).<br />

Figuur 3.13: Continu LTI systeem


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 64<br />

Eigenschappen van de convolutie integraal<br />

De convolutie integraal bezit volgende eigenschappen:<br />

1. Commutatief<br />

2. Associatief<br />

x (t) ∗ h (t) = h (t) ∗ x (t) . (3.66)<br />

(x (t) ∗ h 1 (t)) ∗ h 2 (t) = x (t) ∗ (h 1 (t) ∗ h 2 (t)) . (3.67)<br />

3. Distributief<br />

x (t) ∗ (h 1 (t) + h 2 (t)) = x (t) ∗ h 1 (t) + x (t) ∗ h 2 (t) . (3.68)<br />

4. Deltafunctie convolutie<br />

y (t) = x (t) ∗ δ (t) = x (t) . (3.69)<br />

5. Schaling<br />

Als y (t) = x (t) ∗ h (t) , dan<br />

( t<br />

|a| y<br />

a)<br />

( ( t t<br />

= x ∗ h . (3.70)<br />

a)<br />

a)<br />

6. Opschuiving invariantie<br />

Als y (t) = x (t) ∗ h (t) , dan<br />

y (t − t 0 ) = x (t − t 0 ) ∗ h (t)<br />

=<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ − t 0 ) h (t − τ) dτ. (3.71)<br />

7. Afgeleide<br />

dx (t)<br />

dt<br />

= x (t) ∗<br />

dδ (t)<br />

. (3.72)<br />

dt<br />

Gebruikmakend van (1.66), vergelijking (1.65) kan als volgt worden geschreven<br />

y (t) = h (t) ∗ x (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

h (τ) x (t − τ) dτ. (3.73)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 65<br />

3.3 Grafische voorstelling van convolutie<br />

Gebaseerd op (1.65) stellen we vast dat de convolutie integraal operatie bestaat uit volgende<br />

4 stappen:<br />

1. Het impulsantwoord h (τ) wordt gespiegeld door de oorsprong om h (−τ) te verkrijgen<br />

en wordt dan verplaatst door t om h (t − τ) te vormen.<br />

2. Het signaal x (τ) en h (t − τ) worden met elkaar vermenigvuldigd, voor alle waarden<br />

van τ met t constant.<br />

3. Het product x (τ) h (t − τ) wordt geintegreerd over alle τ om een uitgangswaarde<br />

y (t) te bekomen.<br />

4. Stap 1 tot 3 worden herhaald zodat t varieert over −∞ tot ∞ om de ganse uitgang<br />

y (t) te bekomen.<br />

Deze ideeën worden grafisch weergegeven in Figuur 1.14<br />

Figuur 3.14: Grafische voorstelling van convolutie


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 66<br />

3.4 Generalisatie van convolutie voor continue LTI<br />

<strong>systemen</strong><br />

De grenzen van de convolutie-integraal zijn in het algemeen (−∞, +∞). In deze cursus<br />

worden enkel causale in- en uitgangen beschouwd. Als h(t) causaal is dan geldt h(t) =<br />

0, t < 0 en h(t−τ) = 0 voor τ > t. In dit geval is de bovengrens van de convolutie-integraal<br />

t. Als x(t) ook causaal is, kan de ondergrens van de convolutie-integraal vervangen worden<br />

door 0. Dus vergelijking (1.56) wordt voor causale x(t) en h(t) als volgt gedefinieerd<br />

y(t) = x(t) ∗ h(t)<br />

=<br />

∫ t<br />

Relatie tussen de staprespons en de impulsrespons<br />

0<br />

x(τ)h(t − τ) dτ (3.74)<br />

De staprespons van een lineair systeem, voorgesteld door ξ(t), wordt gedefinieerd als<br />

ξ(t) = T [u(t)] (3.75)<br />

waarbij u(t) de stapfunctie is en T is de operator die het systeem voorstelt.<br />

De staprespons ξ(t) kan worden verkregen door<br />

ξ(t) = u(t) ∗ h(t)<br />

=<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

Omdat u(t) = 0 voor t < 0, wordt (1.76) geschreven als<br />

u(τ)h(t − τ) dτ. (3.76)<br />

ξ(t) =<br />

=<br />

∫ ∞<br />

0<br />

∫ t<br />

−∞<br />

h(t − τ) dτ<br />

h(τ) dτ (3.77)<br />

De staprespons voor een lineair systeem is de integraal van de impulsrespons.<br />

Men kan de staprespons ξ(t) gebruiken voor het karakteriseren van de ingang-uitgang<br />

relatie voor een lineair systeem. Beschouw de convolutie van een willekeurige ingang x(t)<br />

met de impulsrespons h(t), dat is<br />

y(t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x(τ)h(t − τ) dτ (3.78)<br />

Toepassen van partiële integratie op (1.78) en gebruikmakend van (1.77) krijgen we<br />

y(t) = x(τ)<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

h(t − τ) dτ −<br />

= −x(τ) [ξ(t − τ)] ∞ −∞ + ∫ ∞<br />

=<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

dx(τ)<br />

dτ<br />

∫ ∞ ∫ ∞<br />

−∞<br />

−∞<br />

−∞<br />

dx(τ)<br />

dτ<br />

h(t − τ) dτ du(τ)<br />

dτ<br />

ξ(t − τ) dτ<br />

ξ(t − τ) dτ (3.79)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 67<br />

als x(t) en ξ(t) gelijk aan nul zijn bij t = −∞.<br />

De uitgang y(t) van een willekeurig continu LTI systeem is de convolutie van<br />

de staprespons ξ(t) met de afgeleide van de ingang dx(t)<br />

dt<br />

.<br />

Voorbeeld 3.6<br />

Door toepassing van de stroomwet van Kirchoff verkrijgen we<br />

Figuur 3.15: RC netwerk<br />

C dy(t)<br />

dt<br />

= 1 (x(t) − y(t))<br />

R<br />

x(t) = RC dy(t)<br />

dt<br />

Stel RC = 1 en voorgaande vergelijking wordt dan<br />

x(t) = dy(t)<br />

dt<br />

De staprespons wordt verkregen door het oplossen van<br />

+ y(t)<br />

+ y(t). (3.80)<br />

dq(t)<br />

dt<br />

+ ξ(t) =<br />

{ 1, t > 0<br />

0, t < 0<br />

(3.81)<br />

De oplossing is dan<br />

ξ(t) = (1 − e −t )u(t) (3.82)<br />

met randvoorwaarde ξ(0) = 0. De impulsrespons wordt gegeven door<br />

h(t) = dξ(t) = d (<br />

(1 − e −t )u(t) )<br />

dt dt<br />

= (1 − e −t )δ(t) + e −t u(t)<br />

= e −t u(t) (3.83)<br />

Voorbeeld 3.7 Bepaal de uitgang van de RC kring, zie Figuur 1.15, met ingang<br />

{ Ae<br />

x(t) =<br />

−t , t > 0, β ∈ R<br />

0, t < 0<br />

(3.84)<br />

Oplossing<br />

De convolutie-integraal, gebruikmakend van vergelijking 1.83, kan geschreven worden als


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 68<br />

volgt<br />

y(t) =<br />

∫ t<br />

0<br />

= Ae−t<br />

=<br />

Ae −βτ e −(t−τ) dτ, t > 0<br />

[ ] e<br />

−τ(β−1) t<br />

1 − β<br />

0<br />

A (<br />

e −tβ − e −t) u(t),<br />

1 − β<br />

t > 0 (3.85)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 69<br />

3.5 Convolutie en Matlab<br />

3.5.1 Matlab syntax<br />

Syntax<br />

w = conv(u, v)<br />

Description<br />

w = conv(u, v) convolves vectors u and v. Algebraically, convolution is the same<br />

operation as multiplying the polynomials whose coefficients are the<br />

elements of u and v.<br />

Definition<br />

Let m = length(u) and n = length(v). Then w is the vector of length m+n−1 whose<br />

kth element is<br />

w (k) = ∑ u (j) v (k = 1 − J) . (3.86)<br />

j<br />

The sum is over all the values of j which lead to legal subscripts for u(j) and v(k + 1 − j),<br />

specifically j = max(1, k + 1 − n) : min(k, m).<br />

3.5.2 Voorbeelden<br />

Als eerste voorbeeld van convolutie beschouwen we de signalen voorgesteld in Figuur 1.16.<br />

Figuur 3.16:<br />

De resulterende plot van x (t) ∗ h(t) wordt getoond in Figuur (1.17). Het volgende<br />

Matlab programma implementeert de concolutie van beide signalen


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 70<br />

Algoritme 3.1 Convolutie van twee signalen.<br />

step = 0.005; t = -2:step:4; n = length(t); n_c<br />

=[2*t(1):step:2*t(n)];<br />

x=2*step_function(t+1)-2*step_function(t)-2*step_function(t)+2*step_function(t-1);<br />

h = 0.5*ramp_function(t).*step_function(2-t); y = step*conv(x,h);<br />

subplot(3,1,1)<br />

plot(t,x)<br />

axis([-2 5 -3 3])<br />

xlabel(’t’)<br />

ylabel(’s(t)’)<br />

subplot(3,1,2)<br />

plot(t,h)<br />

axis([-2 5 -1 3])<br />

xlabel(’t’)<br />

ylabel(’h(t)’)<br />

subplot(3,1,3)<br />

plot(n_c,y)<br />

axis([t(1) t(n) -3 3])<br />

xlabel(’t’)<br />

ylabel(’y(t)’)<br />

2<br />

s(t)<br />

0<br />

−2<br />

−2 −1 0 1 2 3 4 5<br />

t<br />

3<br />

2<br />

h(t)<br />

1<br />

0<br />

−1<br />

−2 −1 0 1 2 3 4 5<br />

t<br />

2<br />

y(t)<br />

0<br />

−2<br />

−2 −1 0 1 2 3 4<br />

t<br />

Figuur 3.17: Matlab resultaat voorbeeld 1


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 71<br />

Beschouw de volgende signalen x (t) = u(t)−2u(t−1)+u(t−2) en h(t) = u(t)−u(t−1)<br />

in voorbeeld 2. De resulterende plot van x (t) ∗ h(t) wordt getoond in Figuur (1.18). Als<br />

2<br />

s(t)<br />

0<br />

−2<br />

−1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4<br />

t<br />

3<br />

2<br />

h(t)<br />

1<br />

0<br />

−1<br />

−1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4<br />

t<br />

2<br />

y(t)<br />

0<br />

−2<br />

−1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4<br />

t<br />

Figuur 3.18: Matlab resultaat voorbeeld 2<br />

De resul-<br />

laatste voorbeeld, gegeven x (t) = exp (at) u (−t) en h (t) = exp (−at) u (t).<br />

terende plot van x (t) ∗ h(t) wordt getoond in Figuur (1.19).<br />

4<br />

s(t)<br />

2<br />

0<br />

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5<br />

t<br />

4<br />

h(t)<br />

2<br />

0<br />

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5<br />

t<br />

10<br />

y(t)<br />

5<br />

0<br />

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4<br />

t<br />

Figuur 3.19: Matlab resultaat voorbeeld 3


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 72<br />

3.6 Oefeningen<br />

Oefening 3.1 Gegeven een continu systeem (Figuur 1.20). Schrijf een differentiaal vergelijking<br />

in functie van ingang en uitgang.<br />

Figuur 3.20:<br />

Oplossing: De ingang van de integrator wordt voorgesteld door e (t) en de ingang-uitgang<br />

relatie van de integrator wordt gegeven door<br />

y (t) =<br />

∫ t<br />

−∞<br />

e (τ) dτ. (3.87)<br />

Afleiden van (1.87) naar t geeft<br />

dy (t)<br />

= e (t) . (3.88)<br />

dt<br />

De ingang van de integrator (zie Figuur 1.20) wordt gegeven door<br />

Substitutie van (1.89) in (1.88) geeft<br />

e (t) = x (t) − ay (t) . (3.89)<br />

dy (t)<br />

dt<br />

+ ay (t) = x (t) , (3.90)<br />

welke de gevraagde eerste-orde lineaire differentiaal vergelijking is.<br />

Oefening 3.2 Toon aan dat x (t) ∗ u (t) = ∫ t<br />

x (τ) dτ<br />

−∞<br />

Oplossing<br />

Per definitie<br />

x (t) ∗ u (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

De verschoven stapfunctie wordt voorgesteld als<br />

x (τ) u (t − τ) dτ. (3.91)<br />

u (t − τ) =<br />

{ 1 als t > τ<br />

0 als t < τ<br />

(3.92)<br />

Door (1.92) wordt (1.91)<br />

x (t) ∗ u (t) =<br />

∫ t<br />

−∞<br />

x (τ) dτ.


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 73<br />

Oefening 3.3 Bepaal y (t) = x (t) ∗ h (t), waarbij x (t) en h (t) voorgesteld worden in<br />

Figuur 1.21<br />

Figuur 3.21:<br />

Oplossing<br />

Eerst drukken we x (t) en h (t) uit in functionele vorm<br />

x (t) = u (t) − u (t − 3) , h (t) = u (t) − u (t − 2)<br />

Door toepassing van (1.65)<br />

y (t) = x (t) ∗ h (t) =<br />

=<br />

=<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

∫ ∞<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ) h (t − τ) dτ<br />

[u (τ) − u (τ − 3)] [u (t − τ) − u (t − τ − 2)] dτ<br />

u (τ) u (t − τ) dτ −<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

∫ ∞<br />

u (τ) u (t − τ − 2) dτ<br />

− u (τ − 3) u (t − τ) dτ + u (τ − 3) u (t − τ − 2) dτ. (3.93)<br />

−∞<br />

−∞<br />

Met<br />

{ 1 0 < τ < t, t > 0<br />

u (τ) u (t − τ) =<br />

0 anders<br />

{ 1 0 < τ < t − 2, t > 2<br />

u (τ) u (t − τ − 2) =<br />

0 anders<br />

{ 1 3 < τ < t, t > 3<br />

u (τ − 3) u (t − τ) =<br />

0 anders<br />

{ 1 3 < τ < t − 2, t > 5<br />

u (τ − 3) u (t − τ − 2) =<br />

0 anders<br />

kunnen we y (t) uitdrukken als volgt<br />

y (t) =<br />

+<br />

∫ t<br />

0<br />

∫ t−2<br />

3<br />

u (t) dτ −<br />

∫ t−2<br />

u (τ − 5) dτ<br />

u (τ − 2) dτ −<br />

∫ t<br />

0<br />

3<br />

u (τ − 3) dτ<br />

= tu (t) − (t − 2) u (t − 2) − (t − 3)u (t − 3) + (t − 5)u (t − 5) (3.94)


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 74<br />

welke is grafisch weergegeven in Figuur 1.22.<br />

Figuur 3.22:<br />

Functies h (τ) , h (t − τ) en x (τ) h (t − τ) voor verschillende waarden van t zijn getekend<br />

in Figuur 1.23.


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 75<br />

Figuur 3.23:


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 76<br />

Uit Figuur 1.23 , x (τ) en h (t − τ) overlappen niet voor t < 0 en t > 5, daardoor is<br />

y (t) = 0 voor t < 0 en t > 5. Voor de andere intervals, x (τ) en h (t − τ) overlappen.<br />

Daaruit volgt dat de oppervlakte onder de rechthoekige pulsen voor deze intervals bepaald<br />

worden door<br />

⎧<br />

⎪⎨<br />

y (t) =<br />

welke is voorgesteld in Figuur 1.24.<br />

⎪⎩<br />

0 t < 0<br />

t 0 < t ≤ 2<br />

2 2 < t ≤ 3<br />

5 − t 3 < t ≤ 5<br />

0 5 < t<br />

(3.95)<br />

Figuur 3.24:


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 77<br />

Oefening 3.4 De ingang x (t) en de impuls respons van een continu LTI systeem zijn<br />

gegeven door<br />

x (t) = u (t) h (t) = exp (−αt) u (t) , α > 0<br />

(a) Bepaal de uitgang y (t) met vergelijking (1.65).<br />

(b) Bepaal de uitgang y (t) met vergelijking (1.73).<br />

Oplossing:<br />

(a) Via vergelijking (1.65)<br />

y (t) = x (t) ∗ h (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

x (τ) h (t − τ) dτ.<br />

De functies x (τ) en h (t − τ) worden weergegeven in Figuur 1.25 voor t < 0 en t > 0.<br />

Figuur 3.25:<br />

Uit Figuur 1.25 volgt dat voor t < 0, x (τ) en h (t − τ) overlappen elkaar niet, terwijl<br />

voor t > 0 de signalen overlappen van τ = 0 tot τ = t. Dus voor t < 0, y (t) = 0. Maar<br />

voor t > 0 hebben we<br />

y (t) =<br />

∫ t<br />

0<br />

exp (−α (t − τ)) dτ = exp (−αt)<br />

∫ t<br />

0<br />

exp (ατ) dτ<br />

= exp (−αt) 1 α (exp (αt)) = 1 (1 − exp (−αt)) .<br />

α


HOOFDSTUK 3. LINEAIRE CONTINUE TIJDSINVARIANTE SYSTEMEN 78<br />

De uitgang y (t) kan geschreven worden als<br />

(b) Via vergelijking (1.73)<br />

y (t) = 1 (1 − exp (−αt)) u (t) (3.96)<br />

α<br />

y (t) = h (t) ∗ x (t) =<br />

∫ ∞<br />

−∞<br />

h (τ) x (t − τ) dτ<br />

De functies h (τ) en x (t − τ) worden weergegeven in Figuur (blz 69, schaum) voor<br />

t < 0 en t > 0. Uit de Figuur vogt dat voor t < 0, h (τ) en x (t − τ) overlappen elkaar<br />

niet, terwijl voor t > 0 de signalen overlappen van τ = 0 tot τ = t. Dus voor t < 0,<br />

y (t) = 0. Maar voor t > 0 hebben we<br />

y (t) =<br />

∫ t<br />

De uitgang y (t) kan geschreven worden als<br />

0<br />

exp (−ατ) dτ<br />

= 1 (1 − exp (−αt))<br />

α<br />

welke hetzelfde is als (1.96).<br />

y (t) = 1 (1 − exp (−αt)) u (t) (3.97)<br />

α

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!