Inleiding Wiskundige Systeemtheorie

Vergelijkbare documenten
Inleiding Wiskundige Systeemtheorie

Inleiding Wiskundige Systeemtheorie

Inleiding Wiskundige Systeemtheorie

Functies van één veranderlijke

Signalen en Transformaties

Signalen en Transformaties

Signalen en Transformaties

Hoofdstuk 7: Stelsels eerste orde lineaire differentiaalvergelijkingen

Functies van één veranderlijke

Signalen en Transformaties

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Functies van één veranderlijke

Functies van één veranderlijke

Functies van één veranderlijke

Complexe eigenwaarden

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

Stelsels differentiaalvergelijkingen

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Lineaire Algebra voor ST

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking van het tentamen Inleiding Signalen (2Y490) op 15 augustus 2003

Lineaire Algebra voor W 2Y650

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Hoofdstuk 3: Tweede orde lineaire differentiaalvergelijkingen

Functies van één veranderlijke

Tentamen Differentiaalvergelijkingen, (wi1 909TH) woensdag 1 februari 2017, uur.

WI1708TH Analyse 3. College 2 12 februari Challenge the future

Lineaire Algebra voor ST

Hoofdstuk 1: Inleiding

Lineaire dv van orde 2 met constante coefficienten

= a x(au)y(at au)du. = a(ts a x TS a y) 2. Gegeven x Y, waaraan is de fouriergetransformeerde gelijk? f g 1

Eerste orde partiële differentiaalvergelijkingen

Functies van één veranderlijke

Modellen en Simulatie Stelsels Dvg

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

WI1708TH Analyse 2. College 5 24 november Challenge the future

Functies van één veranderlijke

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

Bouwstenen van signalen

CTB1002 deel 1 - Lineaire algebra 1

WI1708TH Analyse 2. College 1 10 november Challenge the future

1 Eigenwaarden en eigenvectoren

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Functies van één veranderlijke

De comfortabele auto

1. Gegeven x Y, waaraan is de fouriergetransformeerde gelijk? f g 1

De Laplace-transformatie

Leeswijzer bij het college Functies en Reeksen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking Tentamen Calculus, 2DM10, maandag 22 januari 2007

Technische Universiteit Delft. ANTWOORDEN van Tentamen Gewone differentiaalvergelijkingen, TW2030 Vrijdag 30 januari 2015,

5 Lineaire differentiaalvergelijkingen

D-Day. 4 juni Joost Hulshof

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Lineaire Algebra voor ST (2DS06) op , uur.

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Vandaag. Uur 1: Differentiaalvergelijkingen Uur 2: Modellen

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

1 WAAM - Differentiaalvergelijkingen

Differentiaalvergelijkingen Technische Universiteit Delft

Tentamenopgaven over hfdst. 1 t/m 4

7. Hamiltoniaanse systemen

Vectoranalyse voor TG

Tentamen Simulaties van Biochemische Systemen - 8C110 en 8CB19 4 Juli uur

Regeltechniek. Les 2: Signaaltransformaties. Prof. dr. ir. Toon van Waterschoot

Centrale Commissie Voortentamen Wiskunde Uitwerkingen Voortentamen Wiskunde B 11 juni 2012

Math D2 Gauss (Wiskunde leerlijn TOM) Deelnemende Modules: /FMHT/ / A. Oefententamen #2 Uitwerking

Examen G0O17E Wiskunde II (3sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-11:30 uur. Bachelor Geografie en Bachelor Informatica

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Tussentoets Analyse 2. Natuur- en sterrenkunde.

Toelatingstest Wiskunde, dinsdag 21 juni 2011, uur.

Topologie in R n 10.1

Derde serie opdrachten systeemtheorie

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C110 3 juli uur

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

1. Gegeven een Lineair Stationair Systeem in continue-tijd. Als aan het systeem het ingangssignaal

4051CALC1Y Calculus 1

Notatie Voor een functie y = y(t) schrijven we. Definitie Een differentiaalvergelijking is een vergelijking van de vorm

Eindtermen Lineaire Algebra voor E vor VKO (2DE01)

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficienten

Het vinden van een particuliere oplossing

x(t + T ) = x(t) Voorbeeld 1. Beschouw het niet-lineaire autonome stelsel . (1) y x + y y(x 2 + y 2 )

Technische Universiteit Delft Uitwerking Tentamen Analyse 3, WI 2601 Maandag 11 januari 2010,

Lineaire Algebra voor ST

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Lineaire Afbeelding Stelsels differentiaalvergelijkingen. 6 juni 2006

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Antwoorden. 1. Rekenen met complexe getallen

WI1708TH Analyse 3. College 5 23 februari Challenge the future

TOELATINGSEXAMEN ANALYSE BURGERLIJK INGENIEUR EN BURGERLIJK INGENIEUR ARCHTECT - 3 JULI 2003 BLZ 1/8

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Systeem 2 wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y y x

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Warmtehuishouding woonhuis project Modelleren B

Systeemtheorie: een vakgebied vol dynamiek en interactie!

Lineaire Algebra voor ST

CTB1002 deel 1 - Lineaire algebra 1

Christiaan Huygens Verdiepingssymposium

Transcriptie:

Inleiding Wiskundige Systeemtheorie 156056 Docent : Anton Stoorvogel E-mail: A.A.Stoorvogel@utwente.nl 1/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Definitie Een ingang-uitgang systeem H heet een lineair systeem, indien voor alle (complexe) a 1 en a 2 en ingangssignalen u 1.t/ en u 2.t/ geldt: H.a 1 u 1 C a 2 u 2 / D a 1 H.u 1 / C a 2 H.u 2 /: 2/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Definitie Een ingang-uitgang systeem H heet een tijdinvariant systeem, indien voor alle 2 R en voor ieder ingangssignaal u.t/ geldt: H. u/ D H.u/ 3/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Causaal systeem Definitie Een ingang-uitgang systeem H heet causaal, indien voor elk tweetal ingangssignalen u 1.t/ en u 2.t/ met bijbehorende uitgangssignalen y 1 D H.u 1 / en y 2 D H.u 2 / en voor alle t 0 2 R geldt: u 1.t/ D u 2.t/ voor t < t 0 H) y 1.t/ D y 2.t/ voor t < t 0 : 4/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Een systeem wordt gegeven door: y.t/ D u.t/ C u. t/; t 2 R (i) Is dit systeem lineair? (ii) Is dit systeem tijdinvariant? (iii) Is dit systeem causaal? 5/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Een systeem wordt gegeven door: y.t/ D u.t 2 / u 2.t/; t 2 R (i) Is dit systeem lineair? (ii) Is dit systeem tijdinvariant? (iii) Is dit systeem causaal? 6/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Een systeem wordt gegeven door: y.t/ D Z t u. 2 / d; t 2 R 0 (i) Is dit systeem lineair? (ii) Is dit systeem tijdinvariant? (iii) Is dit systeem causaal? 7/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Een systeem wordt gegeven door: y.t/ D u.t/ C (i) Is dit systeem lineair? (ii) Is dit systeem tijdinvariant? (iii) Is dit systeem causaal? Z t 1 cos./u./ d 8/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Toestand Gegeven een systeem D.T;W; B/. Een toestand is een functie x zodanig dat voor elke t 0 2 T geldt dat, gegeven x.t 0 /, de mogelijke toekomst van het systeem niet meer afhangt van het verleden van het systeem. 9/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Voorbeeld: pendulum 10/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Model 4` # 3 U g sin # C Us cos # D 0.M C m/us C m` U# cos #.#/ T 2 sin # D u (?) 11/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

T D R; W D R 3 w D # s u B D f w W T! W j w voldoet aan (?) g 12/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Toestand Gegeven een systeem D.T;W; B/. Een toestand is een functie x zodanig dat voor elke t 0 2 T geldt dat, gegeven x.t 0 /, de mogelijke toekomst van het systeem niet meer afhangt van het verleden van het systeem. 13/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Toestand Met behulp van een toestand kunnen we de relatie tussen u en y vaak in de volgende vorm schrijven: y.t/ D H.x.t 0 /; u./j 2Œt0 ;t; t/ 8t; t 0 2 T; t > t 0 14/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Definitie Een systeem heet eindigdimensionaal, als er een eindig dimensionale ruimte X bestaat zodanig dat het systeem beschreven wordt door: y.t/ D H.x.t 0 /; u./j 2Œt0 ;t; t/ 8t; t 0 2 T; t > t 0 met x.t 0 / 2 X voor alle t 0 2 T. 15/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Temperatuur van een verwarmde staaf met @T.t; r/ @t D c @2 T.t; r/ @ 2 r @T.t; r/ @r ˇ @T.t; r/ D 0; A ˇrDL @r ˇ ˇrD0 D u.t/ 16/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Niet-lineaire toestandsvergelijkingen Toestand x.t/. Tx.t/ D f.x.t/; u.t/; t/; x.0/ D x 0 y.t/ D h.x.t/; u.t/; t/ 17/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Vragen Bestaat er een oplossing voor dit stelsel vergelijkingen? Heeft dit stelsel vergelijkingen een unieke oplossing? 18/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Als f.x; u; t/ netjes is (overal differentieerbaar) dan heeft het stelsel lokaal een unieke oplossing. Problemen kunnen dan alleen ontstaan door een finite escape time heeft als oplossing x.t/ D tan.t/. Tx.t/ D 1 C x 2.t/; x.0/ D 0 19/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Als f.x; u; t/ niet netjes is kunnen er problemen onstaan door niet unieke oplossing geen oplossing Tx.t/ D 2 p x.t/; x.0/ D 0 heeft als oplossing x.t/ D 0 en x.t/ D t 2 voor t > 0. 20/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Lineariteit van toestandsruimte modellen Een systeem beschreven door: Tx.t/ D f.x.t/; u.t/; t/; x.0/ D x 0 y.t/ D h.x.t/; u.t/; t/ is lineair als f en h voldoen aan: f.x.t/; u.t/; t/ D A.t/x.t/ C B.t/u.t/ h.x.t/; u.t/; t/ D C.t/x.t/ C D.t/u.t/ en x 0 D 0. 21/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Tijdinvariantie van toestandsruimte modellen Een systeem beschreven door: Tx.t/ D f.x.t/; u.t/; t/; x.0/ D x 0 y.t/ D h.x.t/; u.t/; t/ is tijdinvariant als f en h niet expliciet van de tijd afhangen. Dat wil zeggen Tx.t/ D f.x.t/; u.t//; x.0/ D x 0 y.t/ D h.x.t/; u.t// 22/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Causaliteit van toestandsruimte modellen Een systeem beschreven door: is causaal. Tx.t/ D f.x.t/; u.t/; t/; x.0/ D x 0 y.t/ D h.x.t/; u.t/; t/ 23/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Massa-veer-demper systeem k q.t/ m F.t/ r Ingang: u.t/ D F.t/, Uitgang: y.t/ D q.t/ 24/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Toestandsystemen 8 < : Tx.t/ D Ax.t/ C Bu.t/ y.t/ D Cx.t/ C Du.t/ Systeem heeft een unieke oplossing gegeven x.t 0 /. 25/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

1 u.t/ 0.8 y.t/ 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 26/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

RLC-netwerk C C C R L S C C 27/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Variatie van constanten; scalaire geval We zoeken de oplossing van Tx 1.t/ D ax 1.t/ C bu.t/; x 1.t 0 / D x 0 met a en b gegeven constanten. We vinden: x 1.t/ D e a.t t 0/ x 0 C Z t t 0 e a.t / bu./ d 28/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Tx.t/ D A.t/x.t/ heeft n onafhankelijke oplossingen, die worden aangegeven met x 1.t/; : : : ; x n.t/. Y.t/ D h i x 1.t/ x 2.t/ : : : x n.t/ wordt een fundamentaalmatrix genoemd. wordt de transitiematrix genoemd..t; s/ D Y.t/Y.s/ 1 29/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

De transitiematrix is de unieke oplossing van de matrix differentiaalvergelijking: d dt.t; s/ D A.t/.t; s/;.s; s/ D I 30/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Groep eigenschappen.t 2 ; t 0 / D.t 2 ; t 1 /.t 1 ; t 0 /: en 1.t; s/ D.s; t/ 31/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI

Oplossing van wordt gegeven door: Tx.t/ D A.t/x.t/ C B.t/u.t/; x.t 0 / D x 0 x.t/ D.t; t 0 /x 0 C Z t t 0.t; s/b.s/u.s/ ds 32/32 Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI