Dispensa definitiva · Esame orale

Teoria dei Sistemi

Quarantotto risposte autosufficienti con definizioni formali, teoremi, dimostrazioni, esempi svolti, grafici e scalette per l'esposizione.

48 domandeTempo continuo e discretoFormule e dimostrazioniEdizione 2026
Domanda 1

Dimostrazione della formula della risposta alla sinusoide

Inquadramento

Il teorema della risposta armonica descrive il comportamento permanente di un sistema lineare, stazionario e asintoticamente stabile eccitato da una sinusoide. È il ponte tra funzione di trasferimento, trasformata di Fourier e diagrammi di Bode: alla pulsazione assegnata il sistema modifica soltanto ampiezza e fase.

Definizioni e ipotesi

Si considera un sistema SISO LTI causale, reale e proprio, con condizioni iniziali finite e funzione di trasferimento \(W(s)\). Tutti i poli di \(W(s)\), e più in generale tutti i modi interni eccitati e osservati, hanno parte reale strettamente negativa. L’ingresso è

$$ u(t)=U\sin(\omega t+\varphi)\,1(t),\qquad U\ge 0,\quad \omega>0 . $$

Si pone \(W(j\omega)=M(\omega)e^{j\psi(\omega)}\), con \(M(\omega)=|W(j\omega)|\) e \(\psi(\omega)=\arg W(j\omega)\). La risposta a regime è la parte dell’uscita che rimane dopo l’estinzione dei modi naturali; la parte restante è il transitorio.

Enunciato

Teorema della risposta armonica. Nelle ipotesi precedenti, l’uscita si può scrivere \(y(t)=y_{\mathrm{tr}}(t)+y_r(t)\), con \(\lim_{t\to+\infty}y_{\mathrm{tr}}(t)=0\), e

$$ \boxed{\,y_r(t)=U\,|W(j\omega)|\sin\!\bigl(\omega t+\varphi+\arg W(j\omega)\bigr)\, } . $$

La pulsazione non cambia; il modulo moltiplica l’ampiezza e la fase si somma a quella dell’ingresso.

Dimostrazione completa mediante Laplace e residui

Usando \(\sin\alpha=(e^{j\alpha}-e^{-j\alpha})/(2j)\), la trasformata unilatera dell’ingresso è

$$ U(s)=\frac{U}{2j}\left(\frac{e^{j\varphi}}{s-j\omega} -\frac{e^{-j\varphi}}{s+j\omega}\right). $$

Con condizioni iniziali nulle \(Y(s)=W(s)U(s)\). Condizioni iniziali non nulle aggiungono soltanto termini aventi come poli gli autovalori del sistema e dunque confluiscono nel transitorio. Poiché il sistema è asintoticamente stabile, \(W(s)\) non ha poli in \(s=\pm j\omega\). I residui di \(Y(s)\) nei due poli dell’ingresso sono quindi

$$ \operatorname*{Res}_{s=j\omega}Y(s) =\frac{U}{2j}e^{j\varphi}W(j\omega), \qquad \operatorname*{Res}_{s=-j\omega}Y(s) =-\frac{U}{2j}e^{-j\varphi}W(-j\omega). $$

Essendo il sistema reale, \(W(-j\omega)=\overline{W(j\omega)}\). I due residui producono nell’antitrasformata

$$ \begin{aligned} y_r(t) &=\frac{U}{2j}\!\left[ e^{j\varphi}W(j\omega)e^{j\omega t} -e^{-j\varphi}\overline{W(j\omega)}e^{-j\omega t} \right] \\ &=\frac{U M(\omega)}{2j}\!\left[ e^{j(\omega t+\varphi+\psi(\omega))} -e^{-j(\omega t+\varphi+\psi(\omega))} \right] \\ &=U M(\omega)\sin\!\bigl(\omega t+\varphi+\psi(\omega)\bigr). \end{aligned} $$

Restano i residui associati ai poli \(p_i\) di \(W(s)\). Se \(p_i\) ha molteplicità \(m_i\), il relativo contributo ha la forma

$$ e^{p_i t}\sum_{h=0}^{m_i-1}c_{ih}t^h . $$

Da \(\operatorname{Re}p_i<0\) segue \(\lim_{t\to\infty}t^he^{p_i t}=0\) per ogni \(h\) finito. La loro somma, insieme all’evoluzione libera dovuta allo stato iniziale, è dunque \(y_{\mathrm{tr}}(t)\to0\). Questo giustifica sia la formula sia l’esistenza del regime.

Tempo continuo e tempo discreto

La formula appena dimostrata è quella TC. In TD, per \(u_k=U\sin(\Omega k+\varphi)\), se tutti i poli sono interni alla circonferenza unitaria e \(W(z)\) non ha poli in \(e^{\pm j\Omega}\), lo stesso calcolo sui poli \(z=e^{\pm j\Omega}\) dà

$$ y_{r,k}=U\,|W(e^{j\Omega})| \sin\!\bigl(\Omega k+\varphi+\arg W(e^{j\Omega})\bigr). $$

Le pulsazioni discrete sono equivalenti modulo \(2\pi\), perché \(e^{j(\Omega+2\pi q)k}=e^{j\Omega k}\).

Esempio svolto

Per \(W(s)=1/(s+1)\), \(u(t)=2\sin(t+\pi/6)1(t)\) e stato iniziale nullo,

$$ W(j)=\frac{1}{1+j}=\frac{1}{\sqrt2}e^{-j\pi/4}. $$

Pertanto

$$ y_r(t)=\sqrt2\sin\!\left(t+\frac{\pi}{6}-\frac{\pi}{4}\right) =\sqrt2\sin\!\left(t-\frac{\pi}{12}\right). $$

L’unico modo naturale è \(e^{-t}\). Imponendo \(y(0)=0\), il suo coefficiente è

$$ c=-y_r(0)=\sqrt2\sin\frac{\pi}{12}=\frac{\sqrt3-1}{2}. $$

La risposta completa è quindi

$$ y(t)=\left[ \sqrt2\sin\!\left(t-\frac{\pi}{12}\right) +\frac{\sqrt3-1}{2}e^{-t} \right]1(t), $$

e il secondo addendo si estingue.

Costruzione fasoriale della risposta armonica Il fasore di ingresso viene ruotato della fase di W e scalato del suo modulo. φ ingresso U φ + ψ uscita U·M × W(jω)
Interpretazione fasoriale: \(W(j\omega)\) scala di \(M(\omega)\) e ruota di \(\psi(\omega)\).

Follow-up probabili

Perché serve l’asintotica stabilità?

Perché garantisce che tutti i modi naturali eccitati abbiano parte reale negativa e quindi il transitorio tenda a zero; inoltre l’asse immaginario appartiene alla regione di convergenza della risposta impulsiva.

Che cosa accade se \(j\omega\) è un polo?

Compare risonanza: il prodotto contiene un polo ripetuto in \(j\omega\) e l’uscita include un termine con ampiezza crescente, tipicamente \(t\sin(\omega t+\alpha)\); non esiste un regime sinusoidale limitato.

La formula vale con condizioni iniziali non nulle?

Sì, purché il sistema sia internamente asintoticamente stabile: lo stato iniziale aggiunge solo l’evoluzione libera, che si estingue.

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Domanda 2

Sistema a dati campionati

Inquadramento

Un sistema a dati campionati collega un controllore digitale a un processo fisico continuo. Il campionatore trasforma il segnale continuo in una sequenza, mentre il ricostruttore—di regola un mantenitore di ordine zero—genera il comando continuo applicato al processo tra due campioni.

Definizioni e ipotesi

Il processo LTI continuo è

$$ \dot x(t)=Ax(t)+Bu(t),\qquad y(t)=Cx(t)+Du(t). $$

Il campionamento è uniforme, \(t_k=kT\), con periodo \(T>0\) e pulsazione di campionamento \(\omega_s=2\pi/T\). Si definiscono \(x_k=x(kT)\), \(u_k=u(kT)\), \(y_k=y(kT)\). Il ricostruttore ZOH impone

$$ u(t)=u_k,\qquad t\in[kT,(k+1)T). $$

Questa ipotesi non è un’approssimazione del comando effettivamente applicato: descrive esattamente l’uscita del mantenitore di ordine zero.

Enunciato: discretizzazione esatta con ZOH

La dinamica campionata soddisfa

$$ x_{k+1}=A_d x_k+B_d u_k,\qquad y_k=C_d x_k+D_d u_k, $$

con

$$ \boxed{\; A_d=e^{AT},\qquad B_d=\left(\int_0^T e^{A\sigma}\,d\sigma\right)B,\qquad C_d=C,\qquad D_d=D . \;} $$

Se \(A\) è invertibile, \(B_d=A^{-1}(e^{AT}-I)B\). La formula integrale resta valida anche quando \(A\) è singolare.

Dimostrazione completa

La formula di variazione delle costanti, applicata tra \(kT\) e \((k+1)T\), fornisce

$$ x((k+1)T) =e^{AT}x(kT) +\int_{kT}^{(k+1)T}e^{A((k+1)T-\tau)}B\,u(\tau)\,d\tau . $$

Nel medesimo intervallo lo ZOH rende \(u(\tau)=u_k\), quindi \(u_k\) esce dall’integrale:

$$ x_{k+1}=e^{AT}x_k+ \left[\int_{kT}^{(k+1)T}e^{A((k+1)T-\tau)}B\,d\tau\right]u_k . $$

Con il cambio di variabile \(\sigma=(k+1)T-\tau\), si ha \(d\sigma=-d\tau\); quando \(\tau=kT\), \(\sigma=T\), e quando \(\tau=(k+1)T\), \(\sigma=0\). Pertanto

$$ \begin{aligned} \int_{kT}^{(k+1)T}e^{A((k+1)T-\tau)}B\,d\tau &=\int_T^0 e^{A\sigma}B(-d\sigma)\\ &=\int_0^T e^{A\sigma}B\,d\sigma=B_d . \end{aligned} $$

Poiché il sistema è stazionario, il risultato non dipende da \(k\). Campionando l’equazione d’uscita si ottiene direttamente \(y_k=Cx_k+Du_k\), da cui \(C_d=C\) e \(D_d=D\). Infine, se \(A\) è invertibile,

$$ \int_0^T e^{A\sigma}\,d\sigma =A^{-1}\!\left[e^{A\sigma}\right]_0^T =A^{-1}(e^{AT}-I), $$

perché \(\frac{d}{d\sigma}e^{A\sigma}=Ae^{A\sigma}\).

Ruolo del periodo di campionamento, Shannon e aliasing

Campionando una sinusoide \(e^{j\omega t}\) si ottiene \(e^{j\omega kT}\). Le frequenze continue \(\omega\) e \(\omega+q\omega_s\), con \(q\in\mathbb Z\), producono la stessa sequenza:

$$ e^{j(\omega+q\omega_s)kT}=e^{j\omega kT}e^{j2\pi qk}=e^{j\omega kT}. $$

Questa indistinguibilità è l’aliasing. Se un segnale è limitato in banda a \(|\omega|\le\omega_B\), il teorema di Shannon richiede

$$ \omega_s>2\omega_B \qquad\Longleftrightarrow\qquad T<\frac{\pi}{\omega_B} $$

per una ricostruzione ideale univoca. In controllo, \(T\) deve inoltre essere abbastanza piccolo da rappresentare le dinamiche più veloci rilevanti e lasciare margine al calcolo; un \(T\) troppo grande peggiora fase e prestazioni, mentre un \(T\) molto piccolo aumenta carico computazionale e sensibilità al rumore. Un filtro anti-aliasing analogico limita la banda prima del campionatore.

Esempio svolto

Si discretizzi con ZOH

$$ \dot x(t)=-2x(t)+u(t),\qquad y(t)=x(t),\qquad T=0.1\ \mathrm{s}. $$

Essendo \(A=-2\), \(B=1\),

$$ A_d=e^{-0.2}=0.8187308, \qquad B_d=\int_0^{0.1}e^{-2\sigma}\,d\sigma =\frac{1-e^{-0.2}}{2}=0.0906346. $$

Il modello esatto è

$$ x_{k+1}=0.8187308\,x_k+0.0906346\,u_k,\qquad y_k=x_k. $$

Con \(u_k=3\) costante, il punto di equilibrio discreto risolve

$$ x_\infty=0.8187308x_\infty+0.0906346\cdot3, \qquad x_\infty=1.5, $$

lo stesso equilibrio del sistema continuo, ottenuto da \(0=-2x_\infty+3\).

Catena di un sistema a dati campionati Campionatore, controllore digitale, mantenitore di ordine zero e processo continuo. Campionatore t = kT Controllore tempo discreto Ricostruttore ZOH Processo TC A, B, C, D yₖ uₖ u(t) y(t) tenuta costante
Architettura tipica: il modello \(A_d,B_d\) descrive esattamente l’evoluzione tra due campioni sotto ZOH.

Follow-up probabili

Che cosa succede se \(A\) non è invertibile?

Non si usa la formula con \(A^{-1}\); l’integrale \(B_d=\int_0^T e^{A\sigma}B\,d\sigma\) è sempre ben definito e si calcola tramite serie, Jordan o esponenziale di una matrice aumentata.

Come si trasformano gli autovalori?

Per il mappaggio esatto, ogni autovalore continuo \(\lambda\) genera \(z=e^{\lambda T}\). Quindi \(\operatorname{Re}\lambda<0\) equivale a \(|z|<1\).

Perché serve il filtro anti-aliasing?

Per attenuare prima del campionamento le componenti oltre \(\omega_s/2\), che altrimenti si ripiegherebbero irreversibilmente nella banda utile.

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Domanda 3

Stabilità (una volta, insieme a Lyapunov, con anche il discorso della stabilità dei punti ai Jacobiani)

Inquadramento

La stabilità interna misura l’effetto di una piccola perturbazione dello stato iniziale, a ingresso fissato. Per i sistemi non lineari è una proprietà locale di un equilibrio; il metodo indiretto di Lyapunov usa il Jacobiano per decidere i casi non critici e rinvia al metodo diretto i casi critici.

Definizioni e ipotesi

Si consideri il sistema autonomo TC \(\dot x=f(x)\), con \(f\in C^1\), e un equilibrio \(x_e\), cioè \(f(x_e)=0\). Indicata con \(\phi(t;t_0,x_0)\) la soluzione:

  • Stabilità semplice, o stabilità secondo Lyapunov: per ogni \(\varepsilon>0\) esiste \(\delta=\delta(\varepsilon,t_0)>0\) tale che $$ \|x_0-x_e\|<\delta \ \Longrightarrow\ \|\phi(t;t_0,x_0)-x_e\|<\varepsilon \quad\text{per ogni }t\ge t_0 . $$
  • Attrattività locale: esiste \(r>0\) tale che $$ \|x_0-x_e\|<r \ \Longrightarrow\ \lim_{t\to\infty}\phi(t;t_0,x_0)=x_e . $$
  • Asintotica stabilità: l’equilibrio è stabile e localmente attrattivo.
  • Instabilità: è la negazione della stabilità: esiste \(\varepsilon_0>0\) tale che, per ogni \(\delta>0\), si trovano \(x_0\) e \(t\ge t_0\) con $$ \|x_0-x_e\|<\delta,\qquad \|\phi(t;t_0,x_0)-x_e\|\ge\varepsilon_0 . $$

Stabilità e attrattività sono distinte: un centro è stabile ma non attrattivo; una traiettoria può convergere all’equilibrio pur compiendo una grande escursione, e quindi l’attrattività da sola non implica stabilità.

Enunciato: metodo indiretto o ridotto di Lyapunov

Posto \(z=x-x_e\), lo sviluppo locale è

$$ \dot z=Az+r(z),\qquad A=\left.\frac{\partial f}{\partial x}\right|_{x_e}, \qquad \lim_{\|z\|\to0}\frac{\|r(z)\|}{\|z\|}=0. $$
  • Se tutti gli autovalori di \(A\) soddisfano \(\operatorname{Re}\lambda_i<0\), \(x_e\) è localmente asintoticamente stabile.
  • Se almeno un autovalore soddisfa \(\operatorname{Re}\lambda_i>0\), \(x_e\) è instabile.
  • Se nessun autovalore ha parte reale positiva ma almeno uno ha parte reale nulla, il metodo è inconcludente: i termini non lineari possono stabilizzare, destabilizzare o lasciare un centro.

Per \(x_{k+1}=f(x_k)\), con \(A=\partial f/\partial x|_{x_e}\), si sostituiscono le condizioni con \(|\lambda_i|<1\), \(|\lambda_i|>1\) e \(|\lambda_i|=1\).

Dimostrazione del caso asintoticamente stabile

Se \(A\) è Hurwitz, scelta una matrice simmetrica \(Q>0\), l’integrale

$$ P=\int_0^\infty e^{A^Tt}Qe^{At}\,dt $$

converge, è simmetrico e definito positivo. Derivando \(e^{A^Tt}Qe^{At}\) e integrando si ottiene

$$ A^TP+PA =\int_0^\infty\frac{d}{dt}\!\left(e^{A^Tt}Qe^{At}\right)dt =\left[e^{A^Tt}Qe^{At}\right]_0^\infty=-Q. $$

Si scelga \(V(z)=z^TPz\). Esistono \(p_{\min},p_{\max}>0\) tali che

$$ p_{\min}\|z\|^2\le V(z)\le p_{\max}\|z\|^2. $$

Lungo il sistema non lineare,

$$ \begin{aligned} \dot V &=z^T(A^TP+PA)z+2z^TPr(z)\\ &=-z^TQz+2z^TPr(z)\\ &\le-q_{\min}\|z\|^2+2\|P\|\,\|z\|\,\|r(z)\|. \end{aligned} $$

Dalla proprietà \(r(z)=o(\|z\|)\), esiste \(\rho>0\) tale che, per \(0<\|z\|<\rho\),

$$ \|r(z)\|\le\frac{q_{\min}}{4\|P\|}\|z\|. $$

Ne segue

$$ \dot V\le-\frac{q_{\min}}{2}\|z\|^2<0. $$

Il teorema diretto di Lyapunov rende allora l’origine del sistema traslato, e quindi \(x_e\), localmente asintoticamente stabile.

Perché un autovalore instabile implica instabilità

Si porta \(A\), mediante una trasformazione reale, in forma a blocchi e si raccoglie in \(A_u\) il sottospazio generalizzato associato agli autovalori con parte reale positiva. Poiché \(-A_u\) è Hurwitz, esiste \(H>0\) che soddisfa

$$ A_u^TH+HA_u=I. $$

Scrivendo \(z=(\xi,\eta)\), con \(\xi\) componente instabile, e \(r(z)=(r_u,r_c)=o(\|z\|)\), si considera \(V_u(\xi)=\xi^TH\xi\). In un cono sufficientemente stretto attorno al sottospazio instabile vale \(\|z\|\le c\|\xi\|\); quindi, scegliendo il cono dentro una palla abbastanza piccola,

$$ \begin{aligned} \dot V_u &=\xi^T(A_u^TH+HA_u)\xi+2\xi^THr_u(z)\\ &\ge \|\xi\|^2-2\|H\|\,\|\xi\|\,\|r_u(z)\|\\ &\ge \frac12\|\xi\|^2>0. \end{aligned} $$

La frontiera laterale del cono si può scegliere entrante rispetto al moto lineare instabile; la stima \(r=o(\|z\|)\) conserva questa proprietà in una palla piccola. Partendo arbitrariamente vicino all’origine sull’asse del cono, \(V_u\) cresce strettamente finché la traiettoria esce dalla palla. Esiste dunque una distanza positiva raggiunta da condizioni iniziali arbitrariamente piccole: è precisamente la negazione della stabilità. Per una coppia complessa si usa il corrispondente blocco reale bidimensionale; la stessa forma quadratica tratta simultaneamente rotazione e crescita.

Tempo continuo e tempo discreto: regioni spettrali

Nel caso lineare TC, l’origine di \(\dot x=Ax\) è asintoticamente stabile se e solo se tutti i poli sono nel semipiano sinistro aperto. In TD, l’origine di \(x_{k+1}=Ax_k\) è asintoticamente stabile se e solo se tutti gli autovalori sono nel disco unitario aperto. La corrispondenza della discretizzazione esatta è \(z=e^{sT}\): il semipiano sinistro viene mappato nell’interno del cerchio unitario.

Regioni di stabilità nei piani s e z Nel piano s è stabile il semipiano sinistro; nel piano z è stabile l’interno del cerchio unitario. Piano s — tempo continuo Re Im asintoticamente stabile instabile caso critico Piano z — tempo discreto Re Im |z| < 1 circonferenza unitaria: caso critico
Regioni spettrali: \(\operatorname{Re}s<0\) in TC e \(|z|<1\) in TD; la frontiera richiede un’analisi ulteriore.

Esempio svolto e legame con Lyapunov

Per il sistema scalare

$$ \dot x=-x+x^3=x(x^2-1) $$

gli equilibri sono \(x_e\in\{-1,0,1\}\). Il Jacobiano è \(f'(x)=-1+3x^2\). In \(x_e=0\), \(f'(0)=-1<0\), quindi l’origine è localmente asintoticamente stabile. La conclusione si verifica direttamente con \(V(x)=x^2/2\):

$$ \dot V=x(-x+x^3)=-x^2(1-x^2)<0 \quad\text{per }0<|x|<1. $$

In \(x_e=\pm1\), \(f'(\pm1)=2>0\), quindi entrambi gli equilibri sono instabili. Se invece il Jacobiano avesse un autovalore sull’asse immaginario—come il pendolo ideale linearizzato verso il basso—il metodo ridotto non deciderebbe: occorrerebbe una funzione di Lyapunov, per esempio l’energia.

Follow-up probabili

Stabilità semplice e attrattività sono equivalenti?

No. Un centro lineare è stabile ma non attrattivo; viceversa, l’attrattività senza il vincolo di permanenza negli intorni non basta a garantire stabilità.

Che cosa si conclude con autovalori puramente immaginari?

Per il sistema non lineare nulla dal solo Jacobiano. Per un sistema lineare si ha stabilità semplice soltanto se gli autovalori sull’asse immaginario sono semisemplici e tutti gli altri hanno parte reale negativa.

Qual è il corrispondente caso critico in TD?

La presenza di autovalori con modulo unitario. Nel sistema lineare devono essere semisemplici per la stabilità semplice; nel sistema non lineare il linearizzato resta inconcludente.

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Domanda 4

Teorema di Lyapunov (3. e 4. spesso unite). Sia tempo continuo sia tempo discreto. Una volta con curve di livello

Inquadramento

Il metodo diretto di Lyapunov studia la stabilità senza risolvere le equazioni del moto. Si cerca una funzione scalare simile a un’energia: positiva rispetto all’equilibrio e non crescente—o strettamente decrescente—lungo le traiettorie.

Definizioni e ipotesi

Dopo la traslazione dell’equilibrio all’origine, in TC si considera \(\dot x=f(x)\), con \(f(0)=0\), e in TD \(x_{k+1}=f(x_k)\), ancora con \(f(0)=0\). Una funzione continua \(V:\mathcal D\to\mathbb R\), con \(\mathcal D\) intorno dell’origine, è:

  • definita positiva se \(V(0)=0\) e \(V(x)>0\) per ogni \(x\ne0\) in \(\mathcal D\);
  • radialmente illimitata se \(V(x)\to+\infty\) quando \(\|x\|\to\infty\);
  • decrescente lungo il moto TC se $$ \dot V(x)=\nabla V(x)^Tf(x)\le0; $$
  • decrescente lungo il moto TD se $$ \Delta V(x)=V(f(x))-V(x)\le0. $$

Enunciato in tempo continuo

Teorema diretto di Lyapunov, TC. Siano \(f\) localmente lipschitziana e \(V\in C^1(\mathcal D)\) definita positiva.

  1. Se \(\dot V(x)\le0\) in \(\mathcal D\), l’origine è stabile.
  2. Se \(\dot V(x)<0\) per ogni \(x\ne0\) in \(\mathcal D\), l’origine è localmente asintoticamente stabile.
  3. Se le condizioni valgono globalmente e \(V\) è radialmente illimitata, l’origine è globalmente asintoticamente stabile.

Dimostrazione completa in tempo continuo

Stabilità. Fissato un raggio \(\varepsilon>0\) con \(\overline B_\varepsilon\subset\mathcal D\), la sfera \(S_\varepsilon=\{x:\|x\|=\varepsilon\}\) è compatta. Per continuità e definita positività,

$$ \alpha_\varepsilon=\min_{\|x\|=\varepsilon}V(x)>0. $$

Poiché \(V(0)=0\) ed è continua, esiste \(0<\delta<\varepsilon\) tale che \(\|x\|<\delta\) implichi \(V(x)<\alpha_\varepsilon\). Se una traiettoria partita in \(B_\delta\) raggiungesse per la prima volta \(S_\varepsilon\) all’istante \(t_1\), dalla monotonia di \(V\) si avrebbe

$$ V(x(t_1))\le V(x(t_0))<\alpha_\varepsilon, $$

ma dalla definizione di \(\alpha_\varepsilon\), \(V(x(t_1))\ge\alpha_\varepsilon\): contraddizione. La traiettoria rimane in \(B_\varepsilon\), quindi l’origine è stabile.

Attrattività. Si scelga un sottolivello compatto e positivamente invariante

$$ \Omega_c=\{x:V(x)\le c\}\subset\mathcal D. $$

È invariante perché \(V\) non cresce. Fissato \(r>0\), sull’insieme compatto \(\Omega_c\setminus B_r\) la funzione continua \(-\dot V\) è positiva; dunque ammette un minimo \(\mu_r>0\). Se una traiettoria rimanesse per sempre fuori da \(B_r\), allora

$$ V(x(t))=V(x(t_0))+\int_{t_0}^t\dot V(x(\tau))\,d\tau \le V(x(t_0))-\mu_r(t-t_0), $$

che diventerebbe negativa per \(t\) grande, impossibile perché \(V\ge0\). La traiettoria entra quindi in ogni \(B_r\); la stabilità già provata impedisce successive escursioni finite. Ne segue \(x(t)\to0\).

Globalità. Se \(V\) è radialmente illimitata, ogni sottolivello \(\Omega_c\) è limitato e quindi, essendo chiuso, compatto. Ogni stato iniziale appartiene a un opportuno \(\Omega_c\); la dimostrazione precedente vale per ogni \(x_0\), dando attrazione globale e stabilità globale.

Enunciato e dimostrazione in tempo discreto

Teorema diretto di Lyapunov, TD. Sia \(V\) continua e definita positiva. Se \(\Delta V(x)\le0\), l’origine è stabile; se \(\Delta V(x)<0\) per \(x\ne0\), è localmente asintoticamente stabile. Con ipotesi globali e \(V\) radialmente illimitata, la stabilità asintotica è globale.

La prova di stabilità usa gli stessi valori \(\alpha_\varepsilon\) e \(\delta\). Infatti

$$ V(x_k)=V(x_0)+\sum_{h=0}^{k-1}\Delta V(x_h)\le V(x_0)<\alpha_\varepsilon, $$

quindi nessun campione può raggiungere \(S_\varepsilon\). Per l’attrattività, nel compatto \(\Omega_c\setminus B_r\) si pone

$$ \mu_r=\min_{x\in\Omega_c\setminus B_r}\bigl[-\Delta V(x)\bigr]>0. $$

Se \(x_k\) restasse fuori da \(B_r\) per \(N\) passi,

$$ V(x_N)\le V(x_0)-N\mu_r, $$

che è incompatibile con \(V(x_N)\ge0\) per \(N>V(x_0)/\mu_r\). La traiettoria entra in ogni intorno e, per stabilità, converge all’origine. La radiale illimitatezza rende ancora compatti tutti i sottolivelli e dà il risultato globale.

Interpretazione geometrica con curve di livello

Su una curva \(V(x)=c\), il gradiente \(\nabla V(x)\) è normale alla curva e orientato verso valori crescenti di \(V\). Il campo \(f(x)\) è tangente alla traiettoria. La condizione

$$ \dot V(x)=\nabla V(x)^Tf(x)<0 $$

dice che l’angolo fra i due vettori è ottuso: la traiettoria attraversa i livelli dall’esterno verso l’interno. Se \(\dot V\le0\), non può uscire da un sottolivello, ma può muoversi su una sua curva; questo spiega perché la semidefinita negatività garantisce stabilità ma non, da sola, attrazione.

Curve di livello di una funzione di Lyapunov Ellissi concentriche attraversate verso l’interno da una traiettoria a spirale. x₁ x₂ V = c₃ V = c₂ V = c₁ traiettoria ∇V f(x) equilibrio
Con \(\dot V<0\), i sottolivelli sono positivamente invarianti e la traiettoria attraversa le curve verso valori decrescenti.

Esempi svolti TC e TD

TC. Per

$$ \dot x_1=-x_1,\qquad \dot x_2=-2x_2, \qquad V(x)=x_1^2+x_2^2, $$

si ha \(V>0\) per \(x\ne0\), \(V\to\infty\) per \(\|x\|\to\infty\), e

$$ \dot V=2x_1(-x_1)+2x_2(-2x_2) =-2x_1^2-4x_2^2<0\quad(x\ne0). $$

L’origine è globalmente asintoticamente stabile.

TD. Per

$$ x_{1,k+1}=\frac12x_{1,k},\qquad x_{2,k+1}=\frac13x_{2,k} $$

con la stessa \(V\),

$$ \Delta V =\left(\frac14-1\right)x_1^2 +\left(\frac19-1\right)x_2^2 =-\frac34x_1^2-\frac89x_2^2<0. $$

Anche in questo caso l’origine è globalmente asintoticamente stabile.

Follow-up probabili

Una funzione di Lyapunov è unica?

No. Per lo stesso equilibrio possono esistere infinite funzioni di Lyapunov; trovarne una soddisfacente è sufficiente.

Che cosa si conclude se \(\dot V\) è soltanto semidefinita negativa?

Il teorema diretto garantisce stabilità. Per ottenere attrattività si studia il più grande insieme invariante contenuto in \(\{\dot V=0\}\) mediante il principio di LaSalle.

Perché la radiale illimitatezza è importante?

Rende limitati tutti i sottolivelli di \(V\); così le traiettorie non possono fuggire all’infinito e l’argomento locale si estende a ogni stato iniziale.

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Domanda 5

Linearizzazione con esempi (due volte esempio del pendolo)

Inquadramento

La linearizzazione sostituisce localmente un modello non lineare con il suo sviluppo di Taylor al primo ordine. Il modello ottenuto descrive le piccole variazioni attorno a un equilibrio o a una traiettoria nominale e consente di usare autovalori, funzioni di trasferimento e tecniche lineari.

Definizioni e ipotesi

Si consideri

$$ \dot x=f(x,u),\qquad y=h(x,u), $$

con \(f,h\) almeno continuamente differenziabili. Una coppia \((x_e,u_e)\) è di equilibrio se

$$ f(x_e,u_e)=0,\qquad y_e=h(x_e,u_e). $$

Le variabili incrementali sono \(\delta x=x-x_e\), \(\delta u=u-u_e\), \(\delta y=y-y_e\).

Enunciato: modello linearizzato

In un intorno di \((x_e,u_e)\), il modello al primo ordine è

$$ \boxed{\; \delta\dot x=A\,\delta x+B\,\delta u,\qquad \delta y=C\,\delta x+D\,\delta u \;} $$

dove

$$ A=\left.\frac{\partial f}{\partial x}\right|_{(x_e,u_e)},\quad B=\left.\frac{\partial f}{\partial u}\right|_{(x_e,u_e)},\quad C=\left.\frac{\partial h}{\partial x}\right|_{(x_e,u_e)},\quad D=\left.\frac{\partial h}{\partial u}\right|_{(x_e,u_e)}. $$

Dimostrazione e derivazione completa

Lo sviluppo di Taylor vettoriale attorno a \((x_e,u_e)\) dà

$$ f(x,u)=f(x_e,u_e)+A(x-x_e)+B(u-u_e)+r_f(\delta x,\delta u), $$

con

$$ \lim_{\|(\delta x,\delta u)\|\to0} \frac{\|r_f(\delta x,\delta u)\|} {\|(\delta x,\delta u)\|}=0. $$

Poiché \(f(x_e,u_e)=0\) e \(x_e\) è costante, \(\delta\dot x=\dot x-\dot x_e=\dot x\). Trascurando il resto di ordine superiore si ottiene \(\delta\dot x=A\delta x+B\delta u\). Analogamente,

$$ h(x,u)=h(x_e,u_e)+C\delta x+D\delta u+r_h(\delta x,\delta u), $$

e sottraendo \(y_e=h(x_e,u_e)\) segue \(\delta y=C\delta x+D\delta u\). L’approssimazione è locale: il rapporto tra resto ed entità della perturbazione tende a zero, ma non è nullo a distanza finita.

Attorno a una traiettoria nominale \((\hat x(t),\hat u(t))\), le medesime Jacobiane sono valutate lungo la traiettoria e diventano in generale \(A(t),B(t),C(t),D(t)\): il linearizzato è lineare ma non stazionario. In TD, con \(x_{k+1}=f(x_k,u_k)\), l’equilibrio soddisfa \(x_e=f(x_e,u_e)\) e

$$ \delta x_{k+1}=A\,\delta x_k+B\,\delta u_k. $$

Esempio svolto: pendolo nei due equilibri

Un pendolo di massa \(m\), lunghezza \(\ell\), inerzia \(J=m\ell^2\), attrito viscoso \(b\) e coppia di ingresso \(u\) soddisfa

$$ m\ell^2\ddot\theta=-mg\ell\sin\theta-b\dot\theta+u. $$

Con \(x_1=\theta\), \(x_2=\dot\theta\),

$$ \dot x_1=x_2,\qquad \dot x_2=-\frac g\ell\sin x_1-\frac{b}{m\ell^2}x_2 +\frac{1}{m\ell^2}u,\qquad y=x_1. $$

Per \(u_e=0\), gli equilibri sono \(x_{2e}=0\) e \(x_{1e}=q\pi\). I due non equivalenti modulo \(2\pi\) sono \((0,0)\), massa in basso, e \((\pi,0)\), massa in alto. Le Jacobiane sono

$$ A(x_{1e})= \begin{bmatrix} 0&1\\ -\dfrac g\ell\cos x_{1e}&-\dfrac{b}{m\ell^2} \end{bmatrix}, \quad B=\begin{bmatrix}0\\[2pt]\dfrac{1}{m\ell^2}\end{bmatrix}, \quad C=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix},\quad D=0. $$

Equilibrio inferiore \((0,0)\). Poiché \(\cos0=1\),

$$ A_0=\begin{bmatrix}0&1\\-g/\ell&-b/(m\ell^2)\end{bmatrix}, \qquad p_0(\lambda)=\lambda^2+\frac{b}{m\ell^2}\lambda+\frac g\ell. $$

Se \(b>0\), entrambi i coefficienti sono positivi e le radici hanno parte reale negativa: l’equilibrio non lineare è localmente asintoticamente stabile. Se \(b=0\),

$$ \lambda_{1,2}=\pm j\sqrt{\frac g\ell}, $$

quindi il Jacobiano è critico e non prova l’asintotica stabilità. L’energia relativa al minimo,

$$ V(\theta,\omega)=\frac12m\ell^2\omega^2+mg\ell(1-\cos\theta), $$

è positiva in un intorno di \((0,0)\) e, senza attrito,

$$ \dot V =m\ell^2\omega\dot\omega+mg\ell\sin\theta\,\dot\theta =\omega(-mg\ell\sin\theta)+mg\ell\sin\theta\,\omega=0. $$

Il teorema di Lyapunov garantisce stabilità semplice; l’energia costante produce orbite periodiche, dunque non attrattività.

Equilibrio superiore \((\pi,0)\). Poiché \(\cos\pi=-1\),

$$ A_\pi=\begin{bmatrix}0&1\\g/\ell&-b/(m\ell^2)\end{bmatrix}, \qquad p_\pi(\lambda)=\lambda^2+\frac{b}{m\ell^2}\lambda-\frac g\ell. $$

Il prodotto delle radici è \(-g/\ell<0\): una radice è positiva e una negativa per ogni \(b\ge0\). L’equilibrio capovolto è una sella, quindi instabile.

Numericamente, per \(m=\ell=1\), \(g=9.81\), \(b=1\),

$$ \lambda(A_0)=\frac{-1\pm j\sqrt{38.24}}{2} \approx-0.5\pm j\,3.092, $$ $$ \lambda(A_\pi)=\frac{-1\pm\sqrt{40.24}}{2} \approx\{2.671,\,-3.671\}. $$
I due equilibri del pendolo Pendolo rivolto verso il basso, stabile, e verso l’alto, instabile. Equilibrio inferiore θ = 0: stabile Equilibrio capovolto θ = π: sella instabile
Il Jacobiano distingue il minimo e il massimo dell’energia; nel caso inferiore senza attrito il caso critico si risolve con l’energia.

Follow-up probabili

Perché si lavora con gli scostamenti?

Per eliminare i termini costanti di equilibrio e ottenere un modello lineare omogeneo nelle variazioni \(\delta x,\delta u,\delta y\).

Il pendolo ideale verso il basso è asintoticamente stabile?

No. È stabile secondo Lyapunov, ma senza dissipazione conserva l’energia e oscilla: non è attrattivo.

Che cosa cambia linearizzando lungo una traiettoria?

Le Jacobiane dipendono dal tempo attraverso la traiettoria nominale; il modello delle perturbazioni è lineare ma generalmente non stazionario.

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Domanda 6

Risposta forzata per un sistema lineare a tempo discreto

Inquadramento

La formula di Lagrange discreta genera lo stato sommando l’evoluzione libera e gli effetti di tutti i campioni dell’ingresso. La risposta forzata è una convoluzione: ogni \(u_j\) modifica lo stato al passo \(j+1\), poi evolve liberamente fino al passo osservato.

Definizioni e ipotesi

Si considera il sistema LTI

$$ x_{k+1}=Ax_k+Bu_k,\qquad y_k=Cx_k+Du_k,\qquad x_0\ \text{assegnato}. $$

L’evoluzione libera è la risposta con \(u_k=0\); la risposta forzata è quella con \(x_0=0\). Il termine \(D u_k\) è l’eventuale accoppiamento istantaneo ingresso–uscita.

Enunciato: formula di Lagrange TD

Per ogni \(k\ge0\),

$$ \boxed{\; x_k=A^kx_0+\sum_{j=0}^{k-1}A^{k-1-j}Bu_j \;} $$

e

$$ \boxed{\; y_k=CA^kx_0+ \sum_{j=0}^{k-1}CA^{k-1-j}Bu_j+Du_k . \;} $$

La somma vuota per \(k=0\) vale zero.

Dimostrazione completa per induzione

Passo base. Per \(k=1\), la formula dà

$$ A^1x_0+\sum_{j=0}^{0}A^{0-j}Bu_j =Ax_0+Bu_0=x_1, $$

che coincide con l’equazione di stato.

Passo induttivo. Si supponga la formula vera a \(k\). Allora

$$ \begin{aligned} x_{k+1} &=Ax_k+Bu_k\\ &=A\left(A^kx_0+\sum_{j=0}^{k-1}A^{k-1-j}Bu_j\right)+Bu_k\\ &=A^{k+1}x_0+\sum_{j=0}^{k-1}A^{k-j}Bu_j+Bu_k\\ &=A^{k+1}x_0+\sum_{j=0}^{k}A^{k-j}Bu_j. \end{aligned} $$

Quest’ultima è esattamente la formula con \(k\) sostituito da \(k+1\); l’induzione è completa. Sostituendo \(x_k\) in \(y_k=Cx_k+Du_k\) si ottiene l’espressione dell’uscita.

La separazione

$$ x_k=\underbrace{A^kx_0}_{x_{\ell,k}} +\underbrace{\sum_{j=0}^{k-1}A^{k-1-j}Bu_j}_{x_{f,k}} $$

è il principio di sovrapposizione: il campione \(u_j\) crea \(Bu_j\) al passo \(j+1\) e viene propagato per altri \(k-j-1\) passi mediante \(A^{k-j-1}\).

Caso non stazionario e confronto con il tempo continuo

Per \(x_{k+1}=A_kx_k+B_ku_k\), definendo

$$ \Phi(k,h)= \begin{cases} I,&k=h,\\ A_{k-1}A_{k-2}\cdots A_h,&k>h, \end{cases} $$

si ha

$$ x_k=\Phi(k,0)x_0+ \sum_{j=0}^{k-1}\Phi(k,j+1)B_ju_j. $$

Nel caso TC la somma diventa l’integrale di convoluzione \(\int_0^t e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau\); la struttura causale è la stessa.

Esempio svolto

Si consideri

$$ x_{k+1}=\frac12x_k+2u_k,\qquad y_k=x_k,\qquad x_0=1,\qquad u_k=(-1)^k. $$

La formula di Lagrange dà

$$ x_k=\left(\frac12\right)^k+ 2\sum_{j=0}^{k-1}\left(\frac12\right)^{k-1-j}(-1)^j. $$

Con \(h=k-1-j\),

$$ \begin{aligned} 2\sum_{j=0}^{k-1}\left(\frac12\right)^{k-1-j}(-1)^j &=2(-1)^{k-1}\sum_{h=0}^{k-1}\left(-\frac12\right)^h\\ &=\frac43(-1)^{k-1}\left[1-\left(-\frac12\right)^k\right]. \end{aligned} $$

Semplificando,

$$ \boxed{\; x_k=y_k=\frac73\left(\frac12\right)^k-\frac43(-1)^k . \;} $$

Controllo diretto: \(x_1=\frac12+2=\frac52\) e \(x_2=\frac12\frac52-2=-\frac34\), valori restituiti anche dalla formula chiusa. Il termine \((1/2)^k\) è il transitorio; il termine alternato è la risposta permanente al segnale \((-1)^k\).

Somma dei contributi dell’ingresso discreto Ogni campione entra tramite B e viene propagato con una potenza di A fino all’istante k. j = 0 j = 1 j = 2 j k propagazione fino a k mediante potenze di A somma nello stato xₖ
Struttura della convoluzione discreta: il peso del campione \(u_j\) è \(A^{k-1-j}B\).

Follow-up probabili

Perché l’esponente è \(k-1-j\)?

L’ingresso al passo \(j\) entra nello stato \(x_{j+1}\) tramite \(B\); da \(j+1\) a \(k\) restano esattamente \(k-j-1\) propagazioni con \(A\).

La risposta nello stato ha un termine istantaneo in \(u_k\)?

No: \(u_k\) modifica \(x_{k+1}\). L’uscita può invece dipendere istantaneamente da \(u_k\) attraverso \(D u_k\).

Quando l’evoluzione libera si estingue?

Quando \(A\) è Schur, cioè tutti i suoi autovalori hanno modulo strettamente minore di uno; allora \(A^k\to0\).

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Domanda 7

Controllabilità

Inquadramento

Raggiungibilità e controllabilità descrivono quali direzioni dello stato possono essere governate dall’ingresso. La matrice di Kalman raccoglie l’azione diretta di \(B\) e quella propagata da \(A\); il suo rango stabilisce se l’intero spazio di stato è accessibile.

Definizioni e ipotesi

Per un sistema lineare con ingresso non vincolato:

  • uno stato \(x_f\) è raggiungibile se esistono un tempo finito e un ingresso che portano il sistema da \(x_0=0\) a \(x_f\);
  • uno stato \(x_0\) è controllabile a zero se esistono un tempo finito e un ingresso che lo portano all’origine;
  • il sistema è completamente raggiungibile, rispettivamente controllabile, se la proprietà vale per ogni stato.

Si considera la coppia \((A,B)\), con \(A\in\mathbb R^{n\times n}\), \(B\in\mathbb R^{n\times m}\), e la matrice

$$ \mathcal R=\begin{bmatrix}B&AB&A^2B&\cdots&A^{n-1}B\end{bmatrix}. $$

Enunciato: criterio del rango di Kalman

Per i sistemi LTI sia TC sia TD, la coppia \((A,B)\) è completamente raggiungibile se e solo se

$$ \boxed{\operatorname{rank}\mathcal R=n.} $$

Il sottospazio raggiungibile è

$$ \mathcal X_r=\operatorname{Im}\mathcal R =\operatorname{span}\{\operatorname{Im}B,\operatorname{Im}AB,\ldots, \operatorname{Im}A^{n-1}B\}. $$

Dimostrazione completa in tempo discreto

Da \(x_0=0\), dopo \(N\) passi la formula di Lagrange dà

$$ x_N=A^{N-1}Bu_0+A^{N-2}Bu_1+\cdots+Bu_{N-1}. $$

Per \(N=n\),

$$ x_n= \begin{bmatrix}A^{n-1}B&A^{n-2}B&\cdots&B\end{bmatrix} \begin{bmatrix}u_0\\u_1\\\vdots\\u_{n-1}\end{bmatrix}. $$

La matrice a sinistra ha le stesse colonne di \(\mathcal R\), soltanto in ordine inverso; pertanto gli stati raggiungibili in \(n\) passi sono esattamente \(\operatorname{Im}\mathcal R\). Se il rango è \(n\), ogni \(x_f\in\mathbb R^n\) appartiene a tale immagine e si può scegliere la sequenza degli ingressi risolvendo il sistema lineare precedente.

Viceversa, se \(\operatorname{rank}\mathcal R<n\), esiste \(v\ne0\) con \(v^T\mathcal R=0\). Allora \(v^Tx_n=0\) per ogni sequenza di ingresso: nessuno stato con \(v^Tx_f\ne0\) è raggiungibile.

Resta da mostrare che attendere più di \(n\) passi non aggiunge direzioni. Se

$$ p_A(\lambda)=\lambda^n+a_1\lambda^{n-1}+\cdots+a_n, $$

il teorema di Cayley–Hamilton dà

$$ A^n=-a_1A^{n-1}-\cdots-a_nI. $$

Moltiplicando per \(B\), \(A^nB\) è combinazione delle colonne già presenti in \(\mathcal R\); moltiplicando ancora per \(A\), lo stesso vale per ogni \(A^kB\) con \(k\ge n\). La catena dei sottospazi si arresta entro il passo \(n\).

Dimostrazione completa in tempo continuo

Fissato \(T>0\), il Gramiano di raggiungibilità è

$$ G_r(T)=\int_0^T e^{A\tau}BB^Te^{A^T\tau}\,d\tau. $$

Per ogni \(v\),

$$ v^TG_r(T)v =\int_0^T\|B^Te^{A^T\tau}v\|^2\,d\tau\ge0. $$

Se questo valore è zero, la funzione continua integranda è identicamente nulla. Derivando in \(\tau=0\) si ottiene, per ogni \(k\ge0\),

$$ B^T(A^T)^kv=0 \quad\Longleftrightarrow\quad v^TA^kB=0. $$

Quindi \(\ker G_r(T)=\ker\mathcal R^T\): per Cayley–Hamilton è sufficiente considerare \(k=0,\ldots,n-1\). Ne segue

$$ G_r(T)>0\quad\Longleftrightarrow\quad\operatorname{rank}\mathcal R=n. $$

Se \(G_r(T)\) è invertibile, per raggiungere \(x_f\) da zero si sceglie

$$ u(\tau)=B^Te^{A^T(T-\tau)}G_r(T)^{-1}x_f. $$

Infatti

$$ \begin{aligned} x(T) &=\int_0^T e^{A(T-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau\\ &=\left[\int_0^T e^{A(T-\tau)}BB^Te^{A^T(T-\tau)}d\tau\right] G_r(T)^{-1}x_f\\ &=G_r(T)G_r(T)^{-1}x_f=x_f, \end{aligned} $$

dove nell’ultima uguaglianza si è posto \(\sigma=T-\tau\). Se il rango non è pieno, un vettore non nullo di \(\ker\mathcal R^T\) annulla ogni risposta forzata e impedisce la raggiungibilità completa.

Distinzione raggiungibilità–controllabilità in TD

Da uno stato iniziale generico,

$$ x_N=A^Nx_0+ \begin{bmatrix}A^{N-1}B&\cdots&B\end{bmatrix}U. $$

Portare ogni \(x_0\) a zero richiede e basta che

$$ \operatorname{Im}A^N\subseteq \operatorname{Im}\begin{bmatrix}B&AB&\cdots&A^{N-1}B\end{bmatrix} $$

per qualche \(N\). Se \(A\) è invertibile, \(\operatorname{Im}A^N=\mathbb R^n\), quindi controllabilità a zero e raggiungibilità completa coincidono. Se \(A\) è singolare possono differire: con \(A=0\), \(B=0\), ogni stato va spontaneamente a zero in un passo, ma dall’origine è raggiungibile soltanto l’origine.

Esempio svolto

Per il sistema TD

$$ A=\begin{bmatrix}0&1\\-2&-3\end{bmatrix}, \qquad B=\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}, $$

si ha

$$ AB=\begin{bmatrix}1\\-3\end{bmatrix}, \qquad \mathcal R=\begin{bmatrix}0&1\\1&-3\end{bmatrix}, \qquad \det\mathcal R=-1\ne0. $$

La coppia è completamente raggiungibile. Per raggiungere \(x_f=(2,-1)^T\) da zero in due passi,

$$ x_2=ABu_0+Bu_1 =\begin{bmatrix}u_0\\-3u_0+u_1\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}2\\-1\end{bmatrix}. $$

La prima riga dà \(u_0=2\), la seconda \(-6+u_1=-1\), dunque \(u_1=5\).

Direzioni generate dalla matrice di raggiungibilità I vettori B e AB indipendenti generano tutto il piano di stato. B AB span{B, AB} = piano x₁ x₂
In dimensione due, due colonne indipendenti \(B\) e \(AB\) generano l’intero spazio di stato.

Follow-up probabili

L’uscita \(C,D\) influisce sulla raggiungibilità?

No. La raggiungibilità dello stato dipende soltanto dalla coppia \((A,B)\); \(C,D\) intervengono nell’osservabilità e nel legame ingresso–uscita.

Che cosa rappresenta il rango non pieno?

La dimensione del sottospazio \(\mathcal X_r\) su cui l’ingresso può muovere lo stato. Le direzioni nel complemento non possono essere create partendo dall’origine.

Il tempo \(T\) cambia la raggiungibilità TC?

Per un sistema LTI e qualunque \(T>0\), il Gramiano ha lo stesso nucleo di \(\mathcal R^T\); quindi la proprietà non dipende dalla durata positiva scelta, in assenza di vincoli sull’ingresso.

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Domanda 8

Linearità dei sistemi con la proprietà di linearità

Inquadramento

La linearità consente di scomporre problemi complessi in contributi elementari e poi sommarli. In Teoria dei Sistemi la proprietà riguarda congiuntamente stato iniziale e ingresso, non soltanto il legame istantaneo fra ingresso e uscita.

Definizioni e ipotesi

Sia \(\phi(t,t_0,x_0,u)\) la funzione di transizione dello stato e sia \(\gamma(t,t_0,x_0,u)\) la corrispondente uscita. Il sistema è lineare se, per ogni \(x_{01},x_{02}\), ogni ingresso \(u_1,u_2\) e ogni \(\alpha,\beta\in\mathbb R\),

$$ \begin{aligned} \phi(t,t_0,\alpha x_{01}+\beta x_{02},\alpha u_1+\beta u_2) &=\alpha\phi(t,t_0,x_{01},u_1) +\beta\phi(t,t_0,x_{02},u_2),\\ \gamma(t,t_0,\alpha x_{01}+\beta x_{02},\alpha u_1+\beta u_2) &=\alpha\gamma(t,t_0,x_{01},u_1) +\beta\gamma(t,t_0,x_{02},u_2). \end{aligned} $$

Con \(\beta=0\) si ottiene l’omogeneità; con \(\alpha=\beta=1\), l’additività. Insieme costituiscono il principio di sovrapposizione degli effetti.

Enunciato

I sistemi

$$ \dot x=A(t)x+B(t)u,\qquad y=C(t)x+D(t)u $$

e

$$ x_{k+1}=A_kx_k+B_ku_k,\qquad y_k=C_kx_k+D_ku_k $$

sono lineari. La loro risposta si decompone in modo unico, per dati fissati, come

$$ x=x_\ell+x_f,\qquad y=y_\ell+y_f, $$

dove il pedice \(\ell\) indica l’evoluzione libera \((u=0)\) e il pedice \(f\) la risposta forzata \((x_0=0)\).

Dimostrazione completa della proprietà

Siano \(x_1,x_2\) le soluzioni TC associate a \((x_{01},u_1)\) e \((x_{02},u_2)\). Si definisca \(x=\alpha x_1+\beta x_2\). Allora

$$ \begin{aligned} \dot x &=\alpha\dot x_1+\beta\dot x_2\\ &=\alpha(Ax_1+Bu_1)+\beta(Ax_2+Bu_2)\\ &=A(\alpha x_1+\beta x_2)+B(\alpha u_1+\beta u_2)\\ &=Ax+B(\alpha u_1+\beta u_2), \end{aligned} $$

e la condizione iniziale è

$$ x(t_0)=\alpha x_{01}+\beta x_{02}. $$

Per unicità della soluzione, \(x\) coincide con la risposta alla coppia combinata. Inoltre

$$ \begin{aligned} y&=Cx+D(\alpha u_1+\beta u_2)\\ &=\alpha(Cx_1+Du_1)+\beta(Cx_2+Du_2) =\alpha y_1+\beta y_2. \end{aligned} $$

La prova TD è identica passo per passo: se \(x_k=\alpha x_{1,k}+\beta x_{2,k}\),

$$ x_{k+1}=A_kx_k+B_k(\alpha u_{1,k}+\beta u_{2,k}) =\alpha x_{1,k+1}+\beta x_{2,k+1}. $$

Per ottenere la decomposizione libera–forzata basta scrivere

$$ (x_0,u)=(x_0,0)+(0,u) $$

e applicare l’additività:

$$ \phi(t,t_0,x_0,u) =\phi(t,t_0,x_0,0)+\phi(t,t_0,0,u). $$

Esempio svolto: verifica esplicita

Si consideri

$$ \dot x=-2x+3u,\qquad y=x-u. $$

Per \((x_{01},u_1)=(0,1)\),

$$ x_1(t)=\frac32(1-e^{-2t}),\qquad y_1(t)=\frac12-\frac32e^{-2t}. $$

Per \((x_{02},u_2)=(2,0)\),

$$ x_2(t)=2e^{-2t},\qquad y_2(t)=2e^{-2t}. $$

Con \(\alpha=2\), \(\beta=-1\), la coppia combinata è

$$ x_0=2\cdot0-2=-2,\qquad u=2\cdot1-0=2. $$

La combinazione delle risposte fornisce

$$ x(t)=2x_1(t)-x_2(t)=3-5e^{-2t}, $$ $$ y(t)=2y_1(t)-y_2(t)=1-5e^{-2t}. $$

Calcolando direttamente con \(x_0=-2\), \(u=2\), si ottiene \(x(t)=3+(x_0-3)e^{-2t}=3-5e^{-2t}\) e \(y=x-2=1-5e^{-2t}\): la sovrapposizione è verificata.

Principio di sovrapposizione Due coppie stato iniziale e ingresso attraversano lo stesso sistema e le risposte si combinano linearmente. Sistema lineare A, B, C, D α(x₀₁, u₁) + β(x₀₂, u₂) αx₁ + βx₂ αy₁ + βy₂ risposta libera + risposta forzata
La combinazione lineare può essere effettuata prima o dopo il sistema: i due percorsi danno la stessa risposta.

Follow-up probabili

Un sistema affine è lineare?

No. Un termine costante rompe l’omogeneità. Può diventare lineare nelle variabili incrementali dopo la traslazione attorno a un equilibrio.

Un sistema lineare deve essere stazionario?

No. Le matrici possono dipendere dal tempo: il sistema resta lineare, ma non è tempo-invariante.

Perché occorre considerare anche lo stato iniziale?

Perché due esperimenti con lo stesso ingresso ma stati iniziali diversi hanno risposte diverse; la mappa dinamica completa ha come argomenti sia \(x_0\) sia la storia di \(u\).

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Domanda 9

Stazionarietà

Inquadramento

La stazionarietà, o invarianza temporale, significa che le leggi del sistema non cambiano al trascorrere del tempo. Spostando nel tempo lo stesso esperimento—stesso stato iniziale e ingresso traslato—si ottiene la medesima risposta traslata.

Definizioni e ipotesi

Per un ritardo \(\Delta\), si definisce l’operatore di traslazione

$$ (\mathcal S_\Delta u)(t)=u(t-\Delta). $$

Il sistema è stazionario se, per ogni \(\Delta\),

$$ \boxed{\; \phi(t+\Delta,t_0+\Delta,x_0,\mathcal S_\Delta u) =\phi(t,t_0,x_0,u) \;} $$

e la stessa relazione vale per l’uscita. Equivalentemente, se \(u(t)\mapsto y(t)\), allora \(u(t-\Delta)\mapsto y(t-\Delta)\), dopo aver traslato anche l’istante iniziale. Per sistemi autonomi o LTI, la dipendenza temporale compare soltanto tramite \(t-t_0\).

Enunciato

Il sistema lineare

$$ \dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du $$

con matrici costanti è stazionario. Analogamente, \(x_{k+1}=Ax_k+Bu_k\), \(y_k=Cx_k+Du_k\) è invariante rispetto a traslazioni intere dell’indice.

Dimostrazione completa

La soluzione TC dell’esperimento iniziato a \(t_0\) è

$$ x(t)=e^{A(t-t_0)}x_0+ \int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau. $$

Si ripeta l’esperimento a \(t_0+\Delta\) con \(u_\Delta(\sigma)=u(\sigma-\Delta)\). All’istante \(t+\Delta\),

$$ \begin{aligned} x_\Delta(t+\Delta) &=e^{A[(t+\Delta)-(t_0+\Delta)]}x_0\\ &\quad+\int_{t_0+\Delta}^{t+\Delta} e^{A(t+\Delta-\sigma)}B\,u(\sigma-\Delta)\,d\sigma. \end{aligned} $$

Nel primo termine le traslazioni si cancellano. Nel secondo si pone \(\tau=\sigma-\Delta\), ottenendo

$$ x_\Delta(t+\Delta)=e^{A(t-t_0)}x_0+ \int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau=x(t). $$

Inoltre

$$ y_\Delta(t+\Delta)=Cx_\Delta(t+\Delta)+Du_\Delta(t+\Delta) =Cx(t)+Du(t)=y(t). $$

Quindi il sistema è stazionario. In TD, la formula

$$ x_k=A^{k-k_0}x_{k_0} +\sum_{j=k_0}^{k-1}A^{k-1-j}Bu_j $$

rimane invariata sostituendo \(k,k_0,j\) con \(k+q,k_0+q,j+q\), per qualsiasi \(q\in\mathbb Z\).

Conseguenza: scelta dell’origine dei tempi

La stazionarietà consente di porre \(t_0=0\) senza perdere generalità. Si calcola una risposta in funzione del tempo trascorso \(\tau=t-t_0\) e poi la si riporta all’istante reale sostituendo \(\tau\) con \(t-t_0\). Questa proprietà è distinta dalla linearità: un sistema può essere non lineare ma stazionario, per esempio \(\dot x=-x^3+u\), oppure lineare ma non stazionario, per esempio \(\dot x=-t\,x+u\).

Esempio svolto e controesempio

Per \(\dot x=-2x+u\), \(y=x\), stato iniziale nullo e gradino unitario applicato a \(t_0\),

$$ y(t)=\frac12\left(1-e^{-2(t-t_0)}\right)1(t-t_0). $$

Spostando l’applicazione da \(t_0=0\) a \(t_0=3\), si ottiene semplicemente

$$ y_3(t)=\frac12\left(1-e^{-2(t-3)}\right)1(t-3)=y_0(t-3). $$

Il sistema statico \(y(t)=t\,u(t)\) non è invece stazionario: l’ingresso traslato produce \(t\,u(t-\Delta)\), mentre la risposta traslata sarebbe \((t-\Delta)u(t-\Delta)\); le due funzioni differiscono per \(\Delta u(t-\Delta)\).

Traslazione temporale di ingresso e risposta L’esperimento originale e quello ritardato hanno forme identiche. esperimento a t₀ u y traslazione Δ stesso esperimento a t₀ + Δ u traslato y traslata
In un sistema stazionario, traslare l’intero esperimento non ne modifica la forma.

Follow-up probabili

Stazionarietà e linearità sono la stessa proprietà?

No. La linearità riguarda combinazioni di ingressi e stati; la stazionarietà riguarda traslazioni nel tempo. Sono logicamente indipendenti.

Un sistema periodico è stazionario?

Non in generale: è invariante soltanto per traslazioni multiple del proprio periodo, non per ogni \(\Delta\).

Perché si deve traslare anche lo stato iniziale?

Per confrontare lo stesso esperimento fisico: medesimo valore iniziale, ma imposto all’istante traslato. Lasciare fisso \(t_0\) confronterebbe storie diverse.

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Domanda 10

Ricavare la risposta a regime di una funzione sinusoidale dal diagramma di Bode

Inquadramento

Il diagramma di Bode rende immediata l’applicazione del teorema della risposta armonica. Alla pulsazione dell’ingresso si leggono ordinata del modulo e fase; l’ordinata in decibel viene riconvertita in guadagno lineare e applicata all’ampiezza della sinusoide.

Definizioni e ipotesi

Si assume un sistema LTI reale e asintoticamente stabile, con funzione di trasferimento \(W(s)\), e un ingresso

$$ u(t)=U\sin(\omega_0t+\varphi). $$

I diagrammi riportano

$$ L(\omega)=20\log_{10}|W(j\omega)|\quad[\mathrm{dB}], \qquad \psi(\omega)=\arg W(j\omega). $$

Enunciato e giustificazione

Se dal diagramma, alla pulsazione \(\omega_0\), si leggono \(L_0=L(\omega_0)\) e \(\psi_0=\psi(\omega_0)\), allora

$$ M_0=|W(j\omega_0)|=10^{L_0/20} $$

e la risposta permanente è

$$ \boxed{\; y_r(t)=U\,10^{L_0/20} \sin(\omega_0t+\varphi+\psi_0). \;} $$

La sinusoide è la parte immaginaria del fasore \(Ue^{j\varphi}e^{j\omega_0t}\). Un sistema LTI moltiplica l’esponenziale complesso a regime per \(W(j\omega_0)\), quindi

$$ \begin{aligned} y_r(t) &=\operatorname{Im}\!\left\{ Ue^{j\varphi}W(j\omega_0)e^{j\omega_0t} \right\}\\ &=U|W(j\omega_0)| \sin(\omega_0t+\varphi+\arg W(j\omega_0)). \end{aligned} $$

Dalla definizione \(L_0=20\log_{10}|W(j\omega_0)|\), dividendo per \(20\) ed elevando \(10\) a entrambi i membri si ottiene \(|W(j\omega_0)|=10^{L_0/20}\). I modi naturali non compaiono nella formula perché l’asintotica stabilità li fa estinguere.

Dimostrazione della regola e procedura pratica di lettura

  1. Individuare la pulsazione \(\omega_0\) dell’ingresso sull’asse logaritmico.
  2. Tracciare idealmente la verticale fino al diagramma del modulo e leggere \(L_0\) in decibel.
  3. Convertire \(L_0\) in modulo lineare con \(M_0=10^{L_0/20}\).
  4. Sulla stessa verticale leggere la fase \(\psi_0\), mantenendo coerenti gradi o radianti.
  5. Calcolare l’ampiezza \(U M_0\) e sommare le fasi \(\varphi+\psi_0\).
  6. Mantenere invariata la pulsazione \(\omega_0\). Se l’ingresso è espresso con il coseno, si conserva il coseno oppure lo si converte coerentemente in seno.

Esempio numerico svolto

Si consideri

$$ W(s)=\frac{10}{1+s/2}, \qquad u(t)=3\sin(2t+20^\circ). $$

La pulsazione d’angolo è \(\omega_b=2\ \mathrm{rad/s}\), coincidente con \(\omega_0\). Dal Bode si leggono circa \(L_0=17.0\ \mathrm{dB}\) e \(\psi_0=-45^\circ\). Il valore esatto conferma:

$$ W(j2)=\frac{10}{1+j} =\frac{10}{\sqrt2}e^{-j45^\circ}. $$

La conversione del modulo dà

$$ M_0=10^{17/20}\approx7.079 \qquad \left(\text{esatto } \frac{10}{\sqrt2}\approx7.071\right). $$

Quindi

$$ \boxed{\; y_r(t)\approx21.21\sin(2t-25^\circ). \;} $$

Infatti l’ampiezza è \(3\cdot7.071=21.21\) e la fase è \(20^\circ-45^\circ=-25^\circ\).

Lettura della risposta armonica da un diagramma di Bode Alla pulsazione 2 radianti al secondo il modulo vale circa 17 decibel e la fase meno 45 gradi. L [dB] 20 10 0 −10 17 dB → M ≈ 7.07 curva esatta asintoto −20 dB/dec fase [°] 0 −45 −90 ψ = −45° ω₀ = 2 rad/s 0.1 1 10 100 ω
Esempio annotato: la stessa verticale a \(\omega_0=2\) fornisce modulo e fase necessari alla risposta permanente.

Follow-up probabili

Perché si divide per \(20\) e non per \(10\)?

Il Bode dell’ampiezza usa \(20\log_{10}|W|\); il fattore \(10\) si usa per rapporti di potenza.

Che cosa significa un modulo di \(-6\ \mathrm{dB}\)?

Un fattore lineare \(10^{-6/20}\approx0.501\): l’ampiezza viene circa dimezzata.

Una fase che differisce di \(360^\circ\) cambia la risposta?

No. Le fasi differiscono per multipli interi di \(360^\circ\) e descrivono la stessa sinusoide; è però utile scegliere una rappresentazione continua del diagramma.

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Domanda 11

Risposta a regime sinusoidale

Inquadramento

La risposta a regime sinusoidale è la componente permanente prodotta da un ingresso armonico dopo l’estinzione del transitorio. È una proprietà caratteristica dei sistemi LTI stabili: le sinusoidi mantengono la pulsazione e subiscono soltanto una variazione di ampiezza e fase.

Definizioni e ipotesi

Si considera un sistema LTI causale, reale e internamente asintoticamente stabile. Si separa la risposta impulsiva nel termine diretto \(D\delta(t)\) e nella parte dinamica ordinaria \(g(t)\), che è assolutamente integrabile. Pertanto

$$ W(j\omega)=D+\int_0^\infty g(\tau)e^{-j\omega\tau}\,d\tau. $$

Per

$$ u(t)=U\sin(\omega_0t+\varphi), $$

la risposta completa è \(y(t)=y_{\mathrm{tr}}(t)+y_r(t)\), con \(y_{\mathrm{tr}}(t)\to0\). Il regime è indipendente dallo stato iniziale proprio perché l’evoluzione libera si estingue.

Enunciato

Se \(W(j\omega_0)=M_0e^{j\psi_0}\), allora

$$ \boxed{\; y_r(t)=UM_0\sin(\omega_0t+\varphi+\psi_0). \;} $$

Condizioni essenziali sono: esistenza di \(W(j\omega_0)\), assenza di poli sull’asse immaginario e decadimento di tutti i modi interni che possono influire sull’uscita.

Dimostrazione completa mediante convoluzione

Si introduca l’ingresso complesso \(\tilde u(t)=Ue^{j\varphi}e^{j\omega_0t}\), la cui parte immaginaria è \(u(t)\). La risposta permanente complessa di un sistema causale comprende il contributo istantaneo e la convoluzione con la parte dinamica:

$$ \begin{aligned} \tilde y_r(t) &=D\tilde u(t)+\int_0^\infty g(\tau)\tilde u(t-\tau)\,d\tau\\ &=Ue^{j\varphi}e^{j\omega_0t} \left[D+\int_0^\infty g(\tau)e^{-j\omega_0\tau}\,d\tau\right]. \end{aligned} $$

L’integrale converge assolutamente per stabilità e la quantità tra parentesi è, per definizione, \(W(j\omega_0)\). Pertanto

$$ \tilde y_r(t)=Ue^{j\varphi}W(j\omega_0)e^{j\omega_0t} =UM_0e^{j(\omega_0t+\varphi+\psi_0)}. $$

Prendendo la parte immaginaria si ottiene la formula enunciata. Se l’ingresso viene applicato a un istante finito anziché provenire da \(-\infty\), manca inizialmente una parte della convoluzione; tale differenza è una combinazione dei modi naturali e tende a zero per asintotica stabilità.

Tempo continuo e tempo discreto

In TC la risposta armonica si valuta lungo \(s=j\omega\). In TD, se la risposta impulsiva \(w_h\) è assolutamente sommabile e \(u_k=U\sin(\Omega_0k+\varphi)\),

$$ \begin{aligned} \tilde y_{r,k} &=\sum_{h=0}^\infty w_h\,Ue^{j\varphi}e^{j\Omega_0(k-h)}\\ &=Ue^{j\varphi}e^{j\Omega_0k} \sum_{h=0}^\infty w_he^{-j\Omega_0h}\\ &=Ue^{j\varphi}W(e^{j\Omega_0})e^{j\Omega_0k}. \end{aligned} $$

Quindi

$$ y_{r,k}=U|W(e^{j\Omega_0})| \sin\!\bigl(\Omega_0k+\varphi+\arg W(e^{j\Omega_0})\bigr). $$

Esempio svolto

Siano

$$ W(s)=\frac{s+3}{s^2+2s+5}, \qquad u(t)=2\sin\!\left(2t-\frac{\pi}{6}\right). $$

I poli sono \(-1\pm j2\), quindi il sistema è asintoticamente stabile. Alla pulsazione \(\omega_0=2\),

$$ W(j2)=\frac{3+j2}{1+j4} =\frac{(3+j2)(1-j4)}{17} =\frac{11-j10}{17}. $$

Il modulo e la fase sono

$$ |W(j2)|=\sqrt{\frac{13}{17}}\approx0.8745, $$ $$ \arg W(j2)=\arctan\frac23-\arctan4 \approx-42.27^\circ. $$

Poiché \(-\pi/6=-30^\circ\),

$$ \boxed{\; y_r(t)\approx1.749\sin(2t-72.27^\circ). \;} $$
Sinusoide di ingresso e risposta a regime L’uscita ha la stessa pulsazione, ampiezza diversa e ritardo di fase. ritardo di fase ingresso uscita a regime t
La pulsazione resta invariata; ampiezza e fase sono determinate da \(W(j\omega_0)\).

Follow-up probabili

Perché la pulsazione non cambia?

Perché l’esponenziale complesso è un’autofunzione dei sistemi LTI: la convoluzione lo moltiplica per uno scalare complesso ma non ne modifica l’esponente.

Il regime dipende dallo stato iniziale?

Non in un sistema internamente asintoticamente stabile: le differenze dovute allo stato iniziale appartengono all’evoluzione libera e decadono.

Che cosa cambia in un sistema instabile?

I modi naturali non si estinguono; anche se si può formalmente calcolare \(W(j\omega_0)\), la risposta totale non converge in generale a una sinusoide permanente indipendente dallo stato iniziale.

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Domanda 12

Regione di asintotica stabilità (1 volta con teorema di LaSalle)

Inquadramento

Per un equilibrio non lineare localmente asintoticamente stabile, non tutti gli stati iniziali devono convergere a esso. La regione, o bacino, di attrazione raccoglie quelli che vi convergono; i sottolivelli di una funzione di Lyapunov forniscono stime interne certificate.

Definizioni e ipotesi

Per \(\dot x=f(x)\) e un equilibrio \(x_e\), la regione di asintotica stabilità è

$$ \mathcal A(x_e)= \left\{x_0: \begin{array}{l} \phi(t,x_0)\ \text{esiste per ogni }t\ge0,\\ \displaystyle\lim_{t\to\infty}\phi(t,x_0)=x_e \end{array}\right\}. $$

Se \(x_e\) è asintoticamente stabile, \(\mathcal A(x_e)\) contiene un intorno di \(x_e\). Un insieme \(\Omega\) è positivamente invariante se \(x_0\in\Omega\) implica \(\phi(t,x_0)\in\Omega\) per ogni \(t\ge0\).

Stima mediante sottolivelli

Sia \(V\) definita positiva rispetto a \(x_e\). Se, per un certo \(c>0\),

$$ \Omega_c=\{x:V(x)\le c\} $$

è compatto, contiene \(x_e\) nel proprio interno e soddisfa \(\dot V(x)<0\) per ogni \(x\in\Omega_c\setminus\{x_e\}\), allora

$$ \Omega_c\subset\mathcal A(x_e). $$

Poiché \(\dot V\le0\), lungo ogni traiettoria partita in \(\Omega_c\) vale \(V(x(t))\le V(x_0)\le c\): il sottolivello è positivamente invariante. Essendo compatto, la soluzione non può fuggire in tempo finito. La dimostrazione del teorema di Lyapunov applicata all’anello compatto \(\Omega_c\setminus B_r(x_e)\) mostra che la traiettoria entra in ogni \(B_r(x_e)\), quindi converge a \(x_e\). Ogni punto di \(\Omega_c\) appartiene pertanto al bacino.

In pratica si aumenta \(c\) finché \(\Omega_c\) resta contenuto nella regione in cui il segno di \(\dot V\) è certificato e non include altri equilibri. La stima è interna: può essere strettamente più piccola del bacino reale.

Enunciato del principio di invarianza di LaSalle

Sia \(\Omega\) compatto e positivamente invariante e sia \(V\in C^1(\Omega)\) tale che \(\dot V\le0\) in \(\Omega\). Si definiscano

$$ E=\{x\in\Omega:\dot V(x)=0\}, \qquad M=\text{massimo sottoinsieme invariante contenuto in }E. $$

Ogni traiettoria che parte in \(\Omega\) tende a \(M\):

$$ \lim_{t\to\infty}\operatorname{dist}(x(t),M)=0. $$

In particolare, se \(M=\{x_e\}\), ogni traiettoria in \(\Omega\) converge a \(x_e\). Se \(V\) è anche definita positiva rispetto a \(x_e\), si ottiene asintotica stabilità e \(\Omega\subset\mathcal A(x_e)\).

Dimostrazione completa di LaSalle

Lungo una traiettoria in \(\Omega\), \(V(x(t))\) è non crescente. Essendo \(V\) continua sul compatto \(\Omega\), è limitata inferiormente; esiste quindi

$$ \ell=\lim_{t\to\infty}V(x(t)). $$

Il compatto \(\Omega\) rende la traiettoria precompatta. Il suo insieme \(\omega\)-limite

$$ L_\omega(x_0)= \{p:\exists\,t_n\to\infty,\ x(t_n)\to p\} $$

è non vuoto, compatto e invariante. Se \(p\in L_\omega(x_0)\), per continuità

$$ V(p)=\lim_{n\to\infty}V(x(t_n))=\ell. $$

Per ogni \(\tau\ge0\), la dipendenza continua dalle condizioni iniziali dà

$$ \phi(\tau,p) =\lim_{n\to\infty}\phi(\tau,x(t_n)) =\lim_{n\to\infty}x(t_n+\tau). $$

Quindi \(V(\phi(\tau,p))=\ell\) per ogni \(\tau\), e derivando lungo questa traiettoria si ottiene \(\dot V(\phi(\tau,p))=0\). Ne segue che \(L_\omega(x_0)\subset E\). Poiché \(L_\omega(x_0)\) è invariante, è contenuto nel massimo insieme invariante \(M\subset E\).

Infine \(\operatorname{dist}(x(t),L_\omega(x_0))\to0\). Se così non fosse, esisterebbero \(\varepsilon>0\) e \(t_n\to\infty\) con distanza almeno \(\varepsilon\); per compattezza una sottosuccessione di \(x(t_n)\) convergerebbe a un punto di \(L_\omega(x_0)\), contraddicendo tale distanza. Essendo \(L_\omega(x_0)\subset M\), si conclude \(\operatorname{dist}(x(t),M)\to0\).

Versione a tempo discreto

Per \(x_{k+1}=f(x_k)\), si sostituisce \(\dot V\) con \(\Delta V(x)=V(f(x))-V(x)\). Se \(\Omega\) è compatto e positivamente invariante, \(\Delta V\le0\), ed \(M\) è il massimo insieme invariante contenuto in \(E=\{\Delta V=0\}\), allora \(\operatorname{dist}(x_k,M)\to0\). La prova usa la successione monotona \(V(x_k)\), sottosuccessioni convergenti nel compatto e l’invarianza dell’insieme limite.

Esempio svolto: stima del bacino del pendolo smorzato

Per il pendolo non forzato con \(b>0\),

$$ \dot\theta=\omega,\qquad \dot\omega=-\frac g\ell\sin\theta-\frac{b}{m\ell^2}\omega, $$

si scelga l’energia rispetto all’equilibrio inferiore:

$$ V(\theta,\omega)=\frac12m\ell^2\omega^2+mg\ell(1-\cos\theta). $$

Il calcolo completo è

$$ \begin{aligned} \dot V &=m\ell^2\omega\dot\omega+mg\ell\sin\theta\,\dot\theta\\ &=m\ell^2\omega\left( -\frac g\ell\sin\theta-\frac{b}{m\ell^2}\omega \right)+mg\ell\sin\theta\,\omega\\ &=-b\omega^2\le0. \end{aligned} $$

Sullo spazio cilindrico dell’angolo, si scelga

$$ \Omega_c=\{(\theta,\omega):V(\theta,\omega)\le c\}, \qquad 0<c<2mg\ell. $$

Il valore \(2mg\ell\) è l’energia dell’equilibrio capovolto \((\pi,0)\); dunque \(\Omega_c\) è compatto, invariante e non contiene tale equilibrio. L’insieme in cui \(\dot V=0\) è \(E=\{\omega=0\}\). Perché una traiettoria resti in \(E\), deve valere anche

$$ \dot\omega=-\frac g\ell\sin\theta=0. $$

Nell’insieme \(\Omega_c\) l’unica possibilità è \(\theta=0\); i punti \(\theta=\pm\pi\) sono esclusi dalla soglia energetica. Il massimo insieme invariante è quindi \(M=\{(0,0)\}\). Per LaSalle,

$$ \Omega_c\subset\mathcal A(0,0) \qquad\text{per ogni }0<c<2mg\ell. $$

L’unione dei sottolivelli \(V<2mg\ell\) è una stima interna del bacino; può non essere la stima massima, perché anche traiettorie con energia iniziale maggiore possono dissipare energia e infine convergere.

Stima del bacino del pendolo mediante livelli di energia Livelli chiusi sotto la separatrice energetica e traiettoria smorzata verso l’origine. θ ω −π π soglia V = 2mgℓ sottolivelli Ωc certificati traiettoria dissipativa
I livelli con \(c<2mg\ell\) escludono l’equilibrio capovolto; LaSalle forza la convergenza all’equilibrio inferiore.

Follow-up probabili

Perché non basta porre \(\dot V=0\) e concludere?

LaSalle richiede il massimo sottoinsieme invariante di tale insieme. Molti punti con \(\dot V=0\) lo lasciano immediatamente e non possono essere limiti delle traiettorie.

La stima con i sottolivelli è sempre esatta?

No. È una certificazione sufficiente che dipende dalla funzione scelta; una funzione migliore o un’analisi diversa può produrre una regione più ampia.

Qual è la differenza fra bacino locale e globale?

L’equilibrio è globalmente asintoticamente stabile se il suo bacino coincide con tutto lo spazio di stato; altrimenti l’asintotica stabilità è soltanto locale.

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Domanda 13

Risposta al gradino a tempo discreto

Inquadramento

La risposta al gradino TD descrive l’evoluzione causata da un ingresso costante applicato da un certo campione in poi. Si può calcolare nel tempo con la formula di Lagrange oppure nel dominio \(z\); il valore finale dipende dal guadagno statico e richiede stabilità di Schur.

Definizioni e ipotesi

Si usa la trasformata Zeta unilatera

$$ Y(z)=\mathcal Z\{y_k\}=\sum_{k=0}^{\infty}y_kz^{-k}. $$

Il gradino di ampiezza \(\bar u\) è \(u_k=\bar u\,1_k\), con \(1_k=1\) per \(k\ge0\), e

$$ U(z)=\bar u\sum_{k=0}^\infty z^{-k} =\bar u\,\frac{1}{1-z^{-1}} =\bar u\,\frac{z}{z-1}. $$

Il sistema è \(x_{k+1}=Ax_k+Bu_k\), \(y_k=Cx_k+Du_k\). Per l’esistenza di un regime indipendente da \(x_0\), \(A\) è Schur: \(\rho(A)<1\).

Enunciato nel tempo

Per un gradino applicato da \(k=0\),

$$ x_k=A^kx_0+\sum_{h=0}^{k-1}A^hB\bar u. $$

Se \(I-A\) è invertibile,

$$ \boxed{\; x_k=A^kx_0+(I-A^k)(I-A)^{-1}B\bar u. \;} $$

Se \(A\) è Schur,

$$ \boxed{\; x_\infty=(I-A)^{-1}B\bar u,\qquad y_\infty=\bigl[C(I-A)^{-1}B+D\bigr]\bar u=W(1)\bar u. \;} $$

Dimostrazione e derivazione completa

Dalla formula di Lagrange,

$$ x_k=A^kx_0+ \sum_{j=0}^{k-1}A^{k-1-j}B\bar u. $$

Con \(h=k-1-j\), gli indici percorrono \(0,\ldots,k-1\), quindi

$$ x_k=A^kx_0+\left(\sum_{h=0}^{k-1}A^h\right)B\bar u. $$

La somma geometrica matriciale soddisfa

$$ (I-A)\sum_{h=0}^{k-1}A^h=I-A^k. $$

Se \(I-A\) è invertibile, \(\sum_{h=0}^{k-1}A^h=(I-A)^{-1}(I-A^k)\); i fattori commutano perché sono polinomi in \(A\). Se \(A\) è Schur, \(A^k\to0\), da cui le formule del valore finale. Inoltre

$$ W(z)=C(zI-A)^{-1}B+D $$

e, valutando in \(z=1\), si ritrova \(W(1)=C(I-A)^{-1}B+D\).

Il transitorio è formato dai modi di \(A^k\): per blocchi di Jordan compaiono termini del tipo \(k^h\lambda^k\), che decadono se \(|\lambda|<1\).

Teorema del valore finale in \(z\)

Con la convenzione \(Y(z)=\sum_{k\ge0}y_kz^{-k}\), se tutti i poli di \((1-z^{-1})Y(z)\) sono strettamente interni al cerchio unitario, allora

$$ \boxed{\; \lim_{k\to\infty}y_k =\lim_{z\to1}(1-z^{-1})Y(z) =\lim_{z\to1}\frac{z-1}{z}Y(z). \;} $$

Si calcola

$$ (1-z^{-1})Y(z) =y_0+\sum_{k=1}^\infty(y_k-y_{k-1})z^{-k}. $$

Sotto l’ipotesi sui poli, le differenze sono combinazioni di modi decadenti e la serie è assolutamente convergente in \(z=1\). Ponendo \(z=1\), la somma telescopica dà

$$ y_0+\sum_{k=1}^\infty(y_k-y_{k-1}) =\lim_{N\to\infty}y_N. $$

Per condizioni iniziali nulle e ingresso a gradino, \(Y(z)=W(z)\bar u\,z/(z-1)\); pertanto

$$ y_\infty =\lim_{z\to1}\frac{z-1}{z} W(z)\bar u\,\frac{z}{z-1} =W(1)\bar u. $$

Esempio svolto

Si consideri

$$ x_{k+1}=\frac12x_k+u_k,\qquad y_k=x_k,\qquad x_0=0,\qquad u_k=2\,1_k. $$

Nel tempo,

$$ x_k=2\sum_{h=0}^{k-1}\left(\frac12\right)^h =4\left[1-\left(\frac12\right)^k\right]. $$

Nel dominio \(z\),

$$ W(z)=\frac{1}{z-\frac12},\qquad Y(z)=\frac{2z}{(z-1)(z-\frac12)} =4\frac{z}{z-1}-4\frac{z}{z-\frac12}. $$

L’antitrasformata è proprio \(y_k=4-4(1/2)^k\). Il valore finale è

$$ \lim_{z\to1}\frac{z-1}{z}Y(z) =\lim_{z\to1}\frac{2}{z-\frac12}=4, $$

coerente con \(x_\infty=(1-\frac12)^{-1}2=4\).

Risposta discreta a un gradino Campioni che convergono esponenzialmente al valore finale quattro. valore finale 4 k yₖ 1 3 5 7
Il transitorio \(-4(1/2)^k\) si estingue e i campioni tendono a \(W(1)\bar u=4\).

Follow-up probabili

Qual è la condizione corretta per il valore finale?

I poli di \((1-z^{-1})Y(z)\) devono essere interni al cerchio unitario; un polo non cancellato sulla o fuori dalla circonferenza impedisce la convergenza.

Perché compare \(W(1)\) e non \(W(0)\)?

In TD una costante corrisponde alla frequenza \(z=1\); in TC la frequenza nulla corrisponde invece a \(s=0\).

Che cosa succede se \(A\) ha un autovalore uguale a uno?

\(I-A\) è singolare e un gradino può produrre crescita non limitata, tipicamente una rampa; il valore finale non esiste salvo cancellazioni o direzioni non eccitate.

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Domanda 14

Risposta al gradino a tempo continuo

Inquadramento

La risposta al gradino TC, o risposta indiciale, è uno strumento fondamentale per valutare guadagno statico e dinamica transitoria. Nel dominio di Laplace si ottiene moltiplicando \(W(s)\) per \(1/s\); nel dominio dello stato è la risposta a un ingresso costante.

Definizioni e ipotesi

Si considera

$$ \dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du, \qquad u(t)=\bar u\,1(t). $$

La funzione di trasferimento è \(W(s)=C(sI-A)^{-1}B+D\). Il valore finale è indipendente dallo stato iniziale se \(A\) è Hurwitz. Un termine \(D\ne0\) produce un salto istantaneo \(D\bar u\) nell’uscita.

Enunciato nel dominio dello stato

Per \(t\ge0\),

$$ x(t)=e^{At}x_0+\int_0^t e^{A(t-\tau)}B\bar u\,d\tau. $$

Se \(A\) è invertibile,

$$ \boxed{\; x(t)=-A^{-1}B\bar u+ e^{At}\bigl(x_0+A^{-1}B\bar u\bigr). \;} $$

Se \(A\) è Hurwitz,

$$ \boxed{\; x_\infty=-A^{-1}B\bar u,\qquad y_\infty=(-CA^{-1}B+D)\bar u=W(0)\bar u. \;} $$

Dimostrazione e derivazione completa

La variazione delle costanti dà la prima formula. Con \(\sigma=t-\tau\),

$$ \int_0^t e^{A(t-\tau)}B\bar u\,d\tau =\left(\int_0^t e^{A\sigma}\,d\sigma\right)B\bar u. $$

Se \(A\) è invertibile,

$$ \int_0^t e^{A\sigma}\,d\sigma=A^{-1}(e^{At}-I). $$

Pertanto

$$ \begin{aligned} x(t) &=e^{At}x_0+A^{-1}(e^{At}-I)B\bar u\\ &=-A^{-1}B\bar u+e^{At}(x_0+A^{-1}B\bar u). \end{aligned} $$

Il primo termine è il nuovo equilibrio; il secondo è il transitorio. Se \(A\) è Hurwitz, \(e^{At}\to0\). Sostituendo in \(y=Cx+D\bar u\) si ottiene il valore finale. Inoltre

$$ W(0)=C(0I-A)^{-1}B+D=-CA^{-1}B+D. $$

Teorema del valore finale in Laplace

Se tutti i poli di \(sY(s)\) sono nel semipiano sinistro aperto, allora

$$ \boxed{\; \lim_{t\to\infty}y(t)=\lim_{s\to0}sY(s). \;} $$

Con condizioni iniziali nulle e gradino, \(Y(s)=W(s)\bar u/s\), quindi \(y_\infty=W(0)\bar u\).

Dalla proprietà della trasformata della derivata,

$$ \mathcal L\{\dot y\}=sY(s)-y(0^+). $$

L’ipotesi sui poli garantisce che i modi della derivata siano integrabili e che \(y(t)\) abbia limite finito. Facendo \(s\to0^+\),

$$ \lim_{s\to0}\bigl[sY(s)-y(0^+)\bigr] =\int_0^\infty\dot y(t)\,dt =y(\infty)-y(0^+). $$

Sommando \(y(0^+)\) si ottiene il teorema. Se \(sY(s)\) avesse un polo con parte reale non negativa, comparirebbe un modo non decadente e il passaggio non sarebbe valido.

Esempio svolto da una \(W(s)\) assegnata

Per

$$ W(s)=\frac{4}{(s+2)^2}, \qquad u(t)=1(t), $$

si ha

$$ Y(s)=\frac{4}{s(s+2)^2}. $$

La scomposizione in fratti semplici è

$$ \frac{4}{s(s+2)^2} =\frac1s-\frac1{s+2}-\frac{2}{(s+2)^2}. $$

Antitrasformando,

$$ \boxed{\; y(t)=\bigl[1-e^{-2t}-2te^{-2t}\bigr]1(t) =\bigl[1-(1+2t)e^{-2t}\bigr]1(t). \;} $$

Il valore iniziale è \(y(0^+)=0\), mentre

$$ y_\infty=\lim_{s\to0}sY(s) =\lim_{s\to0}\frac{4}{(s+2)^2}=1=W(0). $$

I termini \(e^{-2t}\) e \(te^{-2t}\) costituiscono il transitorio associato al polo doppio in \(-2\).

Risposta continua a un gradino con polo doppio Curva monotona con pendenza iniziale nulla che converge al valore uno. y∞ = 1 pendenza iniziale nulla t y(t) 1 − (1 + 2t)e⁻²ᵗ
Il polo doppio genera il termine \(te^{-2t}\); entrambi i modi transitori decadono e resta il guadagno statico.

Follow-up probabili

Che cosa determina il valore finale?

Il guadagno statico \(W(0)\) moltiplicato per l’ampiezza del gradino, purché il sistema sia stabile e il teorema del valore finale sia applicabile.

Quando l’uscita può saltare in \(t=0\)?

Quando esiste un accoppiamento diretto \(D\ne0\), equivalente a una funzione di trasferimento con grado relativo zero; il salto vale \(D\bar u\).

Se \(A\) è singolare si può ancora calcolare la risposta?

Sì, usando direttamente \(\int_0^t e^{A\sigma}B\,d\sigma\). Tuttavia un autovalore nullo può impedire un valore finale finito sotto ingresso costante.

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Domanda 15

Risposta a regime di un segnale sinusoidale a partire dal teorema della risposta armonica

Inquadramento

Questa domanda richiede di usare operativamente il teorema della risposta armonica: si valuta la funzione di trasferimento alla pulsazione assegnata, si separano modulo e argomento e si applicano direttamente alla sinusoide. Non occorre calcolare l’intero transitorio per conoscere il regime.

Definizioni e ipotesi

Il sistema è LTI reale, proprio e asintoticamente stabile. Per un ingresso sinusoidale persistente

$$ u(t)=U\sin(\omega_0t+\varphi) $$

si scrive \(W(j\omega_0)=M_0e^{j\psi_0}\). Se si usa il coseno, la formula mantiene il coseno con la stessa regola di ampiezza e fase.

Enunciato del teorema della risposta armonica

La risposta permanente è

$$ \boxed{\; y_r(t)=UM_0\sin(\omega_0t+\varphi+\psi_0), \quad M_0=|W(j\omega_0)|,\quad \psi_0=\arg W(j\omega_0). \;} $$

Equivalentemente, per \(u(t)=U\cos(\omega_0t+\varphi)\),

$$ y_r(t)=UM_0\cos(\omega_0t+\varphi+\psi_0). $$

Dimostrazione operativa e procedura applicativa

Con il coseno si usa la parte reale:

$$ u(t)=\operatorname{Re}\{Ue^{j\varphi}e^{j\omega_0t}\}. $$

La convoluzione di un sistema LTI stabile moltiplica \(e^{j\omega_0t}\) per \(W(j\omega_0)\), quindi

$$ \begin{aligned} y_r(t) &=\operatorname{Re}\{ Ue^{j\varphi}W(j\omega_0)e^{j\omega_0t}\}\\ &=\operatorname{Re}\{ UM_0e^{j(\omega_0t+\varphi+\psi_0)}\}\\ &=UM_0\cos(\omega_0t+\varphi+\psi_0). \end{aligned} $$

La procedura è dunque:

  1. estrarre \(U,\omega_0,\varphi\) dall’ingresso;
  2. calcolare \(W(j\omega_0)\);
  3. ricavarne \(M_0\) e \(\psi_0\), prestando attenzione al quadrante;
  4. moltiplicare \(U\) per \(M_0\), sommare \(\varphi+\psi_0\) e lasciare invariata \(\omega_0\);
  5. verificare prima che i poli del sistema rendano il transitorio decadente.

Tempo continuo e tempo discreto

In TC si valuta \(W(s)\) in \(s=j\omega_0\). In TD, per \(u_k=U\sin(\Omega_0k+\varphi)\) e poli dentro il disco unitario, si valuta invece \(W(z)\) in \(z=e^{j\Omega_0}\):

$$ y_{r,k}=U|W(e^{j\Omega_0})| \sin\!\bigl(\Omega_0k+\varphi+\arg W(e^{j\Omega_0})\bigr). $$

La pulsazione TD è definita modulo \(2\pi\).

Esempio svolto completo

Siano

$$ W(s)=\frac{5}{s+2}, \qquad u(t)=4\cos\!\left(3t-\frac{\pi}{6}\right). $$

Il polo è \(-2\), quindi il sistema è asintoticamente stabile. Alla pulsazione \(\omega_0=3\),

$$ W(j3)=\frac{5}{2+j3} =\frac{10-j15}{13} =\frac{5}{\sqrt{13}}e^{-j\arctan(3/2)}. $$

Quindi

$$ M_0=\frac5{\sqrt{13}}\approx1.3868, \qquad \psi_0=-\arctan\frac32\approx-56.31^\circ. $$

L’ampiezza e la fase d’uscita sono

$$ UM_0=\frac{20}{\sqrt{13}}\approx5.547, \qquad -30^\circ-56.31^\circ=-86.31^\circ. $$

Pertanto

$$ \boxed{\; y_r(t)\approx5.547\cos(3t-86.31^\circ). \;} $$

Se la sinusoide viene inserita in \(t=0\) e \(y(0)=0\), la risposta completa contiene anche \(ce^{-2t}\). Poiché

$$ y_r(0) =\operatorname{Re}\!\left\{ 4e^{-j\pi/6}W(j3)\right\} =\frac{20\sqrt3-30}{13}\approx0.357, $$

si deve scegliere \(c=-0.357\). Dunque \(y(t)=y_r(t)-0.357e^{-2t}\), e il secondo termine scompare a regime.

Applicazione fasoriale del teorema della risposta armonica Il fasore di ingresso viene moltiplicato per la risposta armonica ottenendo il fasore di uscita. U∠φ = 4∠−30° W(j3)∠−56.31° moltiplicazione Y = 5.547∠−86.31°
La fase d’uscita è la somma delle fasi e il modulo è il prodotto dei moduli.

Follow-up probabili

Si deve trasformare il coseno in seno?

Non è necessario: il teorema vale nella stessa forma per il coseno. Se si converte, bisogna aggiungere coerentemente \(\pi/2\) alla fase.

Come si sceglie il quadrante della fase?

Si usa l’argomento del numero complesso completo, idealmente la funzione a due argomenti, non il solo arcotangente del rapporto fra parte immaginaria e reale.

Perché il termine \(e^{-2t}\) non compare nella risposta a regime?

È il modo naturale associato al polo del sistema; ha parte reale negativa e si estingue, mentre la componente forzata sinusoidale persiste.

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Domanda 16

Polinomio minimo

Inquadramento

Il polinomio minimo è il polinomio monico di grado più basso che annulla una matrice. Contiene tutti gli autovalori, ma registra per ciascuno soltanto la massima lunghezza delle catene di Jordan; per questo può avere grado minore del polinomio caratteristico senza eliminare alcuna dinamica distinta.

Definizioni e ipotesi

Per \(A\in\mathbb C^{n\times n}\), il polinomio caratteristico è

$$ p_A(\lambda)=\det(\lambda I-A). $$

Un polinomio \(q\) è annullatore di \(A\) se \(q(A)=0\). Il polinomio minimo \(m_A\) è l’unico polinomio monico annullatore di grado minimo positivo:

$$ \boxed{\;m_A(A)=0,\qquad \deg m_A=\min\{\deg q:q\ne0,\ q(A)=0\}.\;} $$

Enunciato delle proprietà fondamentali

  1. \(m_A\) è unico e divide ogni polinomio annullatore di \(A\).
  2. Per Cayley–Hamilton, \(m_A\mid p_A\).
  3. \(m_A\) e \(p_A\) hanno le stesse radici distinte, cioè tutti e soli gli autovalori di \(A\).
  4. Se i blocchi di Jordan relativi a \(\lambda_i\) hanno dimensioni \(r_{i1},\ldots,r_{ig_i}\), allora $$ m_A(\lambda)=\prod_i(\lambda-\lambda_i)^{\nu_i}, \qquad \nu_i=\max_j r_{ij}. $$

Dimostrazione completa delle proprietà

Unicità. Se \(m_1,m_2\) fossero due polinomi minimi monici, avrebbero lo stesso grado minimo. Il polinomio \(m_1-m_2\) avrebbe grado strettamente minore, perché i termini direttivi si cancellano, e

$$ (m_1-m_2)(A)=m_1(A)-m_2(A)=0. $$

Per minimalità deve essere il polinomio nullo, dunque \(m_1=m_2\).

Divisibilità di ogni annullatore. Sia \(q(A)=0\). La divisione euclidea dà

$$ q(\lambda)=a(\lambda)m_A(\lambda)+r(\lambda), \qquad \deg r<\deg m_A. $$

Valutando in \(A\),

$$ 0=q(A)=a(A)m_A(A)+r(A)=r(A). $$

Se \(r\ne0\), sarebbe un annullatore di grado minore di \(m_A\), assurdo. Quindi \(r=0\) e \(m_A\mid q\). Il teorema di Cayley–Hamilton afferma \(p_A(A)=0\); applicando quanto appena provato a \(q=p_A\), segue \(m_A\mid p_A\).

Uguaglianza dell’insieme delle radici. Dalla divisibilità, ogni radice di \(m_A\) è radice di \(p_A\), quindi è un autovalore. Viceversa, se \(Av=\lambda_i v\) con \(v\ne0\), allora per ogni potenza \(A^kv=\lambda_i^kv\), e quindi

$$ 0=m_A(A)v=m_A(\lambda_i)v. $$

Poiché \(v\ne0\), \(m_A(\lambda_i)=0\). Ogni autovalore è dunque radice del minimo.

Esponenti e blocchi di Jordan. Su un blocco \(J_r(\lambda_i)=\lambda_iI+N\), con \(N^r=0\) e \(N^{r-1}\ne0\),

$$ (J_r(\lambda_i)-\lambda_iI)^h=N^h. $$

Per annullare il blocco occorre quindi un fattore \((\lambda-\lambda_i)^h\) con \(h\ge r\). I fattori relativi agli altri autovalori sono invertibili su questo blocco e non possono sostituirlo. Per annullare simultaneamente tutti i blocchi relativi a \(\lambda_i\) serve e basta l’esponente massimo \(\nu_i=\max_jr_{ij}\). Moltiplicando tali fattori per tutti gli autovalori si ottiene esattamente la formula enunciata.

Come si calcola

  1. Si calcola \(p_A\) e si determinano gli autovalori.
  2. Per ciascun \(\lambda_i\), si trova l’indice $$ \nu_i=\min\{h\ge1: \ker(A-\lambda_iI)^h=\ker(A-\lambda_iI)^{h+1}\}. $$ Esso coincide con la dimensione del blocco di Jordan più grande.
  3. Si forma \(m_A(\lambda)=\prod_i(\lambda-\lambda_i)^{\nu_i}\).

In alternativa, senza calcolare Jordan, si cerca la prima dipendenza lineare tra \(I,A,A^2,\ldots\): il primo \(r\) per cui

$$ A^r+c_{r-1}A^{r-1}+\cdots+c_0I=0 $$

fornisce \(m_A(\lambda)=\lambda^r+c_{r-1}\lambda^{r-1}+\cdots+c_0\).

Esempio svolto

Si consideri

$$ A= \begin{bmatrix} 2&1&0&0\\ 0&2&0&0\\ 0&0&-1&0\\ 0&0&0&-1 \end{bmatrix} =\operatorname{diag}\!\bigl(J_2(2),-1,-1\bigr). $$

Il polinomio caratteristico conta tutte le molteplicità algebriche:

$$ p_A(\lambda)=(\lambda-2)^2(\lambda+1)^2. $$

Per \(\lambda=2\) il blocco massimo ha dimensione \(2\), mentre per \(\lambda=-1\) i due blocchi hanno entrambi dimensione \(1\). Quindi

$$ \boxed{\;m_A(\lambda)=(\lambda-2)^2(\lambda+1).\;} $$

La verifica è blocco per blocco:

$$ m_A(A)=(A-2I)^2(A+I)=0. $$

Non si può ridurre l’esponente di \(\lambda-2\), perché sul blocco \(J_2(2)=2I+N\),

$$ (J_2(2)-2I)(J_2(2)+I) =N(3I+N)=3N\ne0. $$

Non si può eliminare \(\lambda+1\), perché sui blocchi \(-I\), \((A-2I)^2=9I\ne0\). Il minimo ha grado \(3\), minore del grado \(4\) del caratteristico, ma conserva entrambe le radici \(2\) e \(-1\).

Significato per tempo continuo e tempo discreto

Il polinomio minimo appartiene alla matrice \(A\), indipendentemente dal fatto che essa generi \(\dot x=Ax\) o \(x_{k+1}=Ax_k\). Permette di ridurre ogni potenza di \(A\) a combinazione di \(I,A,\ldots,A^{r-1}\), con \(r=\deg m_A\). Gli esponenti \(\nu_i\) determinano i modi generalizzati: in TC \(t^he^{\lambda_it}\), in TD \(\binom{k}{h}\lambda_i^{k-h}\), con \(0\le h<\nu_i\).

Blocchi di Jordan e polinomio minimo Un blocco due per due per l’autovalore due e due blocchi semplici per meno uno. autovalore 2 J₂(2) catena di lunghezza 2 fattore (λ − 2)² autovalore −1 J₁(−1) J₁(−1) massima catena: 1 fattore (λ + 1), non al quadrato mA = (λ − 2)²(λ + 1)
Il caratteristico conta tutti i blocchi; il minimo usa, per ogni autovalore, soltanto la dimensione del blocco più grande.

Follow-up probabili

Quando minimo e caratteristico coincidono?

Quando, per ogni autovalore, il blocco di Jordan più grande ha dimensione pari alla sua molteplicità algebrica; equivalentemente vi è un solo blocco di Jordan per ciascun autovalore.

Se \(A\) è diagonalizzabile, qual è il minimo?

È il prodotto dei fattori lineari distinti \(\prod_i(\lambda-\lambda_i)\), perché tutti i blocchi di Jordan hanno dimensione uno.

Il polinomio minimo può perdere un autovalore?

No. Se \(Av=\lambda v\), allora \(m_A(A)v=m_A(\lambda)v=0\); poiché \(v\ne0\), ogni autovalore deve essere radice del minimo.

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Domanda 17

Come fare la matrice aggiunta

Inquadramento

La matrice aggiunta, o aggiunta classica (in inglese adjugate), consente di esprimere l’inversa di una matrice mediante determinante e cofattori. In Teoria dei Sistemi compare soprattutto nella risolvente \((sI-A)^{-1}\), dalla quale si ricavano matrice di transizione e funzione di trasferimento. Non va confusa con l’aggiunto hermitiano \(A^*\), che è la trasposta coniugata.

Definizioni e ipotesi

Sia \(M=(m_{ij})\in\mathbb K^{n\times n}\), con \(\mathbb K=\mathbb R\) oppure \(\mathbb C\). Si definiscono:

  • il minore \(M_{ij}\), ottenuto cancellando da \(M\) la riga \(i\) e la colonna \(j\);
  • il cofattore \(C_{ij}=(-1)^{i+j}\det M_{ij}\);
  • la matrice dei cofattori \(C(M)=(C_{ij})\);
  • la matrice aggiunta \(\operatorname{adj}M=C(M)^T\), cioè \((\operatorname{adj}M)_{ij}=C_{ji}\).

La scacchiera dei segni dei cofattori è

$$ \begin{bmatrix}+&-&+&\cdots\\-&+&-&\cdots\\+&-&+&\cdots\\\vdots&\vdots&\vdots&\ddots\end{bmatrix}. $$

Enunciato

Per ogni matrice quadrata \(M\) vale

$$M\operatorname{adj}M=\operatorname{adj}M\,M=(\det M)I_n.$$

Quindi \(M\) è invertibile se e solo se \(\det M\neq0\), e in tal caso

$$M^{-1}=\frac{\operatorname{adj}M}{\det M}.$$

Dimostrazione completa

L’elemento \((i,j)\) del prodotto \(M\operatorname{adj}M\) è

$$ (M\operatorname{adj}M)_{ij}=\sum_{k=1}^n m_{ik}(\operatorname{adj}M)_{kj} =\sum_{k=1}^n m_{ik}C_{jk}. $$

Se \(i=j\), la somma è lo sviluppo di Laplace del determinante di \(M\) lungo la riga \(j\), dunque vale \(\det M\). Se \(i\neq j\), si consideri la matrice ottenuta da \(M\) sostituendo la riga \(j\) con la riga \(i\). Essa ha due righe uguali, quindi il suo determinante è nullo; sviluppandolo lungo la riga sostituita si ottiene precisamente \(\sum_k m_{ik}C_{jk}=0\). Pertanto

$$ (M\operatorname{adj}M)_{ij}=\begin{cases}\det M,&i=j,\\0,&i\neq j, \end{cases} $$

ossia \(M\operatorname{adj}M=(\det M)I_n\). Applicando lo stesso ragionamento alle colonne si ottiene \(\operatorname{adj}M\,M=(\det M)I_n\). Se \(\det M\neq0\), dividendo l’identità per \(\det M\) si trova l’inversa. Viceversa, se \(M\) è invertibile, da \(MM^{-1}=I\) segue \(1=\det I=\det M\det M^{-1}\), perciò \(\det M\neq0\).

Esempio \(3\times3\) svolto

Si consideri

$$A=\begin{bmatrix}1&2&3\\0&1&4\\5&6&0\end{bmatrix}.$$

Calcoliamo uno per uno i nove cofattori:

$$ \begin{aligned} C_{11}&=\det\!\begin{bmatrix}1&4\\6&0\end{bmatrix}=-24,& C_{12}&=-\det\!\begin{bmatrix}0&4\\5&0\end{bmatrix}=20,& C_{13}&=\det\!\begin{bmatrix}0&1\\5&6\end{bmatrix}=-5,\\ C_{21}&=-\det\!\begin{bmatrix}2&3\\6&0\end{bmatrix}=18,& C_{22}&=\det\!\begin{bmatrix}1&3\\5&0\end{bmatrix}=-15,& C_{23}&=-\det\!\begin{bmatrix}1&2\\5&6\end{bmatrix}=4,\\ C_{31}&=\det\!\begin{bmatrix}2&3\\1&4\end{bmatrix}=5,& C_{32}&=-\det\!\begin{bmatrix}1&3\\0&4\end{bmatrix}=-4,& C_{33}&=\det\!\begin{bmatrix}1&2\\0&1\end{bmatrix}=1. \end{aligned} $$

Dunque

$$ C(A)=\begin{bmatrix}-24&20&-5\\18&-15&4\\5&-4&1\end{bmatrix},\qquad \operatorname{adj}A=C(A)^T= \begin{bmatrix}-24&18&5\\20&-15&-4\\-5&4&1\end{bmatrix}. $$

Lo sviluppo lungo la prima riga dà

$$\det A=1(-24)+2(20)+3(-5)=1.$$

Quindi \(A^{-1}=\operatorname{adj}A\). La verifica, che elimina ogni possibile errore di trasposizione, è

$$ A\operatorname{adj}A= \begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{bmatrix}. $$

Uso nella risolvente: tempo continuo e tempo discreto

Per un sistema LTI continuo, ponendo \(M(s)=sI-A\),

$$ (sI-A)^{-1}=\frac{\operatorname{adj}(sI-A)}{\det(sI-A)},\qquad W(s)=C(sI-A)^{-1}B+D. $$

Il denominatore è il polinomio caratteristico \(p_A(s)\); gli elementi dell’aggiunta sono polinomi di grado al più \(n-1\). Per esempio, se \(A=\begin{bmatrix}0&1\\-2&-3\end{bmatrix}\),

$$ sI-A=\begin{bmatrix}s&-1\\2&s+3\end{bmatrix},\quad \operatorname{adj}(sI-A)=\begin{bmatrix}s+3&1\\-2&s\end{bmatrix},\quad \det(sI-A)=s^2+3s+2. $$

Nel tempo discreto la formula è identica sostituendo \(s\) con \(z\): \((zI-A)^{-1}=\operatorname{adj}(zI-A)/\det(zI-A)\).

Procedura per costruire la matrice aggiuntaDalla matrice si calcolano minori e cofattori, si traspone la matrice dei cofattori e si divide per il determinante per ottenere l'inversa. Matrice MquadrataMinori Mᵢⱼcofattori CᵢⱼTrasposizioneadj M = CᵀSe det M ≠ 0M⁻¹ = adj M / det M

Follow-up probabili

Perché nell’aggiunta compare la trasposta?

Perché nel prodotto \(M\operatorname{adj}M\) l’elemento \((i,j)\) deve contenere i cofattori della riga \(j\): serve quindi \((\operatorname{adj}M)_{kj}=C_{jk}\).

La formula vale anche se \(M\) è singolare?

Sì: \(M\operatorname{adj}M=(\det M)I=0\). Non si può però dividere per il determinante, quindi non si ottiene un’inversa.

Che grado hanno gli elementi di \(\operatorname{adj}(sI-A)\)?

Ogni elemento è il determinante di una matrice \((n-1)\times(n-1)\) affine in \(s\), dunque ha grado al più \(n-1\).

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Domanda 18

Passaggio da IU a ISU con la dimostrazione fino alla forma canonica di osservabilità (1 volta con caso multivariabile, due volte con caso MISO, due volte con caso SIMO)

Inquadramento

Una relazione ingresso–uscita descrive soltanto il legame esterno, mentre una rappresentazione ingresso–stato–uscita rende esplicita la memoria interna mediante integratori. La realizzazione non è unica; la forma canonica di osservabilità è una costruzione diretta, di ordine pari al grado del denominatore, particolarmente adatta al caso SISO e, condividendo la dinamica, al caso MISO.

Definizioni e ipotesi

Si considera dapprima una funzione di trasferimento SISO razionale e propria, con denominatore monico:

$$ W(s)=\frac{b_0s^n+b_1s^{n-1}+\cdots+b_{n-1}s+b_n} {s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_{n-1}s+a_n}. $$

Si pongono \(\beta_i=b_i-a_i b_0\), \(i=1,\ldots,n\), e

$$ A_o=\begin{bmatrix} -a_1&1&0&\cdots&0\\ -a_2&0&1&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\ddots&\ddots&\vdots\\ -a_{n-1}&0&\cdots&0&1\\ -a_n&0&\cdots&0&0 \end{bmatrix},\quad B_o=\begin{bmatrix}\beta_1\\\beta_2\\\vdots\\\beta_n\end{bmatrix},\quad C_o=\begin{bmatrix}1&0&\cdots&0\end{bmatrix},\quad D_o=b_0. $$

Questa è la convenzione degli appunti: prima colonna con i coefficienti del denominatore e sopradiagonale unitaria. Invertendo l’ordine degli stati si ottiene una forma compagna equivalente.

Enunciato costruttivo

La quadrupla \((A_o,B_o,C_o,D_o)\) realizza \(W(s)\), cioè

$$W(s)=C_o(sI-A_o)^{-1}B_o+D_o.$$

Se numeratore e denominatore sono coprimi, la realizzazione ha ordine minimo \(n\); in presenza di cancellazioni è ancora corretta, ma contiene stati non raggiungibili o non osservabili.

Costruzione e dimostrazione completa nel caso SISO

Dalla funzione di trasferimento, a condizioni iniziali nulle, si ottiene l’equazione I–U

$$ y^{(n)}+a_1y^{(n-1)}+\cdots+a_ny =b_0u^{(n)}+b_1u^{(n-1)}+\cdots+b_nu. $$

Separando il collegamento istantaneo \(b_0u\), si pone \(x_1=y-b_0u\). La catena di integratori porta alle equazioni

$$ \begin{aligned} \dot x_1&=-a_1x_1+x_2+\beta_1u,\\ \dot x_2&=-a_2x_1+x_3+\beta_2u,\\ &\ \vdots\\ \dot x_{n-1}&=-a_{n-1}x_1+x_n+\beta_{n-1}u,\\ \dot x_n&=-a_nx_1+\beta_nu,\\ y&=x_1+b_0u. \end{aligned} $$

Esse sono esattamente \(\dot x=A_ox+B_ou, y=C_ox+D_ou\). Resta da verificare senza salti che il legame esterno sia proprio \(W\). Trasformando secondo Laplace con stato iniziale nullo, dalla prima equazione segue

$$X_2=(s+a_1)X_1-\beta_1U.$$

Dalla seconda segue

$$X_3=(s^2+a_1s+a_2)X_1-(\beta_1s+\beta_2)U.$$

Per induzione, per \(r=2,\ldots,n\),

$$ X_r=(s^{r-1}+a_1s^{r-2}+\cdots+a_{r-1})X_1 -(\beta_1s^{r-2}+\cdots+\beta_{r-1})U. $$

Infatti la formula è vera per \(r=2\); se vale per \(r\), l’equazione \(sX_r=-a_rX_1+X_{r+1}+\beta_rU\) fornisce la stessa espressione con \(r\) sostituito da \(r+1\). Usando infine \(sX_n=-a_nX_1+\beta_nU\) si ottiene

$$ (s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n)X_1 =(\beta_1s^{n-1}+\cdots+\beta_n)U. $$

Poiché \(Y=X_1+b_0U\),

$$ \frac{Y}{U}=b_0+\frac{\beta_1s^{n-1}+\cdots+\beta_n}{s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n} =\frac{b_0s^n+(b_0a_1+\beta_1)s^{n-1}+\cdots+(b_0a_n+\beta_n)}{p(s)}. $$

Per la definizione \(\beta_i=b_i-a_ib_0\), ogni \(b_0a_i+\beta_i=b_i\). Si recupera quindi esattamente \(W(s)\), completando la dimostrazione.

Schema della forma canonica di osservabilità SISOUna catena di n integratori riceve i contributi beta dell'ingresso e i feedback meno a_i dell'uscita dello stato x1; l'uscita somma x1 e b0 u. u1/s1/s⋯1/syx₁βₙu−aₙx₁β₂u−a₂x₁β₁u−a₁x₁ordine degli stati dagli appuntib₀u

Estensione MISO

Per \(m\) ingressi e una uscita, \(W(s)\in\mathbb R(s)^{1\times m}\). Se tutte le componenti sono portate al denominatore comune \(p(s)\), si scrive

$$ W_j(s)=\frac{b_{0j}s^n+b_{1j}s^{n-1}+\cdots+b_{nj}}{p(s)},\qquad j=1,\ldots,m. $$

Si mantiene la stessa \(A_o\) e lo stesso \(C_o\), mentre la colonna \(j\) di \(B\) è \((b_{1j}-a_1b_{0j},\ldots,b_{nj}-a_nb_{0j})^T\) e \(D=(b_{01},\ldots,b_{0m})\). Per linearità,

$$Y=\sum_{j=1}^m\bigl[C_o(sI-A_o)^{-1}B_j+D_j\bigr]U_j=W(s)U.$$

La condivisione di \(A_o\) evita di replicare la medesima dinamica per ciascun ingresso.

Estensione SIMO

Per un ingresso e \(p\) uscite, \(W(s)\in\mathbb R(s)^{p\times1}\). Si usa convenientemente la forma duale di controllo:

$$A_c=A_o^T,\qquad B_c=C_o^T,\qquad C=\begin{bmatrix}B_{o,1}^T\\\vdots\\B_{o,p}^T\end{bmatrix},\qquad D=\begin{bmatrix}b_{01}\\\vdots\\b_{0p}\end{bmatrix}.$$

Per ogni uscita \(i\), essendo il risultato scalare,

$$ C_i(sI-A_c)^{-1}B_c =B_{o,i}^T(sI-A_o^T)^{-1}C_o^T =C_o(sI-A_o)^{-1}B_{o,i}. $$

Quindi la riga \(i\) realizza \(W_i(s)\). Anche qui una sola dinamica comune alimenta tutte le uscite.

Caso multivariabile MIMO

Per \(m\) ingressi e \(p\) uscite, \(Y(s)=W(s)U(s)\), con \(W(s)=[W_{ij}(s)]\in\mathbb R(s)^{p\times m}\). Una costruzione sempre valida consiste nel realizzare separatamente ciascun canale scalare \(W_{ij}\), porre le matrici dinamiche in diagonale a blocchi, inviare \(u_j\) a tutti i blocchi della colonna \(j\) e sommare nell’uscita \(y_i\) i blocchi della riga \(i\). La funzione risultante è esatta perché

$$Y_i(s)=\sum_{j=1}^mW_{ij}(s)U_j(s).$$

Questa realizzazione può essere ridondante. Se tutte le componenti hanno un denominatore comune \(p(s)\), si può partizionare \(W\) per righe e realizzare ogni riga come MISO, ottenendo al più \(np\) stati; oppure per colonne e realizzare ogni colonna come SIMO, ottenendo al più \(nm\) stati. Si sceglie la partizione più conveniente e si eliminano poi le parti non raggiungibili/non osservabili. L’ordine minimo è il grado di McMillan di \(W\), non semplicemente il massimo grado dei denominatori presi separatamente.

Realizzazione multivariabile per canaliDue ingressi alimentano quattro canali W11, W12, W21, W22; le uscite sommano i canali appartenenti alla stessa riga della matrice di trasferimento. u₁u₂W₁₁(s)W₂₁(s)W₁₂(s)W₂₂(s)ΣΣy₁y₂indice: i = uscita, j = ingresso

Tempo discreto

La costruzione algebrica resta valida per \(W(z)\): si sostituisce \(s\) con \(z\) e si interpreta la rappresentazione come \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\), \(y(k)=Cx(k)+Du(k)\). Gli integratori diventano ritardi unitari e la verifica si effettua con \(W(z)=C(zI-A)^{-1}B+D\).

Esempio SISO

Per \(W(s)=(s^2+2)/(s^2+2s+2)\) si ha \(b_0=1\), \(b_1=0\), \(b_2=2\), \(a_1=a_2=2\); dunque \(\beta_1=-2\), \(\beta_2=0\):

$$ A_o=\begin{bmatrix}-2&1\\-2&0\end{bmatrix},\quad B_o=\begin{bmatrix}-2\\0\end{bmatrix},\quad C_o=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix},\quad D_o=1. $$

Poiché \((sI-A_o)^{-1}=\frac1{s^2+2s+2}\begin{bmatrix}s&1\\-2&s+2\end{bmatrix}\),

$$C_o(sI-A_o)^{-1}B_o+D_o=\frac{-2s}{s^2+2s+2}+1=\frac{s^2+2}{s^2+2s+2}.$$

Follow-up probabili

Perché si usa \(\beta_i=b_i-a_ib_0\)?

Il termine diretto \(b_0\) moltiplica anche il denominatore quando si ricompone \(Y/U\); sottraendo \(a_ib_0\) nella dinamica, il coefficiente finale torna esattamente \(b_i\).

Quando la forma canonica è minima?

Nel caso SISO, quando numeratore e denominatore sono coprimi. Nel caso MIMO la minimalità richiede contemporaneamente completa raggiungibilità e completa osservabilità; l’ordine è il grado di McMillan.

Perché MISO privilegia la forma di osservabilità?

Con un denominatore comune, tutti i canali hanno la stessa \(A_o\) e la stessa uscita \(C_o\); cambiano soltanto le colonne di \(B\), una per ciascun ingresso.

Forma di controllo e forma di osservabilità rappresentano la stessa \(W\)?

Sì. Nel SISO sono duali: \(A_c=A_o^T\), \(B_c=C_o^T\), \(C_c=B_o^T\), \(D_c=D_o\); la funzione ottenuta è uno scalare e coincide con la propria trasposta.

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Domanda 19

MISO

Inquadramento

Un sistema MISO (multiple input, single output) combina più ingressi in un’unica uscita. Nel dominio trasformato la funzione di trasferimento è un vettore riga; quando i canali condividono il denominatore, una sola dinamica può essere usata per tutti, con un forte risparmio di stati rispetto alla realizzazione separata dei canali.

Definizioni e ipotesi

Per \(u(t)\in\mathbb R^m\), \(y(t)\in\mathbb R\), \(x(t)\in\mathbb R^n\),

$$\dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du,$$

con \(B\in\mathbb R^{n\times m}\), \(C\in\mathbb R^{1\times n}\), \(D\in\mathbb R^{1\times m}\). A condizioni iniziali nulle,

$$Y(s)=W(s)U(s),\qquad W(s)=C(sI-A)^{-1}B+D\in\mathbb R(s)^{1\times m},$$ $$Y(s)=\sum_{j=1}^m W_j(s)U_j(s).$$

Enunciato: realizzazione MISO a denominatore comune

Se

$$ W_j(s)=\frac{b_{0j}s^n+b_{1j}s^{n-1}+\cdots+b_{nj}} {p(s)},\qquad p(s)=s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n, $$

allora una realizzazione è

$$ A=A_o,\quad C=e_1^T,\quad B_{ij}=b_{ij}-a_ib_{0j},\quad D_j=b_{0j}, $$

dove \(A_o\) è la forma compagna di osservabilità della domanda precedente. Il simbolo \(B_{ij}\) indica l’elemento alla riga di stato \(i\) e alla colonna d’ingresso \(j\).

Dimostrazione completa

Indichiamo con \(B_j\) la colonna \(j\) di \(B\). Per il principio di sovrapposizione, la risposta con più ingressi è la somma delle risposte prodotte dai singoli ingressi:

$$ Y=C(sI-A)^{-1}\sum_{j=1}^mB_jU_j+\sum_{j=1}^mD_jU_j =\sum_{j=1}^m\bigl[C(sI-A)^{-1}B_j+D_j\bigr]U_j. $$

La dimostrazione SISO applicata alla colonna \(B_j\) fornisce

$$C(sI-A)^{-1}B_j+D_j=W_j(s).$$

Segue \(Y=\sum_jW_jU_j=WU\). Il denominatore comune si può sempre ottenere usando il minimo comune multiplo dei denominatori dei canali; la costruzione resta esatta, ma può non essere minima se compaiono cancellazioni o fattori dinamici non necessari per tutti i canali.

Esempio completo a due ingressi

Si consideri

$$ W(s)=\begin{bmatrix} \dfrac{s^2+5s+4}{s^2+6s+8}& \dfrac{s^2+5s+6}{s^2+6s+8} \end{bmatrix}. $$

Qui \(a_1=6\), \(a_2=8\), \(b_{01}=b_{02}=1\), \((b_{11},b_{21})=(5,4)\), \((b_{12},b_{22})=(5,6)\). Quindi

$$ A=\begin{bmatrix}-6&1\\-8&0\end{bmatrix},\quad B=\begin{bmatrix}-1&-1\\-4&-2\end{bmatrix},\quad C=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix},\quad D=\begin{bmatrix}1&1\end{bmatrix}. $$

Poiché

$$ (sI-A)^{-1}=\frac1{s^2+6s+8} \begin{bmatrix}s&1\\-8&s+6\end{bmatrix}, $$

per il primo ingresso

$$C(sI-A)^{-1}B_1+D_1=\frac{-s-4}{s^2+6s+8}+1=\frac{s^2+5s+4}{s^2+6s+8},$$

e per il secondo

$$C(sI-A)^{-1}B_2+D_2=\frac{-s-2}{s^2+6s+8}+1=\frac{s^2+5s+6}{s^2+6s+8}.$$

La realizzazione ha due stati; realizzando separatamente i due canali ne servirebbero quattro. La condivisione è lecita perché la dinamica denominatore è la stessa.

Struttura MISO a tre ingressiTre ingressi attraversano i rispettivi canali W1, W2, Wm e vengono sommati nell'unica uscita. u₁u₂uₘW₁(s)W₂(s)Wₘ(s)Σy

Tempo discreto

Nel TD si ha \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\), \(y(k)=Cx(k)+Du(k)\) e \(W(z)=C(zI-A)^{-1}B+D\), ancora vettore riga. La stessa costruzione vale sostituendo \(s\) con \(z\). Se si osservano gli ingressi fino a \(k\), il termine \(D u(k)\) descrive l’accoppiamento istantaneo.

Follow-up probabili

Perché \(W(s)\) è un vettore riga?

Perché moltiplica \(U(s)\in\mathbb C^m\) e deve produrre lo scalare \(Y(s)\): le dimensioni sono \(1\times m\) per \(m\times1\).

Che cosa cambia tra i canali nella forma condivisa?

Il denominatore, quindi \(A\), è comune; cambiano le colonne \(B_j\) e gli eventuali termini diretti \(D_j\). L’uscita \(C\) resta unica.

Il minimo comune multiplo garantisce una realizzazione minima?

No. Garantisce una realizzazione esatta. Per la minimalità occorre eliminare le parti non raggiungibili o non osservabili e calcolare il grado di McMillan.

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Domanda 20

Osservabilità (definizione, matrice, teorema)

Inquadramento

L’osservabilità stabilisce se lo stato interno può essere dedotto conoscendo ingresso e uscita in un intervallo finito. È la proprietà duale della raggiungibilità e determina se un osservatore di stato può ricostruire tutte le componenti dinamiche.

Definizioni e ipotesi

Si consideri il sistema LTI

$$\dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du,$$

con stato di dimensione \(n\). Due stati iniziali \(x_{01},x_{02}\) sono indistinguibili se, applicando lo stesso ingresso noto, producono la stessa uscita per ogni \(t\) nell’intervallo osservato. Il sistema è completamente osservabile se ogni coppia di stati distinti è distinguibile.

La differenza \(v=x_{01}-x_{02}\) evolve a ingresso nullo secondo

$$\delta y(t)=Ce^{A(t-t_0)}v.$$

Uno stato \(v\neq0\) è non osservabile se questa quantità è identicamente nulla. La matrice di osservabilità è

$$ \mathcal O_n=\begin{bmatrix}C\\CA\\CA^2\\\vdots\\CA^{n-1}\end{bmatrix}\in\mathbb R^{pn\times n}. $$

Enunciato: teorema del rango

La coppia \((A,C)\) è completamente osservabile se e solo se

$$\operatorname{rank}\mathcal O_n=n.$$

Più precisamente, il sottospazio non osservabile è

$$\mathcal X_{no}=\ker\mathcal O_n=\bigcap_{k=0}^{n-1}\ker(CA^k).$$

Dimostrazione completa

Necessità delle condizioni finite. Se \(v\) è non osservabile, \(Ce^{At}v=0\) per ogni \(t\ge0\). La funzione è analitica e la sua derivata \(k\)-esima in \(t=0\) è \(CA^kv\). Poiché una funzione identicamente nulla ha tutte le derivate nulle,

$$Cv=CAv=\cdots=CA^{n-1}v=0,$$

ossia \(\mathcal O_nv=0\).

Sufficienza delle condizioni finite. Supponiamo \(\mathcal O_nv=0\). Per Cayley–Hamilton, se

$$p_A(\lambda)=\lambda^n+a_1\lambda^{n-1}+\cdots+a_n,$$

allora

$$A^n=-a_1A^{n-1}-\cdots-a_nI.$$

Moltiplicando a sinistra per \(C\) e a destra per \(v\), tutti i termini a destra sono nulli, quindi \(CA^nv=0\). Moltiplicando l’identità per \(A\), e poi iterando, ogni potenza \(A^k\), \(k\ge n\), è combinazione delle prime \(n\); segue \(CA^kv=0\) per ogni \(k\ge0\). Pertanto

$$Ce^{At}v=C\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^kt^k}{k!}v =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{t^k}{k!}CA^kv=0.$$

Dunque \(v\) è non osservabile se e solo se \(v\in\ker\mathcal O_n\). Il sistema è completamente osservabile se e solo se tale nucleo contiene soltanto \(0\), equivalenza che, per il teorema rango–nullità, è precisamente \(\operatorname{rank}\mathcal O_n=n\).

Gramiano e formula di ricostruzione in TC

Sottratta dall’uscita la parte forzata nota, \(\bar y(t)=Ce^{A(t-t_0)}x_0\). Su \([t_0,t_0+T]\) si definisce

$$ W_o(T)=\int_{t_0}^{t_0+T}e^{A^T(t-t_0)}C^TCe^{A(t-t_0)}\,dt. $$

Per ogni \(v\),

$$v^TW_o(T)v=\int_{t_0}^{t_0+T}\|Ce^{A(t-t_0)}v\|^2dt.$$

L’integrando è continuo e non negativo; l’integrale è zero se e solo se l’uscita libera è identicamente nulla. Quindi \(W_o(T)>0\) se e solo se il sistema è osservabile. In tal caso

$$ x_0=W_o(T)^{-1}\int_{t_0}^{t_0+T}e^{A^T(t-t_0)}C^T\bar y(t)\,dt. $$

Tempo discreto e ricostruibilità

Per \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\), sottraendo i contributi dell’ingresso noto e impilando \(n\) campioni si ottiene

$$ \begin{bmatrix}\bar y(k_0)\\\bar y(k_0+1)\\\vdots\\\bar y(k_0+n-1)\end{bmatrix} =\mathcal O_nx(k_0). $$

Quindi \(\operatorname{rank}\mathcal O_n=n\) consente di ricostruire univocamente lo stato iniziale. Nel TD si distingue talvolta la ricostruibilità dello stato corrente: dopo \(N\) passi gli stati iniziali compatibili differiscono per \(v\in\ker\mathcal O_N\), ma la loro differenza corrente è \(A^Nv\). Pertanto \(x(k_0+N)\) è ricostruibile se e solo se

$$\ker\mathcal O_N\subseteq\ker A^N.$$

L’osservabilità completa implica la ricostruibilità; il viceversa può fallire se \(A\) è singolare e un modo non osservabile si annulla in un numero finito di passi.

Esempio svolto

Siano

$$A=\begin{bmatrix}1&1\\0&1\end{bmatrix},\qquad C=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix}.$$

Allora

$$\mathcal O_2=\begin{bmatrix}C\\CA\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1&0\\1&1\end{bmatrix},\qquad\det\mathcal O_2=1,$$

quindi il sistema è osservabile. Nel TD, a ingresso nullo, \(y(0)=x_1(0)\) e \(y(1)=x_1(0)+x_2(0)\); dunque

$$x_1(0)=y(0),\qquad x_2(0)=y(1)-y(0).$$ Ricostruzione dello stato da campioni di uscitaLo stato iniziale evolve tramite A e viene misurato con C a istanti successivi; impilando le uscite si forma la matrice di osservabilità. x₀Ax₀A²x₀AACx₀CAx₀CA²x₀uscite impilateȳ = 𝒪x₀rank 𝒪 = n ⇒ x₀ unico

Follow-up probabili

Perché bastano le potenze fino ad \(A^{n-1}\)?

Per Cayley–Hamilton ogni potenza successiva è combinazione lineare delle prime \(n\); non aggiunge quindi nuovi vincoli indipendenti.

Le matrici \(B\) e \(D\) influiscono sull’osservabilità?

No, perché si confrontano due stati sotto lo stesso ingresso: i contributi forzati si cancellano e resta \(Ce^{At}(x_{01}-x_{02})\).

Qual è il sottospazio non osservabile?

È \(\ker\mathcal O_n\), un sottospazio \(A\)-invariante: se \(\mathcal O_nv=0\), anche \(\mathcal O_nAv=0\), usando Cayley–Hamilton nell’ultima riga.

Qual è la proprietà duale?

\((A,C)\) è osservabile se e solo se \((A^T,C^T)\) è raggiungibile, perché \(\mathcal O_n^T=[C^T,A^TC^T,\ldots,(A^T)^{n-1}C^T]\).

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Domanda 21

Evoluzione libera sistema tempo continuo nel caso stazionario e nel caso non stazionario

Inquadramento

L’evoluzione libera è il moto prodotto esclusivamente dallo stato iniziale, con ingresso identicamente nullo. Nel caso stazionario si esprime mediante l’esponenziale di matrice; nel caso non stazionario occorre la matrice di transizione, che trasporta lo stato tra due istanti e dipende separatamente da entrambi.

Definizioni e ipotesi

Si considera il sistema lineare a tempo continuo

$$\dot x(t)=A(t)x(t),\qquad x(t_0)=x_0,$$

con \(A(t)\in\mathbb R^{n\times n}\) continua a tratti. La matrice di transizione \(\Phi(t,t_0)\) è la soluzione matriciale del problema

$$ \frac{\partial}{\partial t}\Phi(t,t_0)=A(t)\Phi(t,t_0),\qquad \Phi(t_0,t_0)=I. $$

Una matrice fondamentale \(X(t)\) è una matrice le cui colonne sono \(n\) soluzioni linearmente indipendenti dell’equazione omogenea; è quindi invertibile nell’intervallo considerato.

Enunciato

L’unica evoluzione libera è

$$x_\ell(t)=\Phi(t,t_0)x_0.$$

La matrice di transizione gode delle proprietà

$$ \begin{aligned} \Phi(t_0,t_0)&=I,\\ \Phi(t_2,t_0)&=\Phi(t_2,t_1)\Phi(t_1,t_0),\\ \Phi(t,t_0)^{-1}&=\Phi(t_0,t),\\ \frac{\partial\Phi(t,t_0)}{\partial t}&=A(t)\Phi(t,t_0),\\ \frac{\partial\Phi(t,t_0)}{\partial t_0}&=-\Phi(t,t_0)A(t_0). \end{aligned} $$

Se il sistema è stazionario, \(A(t)=A\), allora

$$\Phi(t,t_0)=e^{A(t-t_0)},\qquad e^{A\tau}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^k\tau^k}{k!}.$$

Dimostrazione nel caso non stazionario

Sia \(X(t)\) una matrice fondamentale. Poniamo

$$\Phi(t,t_0)=X(t)X^{-1}(t_0).$$

Poiché \(\dot X(t)=A(t)X(t)\), derivando rispetto al primo argomento si ottiene

$$ \frac{\partial\Phi}{\partial t} =\dot X(t)X^{-1}(t_0) =A(t)X(t)X^{-1}(t_0) =A(t)\Phi(t,t_0). $$

Inoltre \(\Phi(t_0,t_0)=X(t_0)X^{-1}(t_0)=I\). Pertanto \(x(t)=\Phi(t,t_0)x_0\) soddisfa sia l’equazione sia la condizione iniziale; l’unicità del problema di Cauchy garantisce che sia l’unica soluzione.

Per la composizione, usando due volte la stessa matrice fondamentale,

$$ \Phi(t_2,t_1)\Phi(t_1,t_0) =X(t_2)X^{-1}(t_1)X(t_1)X^{-1}(t_0) =\Phi(t_2,t_0). $$

Ponendo \(t_2=t_0\) si ottiene \(\Phi(t_0,t)\Phi(t,t_0)=I\), dunque l’invertibilità e la formula dell’inversa. Infine, derivando l’identità \(X^{-1}(t_0)X(t_0)=I\),

$$ \frac{dX^{-1}}{dt_0}X+X^{-1}\dot X=0 \quad\Longrightarrow\quad \frac{dX^{-1}}{dt_0}=-X^{-1}A(t_0), $$

e quindi

$$ \frac{\partial\Phi(t,t_0)}{\partial t_0} =X(t)\frac{dX^{-1}(t_0)}{dt_0} =-\Phi(t,t_0)A(t_0). $$

Dimostrazione nel caso stazionario

La serie di \(e^{A\tau}\) converge assolutamente in ogni norma matriciale. È quindi derivabile termine a termine:

$$ \frac{d}{d\tau}e^{A\tau} =\sum_{k=1}^{\infty}\frac{kA^k\tau^{k-1}}{k!} =A\sum_{h=0}^{\infty}\frac{A^h\tau^h}{h!} =Ae^{A\tau}. $$

Per \(\tau=0\), \(e^{A0}=I\). Posto \(\tau=t-t_0\), \(e^{A(t-t_0)}\) soddisfa quindi il problema definitorio di \(\Phi\). Poiché le matrici \(A(t_1-t_0)\) e \(A(t_2-t_1)\) commutano, vale anche

$$e^{A(t_2-t_1)}e^{A(t_1-t_0)}=e^{A(t_2-t_0)},$$

che è la proprietà di composizione nel caso LTI. In generale non si può scrivere \(\Phi(t,t_0)=e^{\int_{t_0}^tA(\tau)d\tau}\) se \(A(t_1)\) e \(A(t_2)\) non commutano.

Esempi svolti

Caso stazionario. Per

$$A=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-1\end{bmatrix}=-I+N,\qquad N=\begin{bmatrix}0&1\\0&0\end{bmatrix},\qquad N^2=0,$$

le matrici \(-I\) e \(N\) commutano, pertanto, con \(\Delta t=t-t_0\),

$$ e^{A\Delta t}=e^{-\Delta t}e^{N\Delta t} =e^{-\Delta t}(I+N\Delta t) =e^{-\Delta t}\begin{bmatrix}1&\Delta t\\0&1\end{bmatrix}. $$

Quindi \(x_2(t)=e^{-\Delta t}x_2(t_0)\) e \(x_1(t)=e^{-\Delta t}[x_1(t_0)+\Delta t\,x_2(t_0)]\).

Caso non stazionario. Per \(t>-1\), sia

$$A(t)=\begin{bmatrix}-t&0\\0&\dfrac{2}{1+t}\end{bmatrix}.$$

Le due equazioni scalari si integrano direttamente:

$$ \Phi(t,t_0)= \begin{bmatrix} \exp\!\left[-\dfrac{t^2-t_0^2}{2}\right]&0\\ 0&\left(\dfrac{1+t}{1+t_0}\right)^2 \end{bmatrix}. $$

La dipendenza non è soltanto da \(t-t_0\): ciò distingue il caso non stazionario.

Confronto tra transizione stazionaria e non stazionariaNel sistema stazionario intervalli della stessa durata hanno la stessa matrice di transizione; nel sistema non stazionario la transizione dipende anche dalla posizione temporale dell'intervallo. stazionario: stessa durata ⇒ stessa transizionee^{AΔ}e^{AΔ}non stazionario: conta anche l’istante inizialeΦ(t₀+Δ,t₀)Φ(t₁+Δ,t₁)uguali solo in casi particolariin generale differenti

Confronto con il tempo discreto

Nel TD non stazionario l’analogo è \(\Phi(k,k_0)=A(k-1)\cdots A(k_0)\); nel caso stazionario diventa \(A^{k-k_0}\). L’ordine dei fattori non può essere scambiato.

Follow-up probabili

Quando vale \(\Phi(t,t_0)=e^{\int_{t_0}^tA(\tau)d\tau}\)?

Quando \(A(t_1)A(t_2)=A(t_2)A(t_1)\) per ogni coppia di istanti; altrimenti serve l’esponenziale ordinato nel tempo o la serie di Peano–Baker.

Perché una matrice fondamentale resta invertibile?

Il determinante soddisfa la formula di Liouville: \(\det X(t)=\det X(t_0)\exp(\int_{t_0}^t\operatorname{tr}A(\tau)d\tau)\), quindi non si annulla se è inizialmente non nullo.

Qual è la differenza essenziale tra LTI e LTV?

Nel LTI la transizione dipende soltanto dalla differenza \(t-t_0\); nel LTV dipende separatamente da entrambi gli istanti.

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Domanda 22

Teorema di Kalman per la raggiungibilità (una volta Kalman con osservabilità)

Inquadramento

Il teorema di Kalman individua la parte dello stato influenzabile dall’ingresso e costruisce un cambio di base che la separa dalla parte non raggiungibile. La costruzione duale separa la parte osservabile da quella invisibile all’uscita.

Definizioni e ipotesi

Per \(\dot x=Ax+Bu\), \(x\in\mathbb R^n\), si definiscono

$$ \mathcal R_n=\begin{bmatrix}B&AB&\cdots&A^{n-1}B\end{bmatrix},\qquad \mathcal X_r=\operatorname{im}\mathcal R_n,\qquad n_r=\operatorname{rank}\mathcal R_n. $$

La catena \(\mathcal S_\ell=\operatorname{im}[B\ AB\ \cdots\ A^{\ell-1}B]\) è crescente.

Enunciato

Esiste una matrice invertibile \(T=[\,T_r\ T_{nr}\,]\), le cui prime \(n_r\) colonne sono una base di \(\mathcal X_r\), tale che, con \(x=Tz\),

$$ \dot z= \underbrace{\begin{bmatrix}A_r&A_{12}\\0&A_{nr}\end{bmatrix}}_{\widetilde A}z+ \underbrace{\begin{bmatrix}B_r\\0\end{bmatrix}}_{\widetilde B}u. $$

La coppia \((A_r,B_r)\) è completamente raggiungibile e ha dimensione \(n_r\). Il sistema è completamente raggiungibile se e solo se \(n_r=n\).

Dimostrazione completa

Arresto della catena. Se \(p_A(\lambda)=\lambda^n+a_1\lambda^{n-1}+\cdots+a_n\), Cayley–Hamilton dà

$$A^n=-a_1A^{n-1}-\cdots-a_nI.$$

Moltiplicando per \(B\), \(A^nB\) è combinazione di \(B,AB,\ldots,A^{n-1}B\). Moltiplicando ancora per \(A\), e iterando, lo stesso vale per ogni potenza successiva. Pertanto

$$\mathcal S_n=\mathcal S_{n+1}=\cdots=\mathcal X_r.$$

Invarianza. Per ogni \(x\in\mathcal X_r\) esistono vettori \(\alpha_i\) tali che

$$x=B\alpha_0+AB\alpha_1+\cdots+A^{n-1}B\alpha_{n-1}.$$

Allora

$$Ax=AB\alpha_0+\cdots+A^nB\alpha_{n-1}\in\mathcal X_r,$$

poiché l’ultimo termine si riduce con Cayley–Hamilton. Quindi \(A\mathcal X_r\subseteq\mathcal X_r\); inoltre \(\operatorname{im}B\subseteq\mathcal X_r\).

Cambio di base. Si scelgono in \(T_r\) \(n_r\) colonne indipendenti di \(\mathcal R_n\) e si completa la base con \(T_{nr}\). Se \(z=(z_r,0)\), allora \(x=T_rz_r\in\mathcal X_r\) e \(Ax\in\mathcal X_r\): nelle nuove coordinate la componente inferiore di \(\widetilde A(z_r,0)\) è nulla per ogni \(z_r\), dunque \(\widetilde A_{21}=0\). Poiché le colonne di \(B\) appartengono a \(\mathcal X_r\), anche la parte inferiore di \(\widetilde B=T^{-1}B\) è nulla. Si ottiene la forma enunciata.

Raggiungibilità del blocco superiore. Per la struttura triangolare,

$$ \widetilde A^k\widetilde B= \begin{bmatrix}A_r^kB_r\\0\end{bmatrix}. $$

La matrice di raggiungibilità trasformata è \(T^{-1}\mathcal R_n\), quindi ha rango \(n_r\). Ne segue

$$\operatorname{rank}\begin{bmatrix}B_r&A_rB_r&\cdots&A_r^{n_r-1}B_r\end{bmatrix}=n_r,$$

poiché le potenze ulteriori non aumentano il rango per Cayley–Hamilton applicato ad \(A_r\). Il blocco superiore è completamente raggiungibile.

Perché \(\mathcal X_r\) è davvero l’insieme raggiungibile. A un tempo \(T>0\),

$$\mathscr L_Tu=\int_0^T e^{A(T-\tau)}Bu(\tau)d\tau.$$

Un vettore \(v\) è ortogonale al range di \(\mathscr L_T\) se e solo se \(B^Te^{A^T(T-\tau)}v=0\) per ogni \(\tau\). Derivando rispetto a \(\tau\) si ottiene \(B^T(A^T)^kv=0\) per ogni \(k\), cioè \(v\perp\operatorname{im}\mathcal R_n\). I due range hanno lo stesso complemento ortogonale e quindi coincidono.

Kalman per l’osservabilità

Per \(y=Cx\),

$$ \mathcal O_n=\begin{bmatrix}C\\CA\\\vdots\\CA^{n-1}\end{bmatrix},\qquad \mathcal X_{no}=\ker\mathcal O_n,\qquad n_o=\operatorname{rank}\mathcal O_n. $$

\(\mathcal X_{no}\) è \(A\)-invariante: per \(v\in\mathcal X_{no}\), \(CA^kAv=0\) fino a \(k=n-2\), mentre \(CA^n v=0\) segue da Cayley–Hamilton. Scegliendo le ultime \(n-n_o\) colonne di \(T=[\,T_o\ T_{no}\,]\) come base di \(\mathcal X_{no}\),

$$ \widetilde A=\begin{bmatrix}A_o&0\\A_{21}&A_{no}\end{bmatrix}, \qquad \widetilde C=\begin{bmatrix}C_o&0\end{bmatrix}, $$

e \((A_o,C_o)\) è completamente osservabile. Equivalentemente si applica il teorema precedente alla coppia duale \((A^T,C^T)\), perché \(\mathcal R(A^T,C^T)=\mathcal O(A,C)^T\).

Tempo discreto ed esempio

Per \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\) la matrice \(\mathcal R_n\), l’invarianza e la decomposizione sono identiche. Se \(A\) è singolare, raggiungibilità dall’origine e controllabilità verso l’origine possono invece differire.

Per

$$A=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-2\end{bmatrix},\qquad B=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix},$$

si ha

$$\mathcal R_2=\begin{bmatrix}1&-1\\0&0\end{bmatrix},\qquad n_r=1.$$

La base canonica è già una base di Kalman e

$$\dot z_1=-z_1+z_2+u,\qquad \dot z_2=-2z_2.$$

L’ingresso modifica \(z_1\) ma non \(z_2\); \(z_2\) può influenzare \(z_1\) tramite \(A_{12}\), mentre il blocco inverso è nullo.

Decomposizione di Kalman raggiungibile e non raggiungibileL'ingresso entra solo nella parte raggiungibile; la parte non raggiungibile può influenzare quella raggiungibile ma non viceversa. uparte raggiungibileAᵣzᵣ+A₁₂zₙᵣ+Bᵣuparte non raggiungibileAₙᵣzₙᵣzᵣnessun ingresso

Follow-up probabili

Perché \(A_{12}\) può essere non nullo?

La parte non raggiungibile può influenzare quella raggiungibile se ha condizione iniziale non nulla; ciò non permette all’ingresso di generare la sua componente.

Come si sceglie \(T_r\)?

Si prendono \(n_r\) colonne linearmente indipendenti di \(\mathcal R_n\) e si completa a una base di \(\mathbb R^n\).

Qual è il risultato duale?

\((A,C)\) è osservabile se e solo se \((A^T,C^T)\) è raggiungibile.

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Domanda 23

Definizione di risposta a regime

Inquadramento

La risposta a regime, o permanente, è ciò che resta dopo l’estinzione dei modi transitori. Non è necessariamente un valore costante: può essere una sinusoide, un segnale periodico o una rampa; la definizione corretta è quindi asintotica.

Definizioni e ipotesi

Per un ingresso persistente \(u\), una funzione \(y_r(t)\) è una risposta a regime se

$$y(t)=y_t(t)+y_r(t),\qquad \lim_{t\to\infty}y_t(t)=0,$$

equivalentemente \(\lim_{t\to\infty}[y(t)-y_r(t)]=0\). In un sistema LTI finito-dimensionale la risposta permanente è indipendente dallo stato iniziale quando \(A\) è Hurwitz, cioè quando tutti i suoi autovalori hanno parte reale negativa.

Enunciato

Per

$$\dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du,$$

con \(A\) Hurwitz e ingresso limitato definito anche nel passato, l’unica soluzione limitata definita su tutto \(\mathbb R\) — scelta canonica della risposta permanente — è

$$ y_r(t)=Du(t)+\int_{-\infty}^{t}Ce^{A(t-\tau)}Bu(\tau)d\tau =Du(t)+\int_0^\infty Ce^{A\sigma}Bu(t-\sigma)d\sigma. $$

Dimostrazione completa della separazione transitorio–regime

La risposta iniziata a \(t_0\) è

$$ y(t)=Ce^{A(t-t_0)}x_0+Du(t)+\int_{t_0}^{t}Ce^{A(t-\tau)}Bu(\tau)d\tau. $$

Sottraendo \(y_r(t)\),

$$ y(t)-y_r(t)=Ce^{A(t-t_0)}x_0- \int_{-\infty}^{t_0}Ce^{A(t-\tau)}Bu(\tau)d\tau. $$

Poiché \(A\) è Hurwitz, esistono \(M,\alpha>0\) tali che \(\|e^{At}\|\le Me^{-\alpha t}\). Il primo termine tende a zero. Se \(\|u(t)\|\le U\), ponendo \(\sigma=t-\tau\), il secondo è maggiorato da

$$ \|C\|\|B\|U\int_{t-t_0}^{\infty}Me^{-\alpha\sigma}d\sigma =\frac{M\|C\|\|B\|U}{\alpha}e^{-\alpha(t-t_0)}\longrightarrow0. $$

Quindi \(y-y_r\to0\), e ogni effetto dello stato iniziale appartiene al transitorio. Due possibili risposte permanenti differirebbero per una risposta libera che tende a zero, perciò descrivono lo stesso andamento asintotico.

Ingressi canonici e tempo discreto

  • Se \(u(t)=\bar u\), allora \(x_r=-A^{-1}B\bar u\) e \(y_r=(D-CA^{-1}B)\bar u=W(0)\bar u\).
  • Se \(u(t)=U\sin(\omega t+\varphi)\), allora \(y_r(t)=U|W(j\omega)|\sin[\omega t+\varphi+\arg W(j\omega)]\).
  • Per una rampa il regime può crescere linearmente: ciò che tende a zero è \(y-y_r\), non necessariamente \(y\).

Nel TD, se \(\rho(A)<1\),

$$y_r(k)=Du(k)+\sum_{\ell=1}^{\infty}CA^{\ell-1}Bu(k-\ell),$$

e la differenza dalla risposta iniziata a \(k_0\) tende a zero perché \(A^{k-k_0}\to0\).

Esempio svolto

Per \(W(s)=2/(s+2)\) e un gradino di ampiezza \(3\),

$$Y(s)=\frac{2}{s+2}\frac{3}{s}=\frac{3}{s}-\frac{3}{s+2},$$

quindi

$$y(t)=3-3e^{-2t},\qquad y_r(t)=3,\qquad y_t(t)=-3e^{-2t}.$$

Il valore \(3=W(0)\cdot3\) non dipende da \(x_0\); un diverso stato iniziale aggiunge soltanto un multiplo di \(e^{-2t}\).

Separazione tra transitorio e regimeLa risposta completa converge alla linea di regime, mentre la differenza transitoria decade a zero. ytregimerisposta completatransitorio

Follow-up probabili

Risposta a regime e valore finale coincidono?

No. Il valore finale è un numero e può non esistere; il regime è un andamento asintotico, per esempio sinusoidale.

Perché serve la stabilità asintotica?

Per estinguere sia il contributo dello stato iniziale sia quello della storia remota non inclusa nella risposta iniziata a \(t_0\).

Il regime dipende da \(x_0\)?

No, se il sistema è asintoticamente stabile: la differenza tra due risposte è \(Ce^{A(t-t_0)}(x_{01}-x_{02})\to0\).

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Domanda 24

Evoluzione libera e forzata in tempo discreto

Inquadramento

La formula di Lagrange discreta separa il contributo della condizione iniziale da quello dei campioni d’ingresso. La parte forzata è una convoluzione: ogni ingresso modifica lo stato al passo successivo e da lì evolve liberamente.

Definizioni e ipotesi

Si considera

$$x(k+1)=Ax(k)+Bu(k),\qquad y(k)=Cx(k)+Du(k),\qquad x(k_0)=x_0.$$

L’evoluzione libera si ottiene ponendo \(u=0\); l’evoluzione forzata ponendo \(x_0=0\). Per linearità la risposta completa è la loro somma.

Enunciato

Per ogni \(k\ge k_0\),

$$ x(k)=\underbrace{A^{k-k_0}x_0}_{x_\ell(k)} +\underbrace{\sum_{h=k_0}^{k-1}A^{k-1-h}Bu(h)}_{x_f(k)}, $$

e

$$ y(k)=CA^{k-k_0}x_0+ \sum_{h=k_0}^{k-1}CA^{k-1-h}Bu(h)+Du(k). $$

Dimostrazione completa per induzione

Per \(k=k_0\), la somma è vuota e \(A^0x_0=x_0\). Supponiamo ora vera la formula a \(k\). Allora

$$ \begin{aligned} x(k+1) &=Ax(k)+Bu(k)\\ &=A\left[A^{k-k_0}x_0+\sum_{h=k_0}^{k-1}A^{k-1-h}Bu(h)\right]+Bu(k)\\ &=A^{k+1-k_0}x_0+\sum_{h=k_0}^{k-1}A^{k-h}Bu(h)+A^0Bu(k)\\ &=A^{k+1-k_0}x_0+\sum_{h=k_0}^{k}A^{k-h}Bu(h). \end{aligned} $$

Questa è la stessa formula con \(k\) sostituito da \(k+1\); l’induzione è completa. Sostituendo lo stato in \(y=Cx+Du\) si ottiene la formula dell’uscita.

Convoluzione e caso non stazionario

La risposta impulsiva ingresso–uscita è

$$H(0)=D,\qquad H(\ell)=CA^{\ell-1}B\quad(\ell\ge1),$$

perciò, a stato iniziale nullo, \(y_f(k)=\sum_{h=k_0}^{k}H(k-h)u(h)\). Se le matrici dipendono da \(k\),

$$ \Phi(k,k_0)=A(k-1)\cdots A(k_0),\qquad x(k)=\Phi(k,k_0)x_0+\sum_{h=k_0}^{k-1}\Phi(k,h+1)B(h)u(h). $$

Esempio numerico completo

Con \(k_0=0\),

$$ A=\begin{bmatrix}1&1\\0&\tfrac12\end{bmatrix},\quad B=\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix},\quad x_0=\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix},\quad u(k)=1, $$

si verifica per induzione che

$$A^r=\begin{bmatrix}1&2(1-2^{-r})\\0&2^{-r}\end{bmatrix}.$$

Quindi

$$ x_\ell(k)=\begin{bmatrix}5-4\,2^{-k}\\2^{1-k}\end{bmatrix}, \qquad x_f(k)=\sum_{r=0}^{k-1}A^rB =\begin{bmatrix}2k-4+4\,2^{-k}\\2(1-2^{-k})\end{bmatrix}. $$

Sommando,

$$x(k)=\begin{bmatrix}2k+1\\2\end{bmatrix}.$$

La verifica diretta dà \(Ax(k)+B=(2k+3,2)^T=x(k+1)\). Se \(C=[1\ 0]\) e \(D=0\), allora \(y(k)=2k+1\).

Somma dei contributi discretiLo stato iniziale e i campioni di ingresso vengono propagati fino all'istante k e sommati. k₀h₁h₂kx₀Bu(h₁)Bu(h₂)Σ

Follow-up probabili

Perché l’esponente è \(k-1-h\)?

L’ingresso applicato a \(h\) entra nello stato a \(h+1\); restano \(k-h-1\) evoluzioni libere fino a \(k\).

Dove compare \(D\) nella risposta dello stato?

Non compare: è un collegamento istantaneo ingresso–uscita e compare soltanto come \(Du(k)\).

Quando la parte libera converge a zero?

Se e solo se tutti gli autovalori di \(A\) hanno modulo minore di uno.

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Domanda 25

Esempio della stabilità con il pendolo (Lyapunov)

Inquadramento

Il pendolo mostra in modo fisico il metodo diretto di Lyapunov: l’energia meccanica è positiva rispetto all’equilibrio inferiore e non cresce. Senza attrito essa prova stabilità semplice; con attrito la derivata è solo semidefinita negativa e il passaggio all’asintotica stabilità richiede il principio di invarianza di LaSalle.

Definizioni e ipotesi

Un pendolo di massa \(m>0\), lunghezza \(\ell>0\), gravità \(g>0\) e attrito viscoso \(b\ge0\), senza coppia esterna, soddisfa

$$m\ell^2\ddot\theta+b\dot\theta+mg\ell\sin\theta=0.$$

Con \(x_1=\theta\), \(x_2=\omega=\dot\theta\),

$$ \dot x_1=x_2,\qquad \dot x_2=-\frac g\ell\sin x_1-\frac{b}{m\ell^2}x_2. $$

Gli equilibri sono \((2k\pi,0)\), con massa in basso, e \(((2k+1)\pi,0)\), con massa in alto. Si studia l’equilibrio inferiore \((0,0)\) in una carta locale \(|x_1|<\pi\).

Enunciato

La funzione energia relativa al punto inferiore

$$V(x)=\frac12m\ell^2x_2^2+mg\ell(1-\cos x_1)$$

è definita positiva in un intorno di \((0,0)\). Se \(b=0\), l’equilibrio è stabile ma non asintoticamente stabile. Se \(b>0\), l’equilibrio è localmente asintoticamente stabile; per ogni \(0<c<2mg\ell\), il sottolivello nella componente locale dell’origine

$$ \Omega_c^{(0)}=\{x:|x_1|<\pi,\ V(x)\le c\}, $$

è una stima positivamente invariante della sua regione di attrazione.

Dimostrazione completa: calcolo della derivata di Lyapunov

Si ha

$$ \nabla V(x)= \begin{bmatrix}mg\ell\sin x_1\\m\ell^2x_2\end{bmatrix}. $$

Lungo le traiettorie, sostituendo entrambe le equazioni di stato,

$$ \begin{aligned} \dot V &=mg\ell\sin x_1\,\dot x_1+m\ell^2x_2\,\dot x_2\\ &=mg\ell\sin x_1\,x_2+ m\ell^2x_2\left(-\frac g\ell\sin x_1-\frac{b}{m\ell^2}x_2\right)\\ &=mg\ell x_2\sin x_1-mg\ell x_2\sin x_1-bx_2^2\\ &=-bx_2^2\le0. \end{aligned} $$

I termini gravitazionali si cancellano: la variazione di energia è esattamente la potenza dissipata dall’attrito.

Caso senza attrito

Se \(b=0\), \(\dot V=0\) lungo ogni traiettoria, quindi \(V(t)=V(0)\). Per provare la stabilità, fissato un intorno \(B_\varepsilon\) dell’origine abbastanza piccolo, la continuità e la definita positività di \(V\) danno

$$\alpha_\varepsilon=\min_{\|x\|=\varepsilon}V(x)>0.$$

Per continuità in zero esiste \(\delta>0\) tale che \(\|x(0)\|<\delta\Rightarrow V(x(0))<\alpha_\varepsilon\). Poiché \(V\) è costante, la traiettoria non può raggiungere la sfera \(\|x\|=\varepsilon\), sulla quale \(V\ge\alpha_\varepsilon\). Resta dunque in \(B_\varepsilon\): l’equilibrio è stabile.

Non è attrattivo: per ogni condizione iniziale non equilibria con \(0<V(x(0))<2mg\ell\), la traiettoria resta sulla curva chiusa \(V(x)=V(x(0))\) e oscilla senza convergere all’origine. Quindi non è asintoticamente stabile.

Caso con attrito e LaSalle

Se \(b>0\), \(\dot V=-bx_2^2\) è semidefinita negativa. Si sceglie \(0<c<2mg\ell\). L’insieme locale \(\Omega_c^{(0)}\) è compatto e positivamente invariante: \(V\) non aumenta e, per raggiungere \(|x_1|=\pi\), servirebbe almeno l’energia \(2mg\ell>c\). L’insieme nel quale \(\dot V=0\) è

$$E=\{x:x_2=0\}.$$

Perché una traiettoria rimanga interamente in \(E\), deve avere non solo \(x_2=0\), ma anche

$$\dot x_2=-\frac g\ell\sin x_1=0.$$

Quindi \(x_1=k\pi\). Nell’insieme \(\Omega_c^{(0)}\) con \(c<2mg\ell\), il punto superiore \((\pi,0)\), che ha energia \(2mg\ell\), è escluso; il massimo sottoinsieme invariante di \(E\cap\Omega_c^{(0)}\) è pertanto il solo \((0,0)\). Il principio di LaSalle implica che ogni traiettoria in \(\Omega_c^{(0)}\) converge a \((0,0)\). Insieme alla stabilità già fornita da Lyapunov, ciò prova l’asintotica stabilità locale.

Equilibrio superiore

In \((\pi,0)\) l’energia potenziale ha un massimo, non un minimo. Ponendo \(\eta=x_1-\pi\), \(\sin(\pi+\eta)\simeq-\eta\), il linearizzato è

$$ \begin{bmatrix}\dot\eta\\\dot x_2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}0&1\\g/\ell&-b/(m\ell^2)\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\eta\\x_2\end{bmatrix}. $$

Il determinante della matrice è \(-g/\ell<0\), quindi gli autovalori sono reali di segno opposto: l’equilibrio superiore è una sella instabile, anche con attrito.

Esempio numerico

Con \(m=\ell=1\), \(g=9.81\), \(b=0.5\), \(x_1(0)=0.4\) rad e \(x_2(0)=0\),

$$V(x(0))=9.81(1-\cos0.4)\simeq0.774<2mg\ell=19.62.$$

La traiettoria appartiene quindi a una regione certificata da LaSalle e converge all’origine; durante il moto \(\dot V=-0.5x_2^2\).

Pendolo nei due equilibri e curve di energia nel piano di faseA sinistra il pendolo in basso stabile, al centro il pendolo capovolto instabile, a destra curve di livello dell'energia con spirale verso l'origine in presenza di attrito. θ=0: minimo di Vstabile / asintotico se b>0θ=π: massimo di energiasella instabilepiano (θ,ω)θωV=cattrito: V decresce

Follow-up probabili

Perché \(\dot V\le0\) non basta da sola per l’asintotica stabilità?

Perché può esistere un insieme non banale sul quale \(\dot V=0\); occorre verificare con LaSalle che il massimo sottoinsieme invariante sia il solo equilibrio.

Perché si richiede \(c<2mg\ell\)?

\(2mg\ell\) è l’energia dell’equilibrio capovolto e della separatrice. Sotto tale livello l’insieme locale non contiene l’altro equilibrio.

Senza attrito il pendolo è globalmente stabile?

No. La stabilità dell’equilibrio inferiore è locale; energie sopra la separatrice producono rotazioni e la periodicità dell’angolo richiede una descrizione sul cilindro.

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Domanda 26

Passaggio da Laplace a Fourier

Inquadramento

La trasformata di Laplace descrive transitorio e condizioni iniziali mediante una variabile complessa \(s\); la trasformata di Fourier descrive la distribuzione in frequenza e il regime. La risposta in frequenza si ottiene restringendo la trasformata di Laplace all’asse immaginario, ma soltanto se tale asse appartiene alla regione di convergenza.

Definizioni e ipotesi

Per un sistema LTI causale proprio, la risposta impulsiva può contenere un termine diretto:

$$h_{\mathrm{imp}}(t)=D\,\delta(t)+g(t),\qquad g(t)=0\ \text{per }t<0.$$

La trasformata di Laplace è quindi

$$ H(s)=D+\int_0^\infty g(t)e^{-st}dt,\qquad s=\sigma+j\omega, $$

mentre la trasformata di Fourier è

$$ H_F(\omega)=D+\int_{-\infty}^{\infty}g(t)e^{-j\omega t}dt. $$

Nel caso strettamente proprio \(D=0\); il termine \(D\) compare in entrambe le trasformate perché \(\mathcal L\{\delta\}=\mathcal F\{\delta\}=1\).

La regione di convergenza di Laplace è l’insieme dei valori di \(s\) per i quali l’integrale converge. Per una funzione razionale causale essa è il semipiano a destra del polo più a destra.

Enunciato

Se l’asse immaginario appartiene alla regione di convergenza di \(H(s)\), allora

$$H_F(\omega)=H(s)\big|_{s=j\omega}=H(j\omega).$$

Per una funzione di trasferimento razionale, propria e causale, l’inclusione dell’intero asse immaginario nella regione di convergenza equivale ad avere tutti i poli della funzione nel semipiano sinistro aperto, cioè alla stabilità BIBO; per una realizzazione minima ciò equivale anche ad avere \(A\) Hurwitz.

Dimostrazione completa

Per causalità del termine dinamico, l’integrale di Fourier si riduce a

$$H_F(\omega)=D+\int_0^\infty g(t)e^{-j\omega t}dt.$$

Se \(j\omega\) appartiene alla regione di convergenza, il membro destro converge ed è esattamente la definizione di \(H(s)\) valutata in \(s=j\omega\):

$$H(j\omega)=D+\int_0^\infty g(t)e^{-(j\omega)t}dt=H_F(\omega).$$

Se il sistema è BIBO stabile, la parte dinamica soddisfa \(g\in L^1(0,\infty)\); allora l’integrale converge assolutamente per ogni \(\omega\), perché

$$\int_0^\infty|g(t)e^{-j\omega t}|dt=\int_0^\infty|g(t)|dt<\infty.$$

Per un sistema razionale causale, \(g\in L^1\) se e solo se tutti i poli della funzione di trasferimento hanno parte reale negativa. Un polo sull’asse immaginario rende invece la sostituzione non valida come trasformata classica nel punto corrispondente; possono essere necessarie distribuzioni o valori principali.

Significato fisico: risposta armonica

Si applichi l’esponenziale complesso \(u(t)=Ue^{j\omega t}\), idealmente presente da \(-\infty\). A regime, usando la convoluzione e ponendo \(\sigma=t-\tau\),

$$ \begin{aligned} y_r(t) &=DUe^{j\omega t}+\int_{-\infty}^{t}g(t-\tau)Ue^{j\omega\tau}d\tau\\ &=Ue^{j\omega t}\left[D+\int_0^\infty g(\sigma)e^{-j\omega\sigma}d\sigma\right]\\ &=H(j\omega)Ue^{j\omega t}. \end{aligned} $$

Il sistema non cambia la pulsazione: moltiplica l’ampiezza per \(|H(j\omega)|\) e aggiunge la fase \(\arg H(j\omega)\). Per sistemi MIMO la relazione vale elemento per elemento e \(H(j\omega)\) è una matrice complessa.

Esempio svolto

Per

$$W(s)=\frac1{s+2},$$

il polo è in \(-2\), la regione di convergenza causale è \(\Re s>-2\) e contiene l’asse immaginario. Quindi

$$ W(j\omega)=\frac1{2+j\omega} =\frac{2-j\omega}{4+\omega^2}, \quad |W(j\omega)|=\frac1{\sqrt{4+\omega^2}}, \quad \arg W(j\omega)=-\arctan\frac{\omega}{2}. $$

Con \(u(t)=3\cos2t\),

$$|W(j2)|=\frac1{2\sqrt2},\qquad \arg W(j2)=-\frac\pi4,$$

e

$$y_r(t)=\frac{3}{2\sqrt2}\cos\left(2t-\frac\pi4\right).$$ Asse immaginario nella regione di convergenzaNel piano s i poli sono a sinistra e la regione di convergenza causale comprende l'asse immaginario, sul quale si valuta la risposta in frequenza. Re sjωpolo −2ROC: Re s > −2asse di Fourier incluso

Tempo discreto

L’analogo TD è la restrizione della trasformata zeta alla circonferenza unitaria: \(H(e^{j\Omega})=H(z)|_{z=e^{j\Omega}}\), valida se la circonferenza unitaria appartiene alla regione di convergenza, cioè per un sistema razionale causale asintoticamente stabile.

Follow-up probabili

Posso sempre sostituire \(s=j\omega\)?

No. Occorre che il punto \(j\omega\), e per una risposta in frequenza completa tutto l’asse, appartenga alla regione di convergenza.

Che cosa accade con un integratore \(1/s\)?

Il polo è sull’asse immaginario; la risposta in frequenza classica non è definita in \(\omega=0\) e il sistema non è BIBO stabile.

Qual è la differenza operativa tra Laplace e Fourier?

Laplace gestisce condizioni iniziali e transitori causali; Fourier scompone segnali in frequenze e fornisce direttamente il comportamento a regime.

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Domanda 27

Calcolo esponenziale e potenza di matrice (una volta esponenziale di matrice con autovalori reali e una volta potenza di matrice con autovalori reali)

Inquadramento

L’esponenziale \(e^{At}\) genera l’evoluzione libera dei sistemi continui, mentre la potenza \(A^k\) genera quella dei sistemi discreti. Se \(A\) possiede una base reale completa di autovettori, entrambi i calcoli si riducono all’elevamento di scalari reali.

Definizioni e ipotesi

Sia \(A\in\mathbb R^{n\times n}\) diagonalizzabile su \(\mathbb R\). Esistono autovalori reali \(\lambda_1,\ldots,\lambda_n\) e \(n\) autovettori indipendenti \(v_1,\ldots,v_n\). Ponendo

$$ V=\begin{bmatrix}v_1&\cdots&v_n\end{bmatrix},\qquad \Lambda=\operatorname{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_n), $$

la relazione \(Av_i=\lambda_iv_i\) per ogni \(i\) equivale a

$$AV=V\Lambda,\qquad A=V\Lambda V^{-1}.$$

Enunciato

Per ogni intero \(k\ge0\) e ogni \(t\in\mathbb R\),

$$ A^k=V\Lambda^kV^{-1},\qquad e^{At}=Ve^{\Lambda t}V^{-1}, $$

dove

$$ \Lambda^k=\operatorname{diag}(\lambda_1^k,\ldots,\lambda_n^k),\qquad e^{\Lambda t}=\operatorname{diag}(e^{\lambda_1t},\ldots,e^{\lambda_nt}). $$

Dimostrazione completa

Per \(k=0\), \(V\Lambda^0V^{-1}=VIV^{-1}=I=A^0\). Se \(A^k=V\Lambda^kV^{-1}\), allora

$$ A^{k+1}=A^kA= V\Lambda^kV^{-1}V\Lambda V^{-1} =V\Lambda^{k+1}V^{-1}. $$

Per induzione la formula vale per ogni \(k\ge0\). Usando la definizione in serie dell’esponenziale e la convergenza assoluta,

$$ \begin{aligned} e^{At} &=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^kt^k}{k!} =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{V\Lambda^kV^{-1}t^k}{k!}\\ &=V\left(\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\Lambda^kt^k}{k!}\right)V^{-1} =Ve^{\Lambda t}V^{-1}. \end{aligned} $$

Poiché \(\Lambda\) è diagonale, ogni operazione si esegue elemento per elemento. Se gli autovalori sono ripetuti ma esistono comunque \(n\) autovettori indipendenti, la prova non cambia. Se gli autovettori non formano una base, occorre la forma di Jordan e compaiono fattori \(t^he^{\lambda t}\) in TC e polinomi in \(k\) moltiplicati per \(\lambda^k\) in TD.

Esempio completo: esponenziale con autovalori reali

Sia

$$A=\begin{bmatrix}0&1\\-2&-3\end{bmatrix}.$$

Il polinomio caratteristico è

$$\det(\lambda I-A)=\lambda^2+3\lambda+2=(\lambda+1)(\lambda+2),$$

quindi \(\lambda_1=-1\), \(\lambda_2=-2\). Si possono scegliere

$$v_1=\begin{bmatrix}1\\-1\end{bmatrix},\qquad v_2=\begin{bmatrix}1\\-2\end{bmatrix}.$$

Allora

$$ V=\begin{bmatrix}1&1\\-1&-2\end{bmatrix},\qquad V^{-1}=\begin{bmatrix}2&1\\-1&-1\end{bmatrix},\qquad e^{\Lambda t}=\begin{bmatrix}e^{-t}&0\\0&e^{-2t}\end{bmatrix}. $$

Eseguendo i due prodotti,

$$ \begin{aligned} e^{At} &=\begin{bmatrix}1&1\\-1&-2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}e^{-t}&0\\0&e^{-2t}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}2&1\\-1&-1\end{bmatrix}\\ &=\begin{bmatrix} 2e^{-t}-e^{-2t}&e^{-t}-e^{-2t}\\ -2e^{-t}+2e^{-2t}&-e^{-t}+2e^{-2t} \end{bmatrix}. \end{aligned} $$

Per \(t=0\) si ottiene \(I\); derivando in \(t=0\) si ottiene \(A\), due verifiche indipendenti del calcolo.

Esempio completo: potenza con autovalori reali

Sia

$$A=\begin{bmatrix}2&1\\0&3\end{bmatrix}.$$

Gli autovalori sono \(2\) e \(3\), con autovettori \(v_1=(1,0)^T\) e \(v_2=(1,1)^T\). Pertanto

$$ V=\begin{bmatrix}1&1\\0&1\end{bmatrix},\qquad V^{-1}=\begin{bmatrix}1&-1\\0&1\end{bmatrix}. $$

Segue

$$ \begin{aligned} A^k &=\begin{bmatrix}1&1\\0&1\end{bmatrix} \begin{bmatrix}2^k&0\\0&3^k\end{bmatrix} \begin{bmatrix}1&-1\\0&1\end{bmatrix}\\ &=\begin{bmatrix}2^k&3^k-2^k\\0&3^k\end{bmatrix}. \end{aligned} $$

Per esempio

$$A^3=\begin{bmatrix}8&19\\0&27\end{bmatrix},$$

che coincide con il prodotto diretto \(A^2A\), dato che \(A^2=\begin{bmatrix}4&5\\0&9\end{bmatrix}\).

Procedura di diagonalizzazione per esponenziale e potenzaDalla matrice si calcolano autovalori e autovettori, si forma la matrice V e si applica la funzione agli elementi della diagonale. matrice Arealeautovalori realiautovettori indipendentiA=VΛV⁻¹Λ diagonaletempo continuoeᴬᵗ=V diag(e^{λᵢt})V⁻¹tempo discretoAᵏ=V diag(λᵢᵏ)V⁻¹

Follow-up probabili

Autovalori distinti garantiscono diagonalizzabilità?

Sì: autovettori associati ad autovalori distinti sono linearmente indipendenti.

Come si controlla rapidamente \(e^{At}\)?

Devono valere \(e^{A0}=I\) e \(\frac{d}{dt}e^{At}|_{t=0}=A\).

Che cosa succede se \(\lambda_i=0\) nel calcolo di \(A^k\)?

Per \(k=0\) si usa \(\Lambda^0=I\); per \(k>0\) il contributo del modo nullo è zero. Per potenze negative servirebbe invece \(A\) invertibile.

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Domanda 28

Domanda su una particolare struttura del diagramma di Bode

Inquadramento

Da una struttura assegnata dei diagrammi di Bode si possono inferire tipo del sistema, guadagno, pulsazioni di spezzata, molteplicità di poli e zeri e presenza di coppie complesse poco smorzate. L’identificazione non è sempre unica: il modulo non distingue singolarità nel semipiano destro da quelle speculari nel sinistro; la fase fornisce l’informazione mancante.

Definizioni e ipotesi

Una funzione SISO razionale si fattorizza nella forma normalizzata

$$ W(s)=K\,s^\nu \frac{\prod_i(1+s\tau_{z,i})^{m_{z,i}} \prod_r[1+2\zeta_{z,r}s/\omega_{n,z,r}+(s/\omega_{n,z,r})^2]^{q_{z,r}}} {\prod_j(1+s\tau_{p,j})^{m_{p,j}} \prod_\ell[1+2\zeta_{p,\ell}s/\omega_{n,p,\ell}+(s/\omega_{n,p,\ell})^2]^{q_{p,\ell}}}. $$

Il diagramma del modulo è \(20\log_{10}|W(j\omega)|\); il diagramma della fase è \(\arg W(j\omega)\), con ascissa logaritmica.

Enunciato: leggi di lettura

Elemento osservatoDeduzione
Pendenza iniziale \(20\nu\) dB/dec\(\nu>0\): zeri nell’origine; \(\nu<0\): poli nell’origine. Il tipo è \(-\nu\) quando \(\nu<0\).
Cambio \(+20m\) dB/decZero reale di molteplicità \(m\).
Cambio \(-20m\) dB/decPolo reale di molteplicità \(m\).
Cambio di \(\pm40m\) dB/decCoppia di zeri o poli di secondo ordine, molteplicità \(m\).
Picco prima di una caduta di \(40\) dB/decCoppia di poli complessi poco smorzata; altezza legata a \(\zeta\).
Notch profondo con aumento di \(40\) dB/decCoppia di zeri complessi; per \(\zeta=0\) il modulo si annulla.
Fase senza variazione corrispondente nel moduloRitardo puro o fattore passa-tutto.

Dimostrazione e giustificazione delle regole

Il logaritmo trasforma prodotti e rapporti in somme e differenze:

$$20\log_{10}|W|=20\log_{10}|K|+\sum\text{contributi degli zeri}-\sum\text{contributi dei poli}.$$

Per un binomio, con \(r=\omega|\tau|\),

$$20\log_{10}|1+j\omega\tau|=10\log_{10}(1+r^2).$$

Se \(r\ll1\), il contributo tende a \(0\) dB; se \(r\gg1\), vale \(20\log_{10}r\), una retta di pendenza \(+20\) dB/dec. Un binomio al denominatore cambia il segno. Per un trinomio, ad alta frequenza domina \((j\omega/\omega_n)^2\), quindi il contributo è \(\pm40\) dB/dec. Le molteplicità moltiplicano le pendenze.

La fase è la somma degli argomenti. Un polo reale stabile dà un ritardo complessivo di \(90^\circ\), uno zero stabile un anticipo di \(90^\circ\); una coppia stabile dà rispettivamente \(-180^\circ\) o \(+180^\circ\). Se una singolarità è nel semipiano destro, il modulo resta invariato ma il segno del contributo di fase si inverte. Quindi dal solo modulo si identifica una funzione plausibile; per identificarne il segno delle costanti di tempo occorre la fase o l’ipotesi di fase minima.

Procedura pratica di identificazione

  1. Leggere la pendenza del primo tratto e ricavare \(\nu\).
  2. Prolungare il primo tratto fino a \(\omega=1\) e ricavare \(20\log_{10}|K|\).
  3. Segnare ogni pulsazione alla quale cambia pendenza.
  4. Dividere il salto di pendenza per \(20\) dB/dec; il segno distingue polo e zero, il valore assoluto la molteplicità.
  5. Cercare picchi o notch e stimare \(\omega_n,\zeta\).
  6. Usare la fase per distinguere semipiano sinistro, semipiano destro e ritardi.
  7. Controllare la pendenza finale: deve essere \(20(\deg N-\deg D)\) dB/dec.

Esempio completo di struttura assegnata

Supponiamo di leggere: pendenza iniziale \(-20\) dB/dec; un picco vicino a \(1\) rad/s seguito da un’ulteriore diminuzione di \(40\) dB/dec; aumento di \(20\) dB/dec a \(10\) rad/s; diminuzione di \(20\) dB/dec a \(100\) rad/s. La fase parte da \(-90^\circ\), scende di circa \(180^\circ\) attorno a \(1\), sale di \(90^\circ\) attorno a \(10\) e scende di \(90^\circ\) attorno a \(100\). Una funzione plausibile, stabile e a fase minima, è

$$ W(s)= \frac{100(1+s/10)} {s\,[1+0.4s+s^2]\,(1+s/100)}. $$

Infatti:

  • \(1/s\) dà pendenza iniziale \(-20\) dB/dec e fase \(-90^\circ\);
  • \(1+0.4s+s^2=1+2\zeta s/\omega_n+(s/\omega_n)^2\) dà \(\omega_n=1\), \(\zeta=0.2\), coppia di poli e salto \(-40\) dB/dec;
  • \(1+s/10\) è uno zero in \(-10\), salto \(+20\) dB/dec e anticipo \(+90^\circ\);
  • \(1+s/100\) al denominatore è un polo in \(-100\), salto \(-20\) dB/dec e ritardo \(-90^\circ\).

A bassa frequenza \(|W(j\omega)|\simeq100/\omega\), dunque il prolungamento a \(\omega=1\) vale \(40\) dB. Il secondo ordine isolato ha

$$\omega_r=\omega_n\sqrt{1-2\zeta^2}\simeq0.959,\qquad M_r=\frac1{2\zeta\sqrt{1-\zeta^2}}\simeq2.55,$$

perciò produce un rilievo di circa \(8.1\) dB. Esattamente a \(\omega=1\), includendo anche i fattori lenti,

$$|W(j)|\simeq\frac{100\sqrt{1+0.1^2}}{0.4\sqrt{1+0.01^2}}\simeq251,\qquad 20\log_{10}|W(j)|\simeq48.0\text{ dB}.$$

Le pendenze successive sono \(-20,-60,-40,-60\) dB/dec; la fase finale è \(-270^\circ\), coerente con grado relativo \(3\).

Diagramma di Bode strutturale dell'esempioModulo con pendenze meno 20, meno 60, meno 40 e meno 60 decibel per decade, picco di risonanza vicino a uno; fase con i contributi di integratore, coppia di poli, zero e polo. Modulo (dB)Fase (gradi) 0.11101001000 0.11101001000 −20 dB/dec−60−40−60 risonanza ζ=0.2ωω −90°−180°−270°

Follow-up probabili

Dal solo modulo si distingue uno zero a destra da uno a sinistra?

No: \(1+j\omega\tau\) ha modulo dipendente da \(|\tau|\). Il segno di \(\tau\), quindi il semipiano, si riconosce dalla fase.

Che cosa segnala un picco di risonanza?

Tipicamente una coppia di poli complessi con \(0<\zeta<1/\sqrt2\); posizione e altezza permettono di stimare \(\omega_n\) e \(\zeta\).

Come si riconosce un ritardo puro?

Non modifica il modulo, ma aggiunge una fase \(-\omega T\), non limitata e lineare nella pulsazione.

Perché l’identificazione è detta “plausibile”?

Perché diagrammi approssimati e intervallo di frequenze finito possono nascondere singolarità; inoltre fattori passa-tutto condividono il modulo con il sistema di fase minima.

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Domanda 29

Criterio di Routh tempo discreto e tempo continuo

Inquadramento

Il criterio di Routh stabilisce quante radici di un polinomio appartengono al semipiano destro senza calcolarle. In TC fornisce direttamente il test di Hurwitz; nel TD, secondo l’impostazione degli appunti, si trasforma prima il cerchio unitario nel semipiano sinistro mediante una trasformazione bilineare e si applica poi Routh al polinomio trasformato.

Definizioni e ipotesi

Sia

$$p(s)=a_0s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n,\qquad a_0\ne0,$$

a coefficienti reali. La tabella di Routh ha \(n+1\) righe. Le prime due sono

$$ \begin{array}{c|cccc} s^n&a_0&a_2&a_4&\cdots\\ s^{n-1}&a_1&a_3&a_5&\cdots \end{array}. $$

Indicando con \(r_{i,j}\) l’elemento di riga \(i\), colonna \(j\), le righe successive si calcolano con

$$ r_{i,j}= \frac{r_{i-1,1}r_{i-2,j+1}-r_{i-2,1}r_{i-1,j+1}} {r_{i-1,1}}, $$

considerando nulli gli elementi mancanti.

Enunciato del criterio di Routh in TC

Se la tabella è ben definita e il polinomio non ha radici sull’asse immaginario, il numero di variazioni di segno nella prima colonna è uguale al numero di radici di \(p\) nel semipiano destro, contate con molteplicità. In particolare, \(p\) è Hurwitz se e solo se tutti gli elementi della prima colonna sono non nulli e hanno lo stesso segno.

Dimostrazione e giustificazione del conteggio delle radici

Si separano parte pari e dispari:

$$p(s)=E(s^2)+sO(s^2).$$

Sull’asse immaginario,

$$p(j\omega)=E(-\omega^2)+j\omega O(-\omega^2).$$

Il numero di avvolgimenti della curva \(p(j\omega)\) attorno all’origine determina, per il principio dell’argomento applicato al contorno del semipiano destro, il numero di zeri di \(p\) in tale semipiano. Ogni attraversamento dell’asse immaginario nel piano dei valori è descritto dal rapporto reale

$$R(\omega)=\frac{\omega O(-\omega^2)}{E(-\omega^2)}.$$

Il suo indice di Cauchy conta con segno i passaggi da \(+\infty\) a \(-\infty\) e viceversa, quindi la variazione totale dell’argomento. L’algoritmo di Routh è precisamente l’algoritmo euclideo applicato ai polinomi \(E\) e \(sO\): i resti, con segno alternato e normalizzazione tramite il primo elemento della riga precedente, sono le righe della tabella. Il teorema di Sturm–Cauchy afferma che l’indice del rapporto è la differenza delle variazioni di segno della catena ai due estremi; nella tabella tale differenza si riduce alle variazioni della prima colonna. Il principio dell’argomento converte infine quell’indice nel numero di zeri nel semipiano destro. Questo giustifica sia la ricorrenza sia il conteggio enunciato.

Esempio TC

Per

$$p(s)=s^3+6s^2+12s+6,$$

la tabella è

$$ \begin{array}{c|cc} s^3&1&12\\ s^2&6&6\\ s^1&\dfrac{6\cdot12-1\cdot6}{6}=11&0\\ s^0&6& \end{array}. $$

La prima colonna \(1,6,11,6\) è positiva: non vi sono radici nel semipiano destro e il polinomio è Hurwitz.

Casi particolari della tabella

Zero nella prima colonna, riga non nulla. Si sostituisce lo zero con \(\varepsilon>0\), si completa la tabella e si considera il limite \(\varepsilon\to0^+\). Il segno dei termini dominanti determina il numero di variazioni. Questa perturbazione sposta infinitesimamente il caso degenerato senza cambiare il conteggio delle radici lontane dall’asse.

Riga interamente nulla. La riga precedente definisce il polinomio ausiliario \(A_{\mathrm{aux}}(s)\), formato con le potenze indicate da quella riga. Si sostituisce la riga nulla con i coefficienti di \(A'_{\mathrm{aux}}(s)\) e si prosegue. La riga nulla segnala un fattore con radici simmetriche rispetto all’origine; se esse sono sull’asse immaginario, il sistema non è asintoticamente stabile.

Per esempio, se la riga \(s^4\) è \([1,1,1]\), allora \(A_{\mathrm{aux}}(s)=s^4+s^2+1\) e la riga nulla sottostante si sostituisce con i coefficienti di \(4s^3+2s\), cioè \([4,2,0]\).

Tempo discreto secondo gli appunti: trasformazione bilineare e Routh

Per un polinomio caratteristico TD

$$p(z)=a_0z^n+a_1z^{n-1}+\cdots+a_n,$$

l’asintotica stabilità richiede \(|z_i|<1\) per ogni radice. Gli appunti usano

$$z=\frac{w+1}{w-1},\qquad q(w)=(w-1)^n p\!\left(\frac{w+1}{w-1}\right).$$

La mappa porta il semipiano sinistro nell’interno del cerchio unitario. Infatti, per \(w=a+jb\),

$$ |z|<1 \iff |w+1|<|w-1| \iff (a+1)^2+b^2<(a-1)^2+b^2 \iff a<0. $$

Quindi tutte le radici di \(p(z)\) sono nel disco unitario se e solo se tutte le radici del polinomio reale \(q(w)\) sono nel semipiano sinistro. Si costruisce la tabella di Routh di \(q\). Se il grado di \(q\) scende, allora \(p(1)=0\): è presente una radice sul bordo e manca l’asintotica stabilità.

Esempio TD con parametro

Per

$$p(z)=z^2+z+h,$$

si ottiene

$$ \begin{aligned} q(w) &=(w-1)^2\left[\left(\frac{w+1}{w-1}\right)^2+ \frac{w+1}{w-1}+h\right]\\ &=(w+1)^2+(w+1)(w-1)+h(w-1)^2\\ &=(2+h)w^2+(2-2h)w+h. \end{aligned} $$

Per un secondo grado, Routh richiede coefficienti tutti dello stesso segno. Con il coefficiente principale positivo:

$$ 2+h>0,\qquad 2-2h>0,\qquad h>0 \quad\Longleftrightarrow\quad 0<h<1. $$

Questo è quindi l’intervallo di stabilità Schur del polinomio originario.

Criterio di Jury come alternativa

Jury opera direttamente nel piano \(z\). Una forma ricorsiva equivalente parte da \(p_0(z)=a_0z^n+\cdots+a_n\): occorre \(|a_n|<|a_0|\), poi si costruisce

$$ p_1(z)=\frac{a_0p_0(z)-a_nz^np_0(1/z)}{z}, $$

che ha grado \(n-1\), e si ripete il confronto tra coefficiente iniziale e finale. Nella forma tabellare si aggiungono anche i controlli \(p(1)>0\) e \((-1)^np(-1)>0\) dopo aver normalizzato \(a_0>0\). È un test diretto utile, ma nel corso la procedura da mettere in primo piano è la trasformazione bilineare seguita da Routh.

Mappa bilineare dal semipiano sinistro al disco unitarioIl semipiano sinistro del piano w viene trasformato nel disco unitario del piano z; Routh sul polinomio trasformato equivale alla stabilità discreta. piano wpiano zRe w<0|z|<1z=(w+1)/(w−1)Re wRe zIm wIm z

Follow-up probabili

Che cosa conta una variazione di segno?

Una radice nel semipiano destro, con molteplicità. Nessuna variazione equivale a tutte le radici nel semipiano sinistro se non vi sono degenerazioni.

Perché una riga nulla richiede un polinomio ausiliario?

Segnala un fattore pari o dispari con radici simmetriche; la derivata spezza la degenerazione e consente di proseguire l’algoritmo conservando il conteggio.

Quale regione stabile si usa in TD?

Il disco aperto \(|z|<1\); i punti sul cerchio unitario danno al più stabilità semplice, non asintotica.

La trasformazione degli appunti è la sola possibile?

No. Esistono convenzioni bilineari equivalenti che differiscono per un cambio di segno della variabile; qui si usa esattamente \(z=(w+1)/(w-1)\).

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Domanda 30

Polinomio minimo e caratteristico

Inquadramento

Il polinomio caratteristico elenca gli autovalori con molteplicità algebrica; il polinomio minimo è il più piccolo polinomio che annulla la matrice e misura anche la lunghezza delle catene di autovettori generalizzati. Il loro confronto determina quanto le dinamiche interne possano semplificarsi nelle espressioni matriciali.

Definizioni e ipotesi

Per \(A\in\mathbb C^{n\times n}\), il polinomio caratteristico è

$$\chi_A(s)=\det(sI-A),$$

monico di grado \(n\). Il polinomio minimo \(m_A(s)\) è l’unico polinomio monico di grado minimo tale che

$$m_A(A)=0.$$

Enunciato delle relazioni fondamentali

  1. \(m_A\) divide ogni polinomio \(q\) tale che \(q(A)=0\).
  2. Per Cayley–Hamilton, \(\chi_A(A)=0\), dunque \(m_A\mid\chi_A\).
  3. \(m_A\) e \(\chi_A\) hanno le stesse radici distinte: tutti e soli gli autovalori di \(A\).
  4. Se i blocchi di Jordan relativi a \(\lambda_i\) hanno dimensioni \(d_{i1},\ldots,d_{ir_i}\), allora
$$ \chi_A(s)=\prod_i(s-\lambda_i)^{\sum_jd_{ij}},\qquad m_A(s)=\prod_i(s-\lambda_i)^{\max_jd_{ij}}. $$

Di conseguenza \(m_A=\chi_A\) se e solo se, per ogni autovalore, esiste un solo blocco di Jordan.

Dimostrazione completa dei risultati

Unicità e divisibilità. Sia \(q(A)=0\). Per la divisione euclidea esistono \(d,r\) tali che

$$q(s)=d(s)m_A(s)+r(s),\qquad \deg r<\deg m_A.$$

Valutando in \(A\),

$$0=q(A)=d(A)m_A(A)+r(A)=r(A).$$

Per la minimalità di \(m_A\), l’unico resto di grado minore che annulla \(A\) è il polinomio nullo; quindi \(r=0\) e \(m_A\mid q\). Se esistessero due polinomi minimi monici, ciascuno dividerebbe l’altro e, avendo lo stesso grado e coefficiente principale, coinciderebbero.

Divisione del caratteristico. Cayley–Hamilton dà \(\chi_A(A)=0\). Applicando il risultato precedente con \(q=\chi_A\), si ottiene \(m_A\mid\chi_A\).

Ogni autovalore è radice del minimo. Se \(Av=\lambda v\), \(v\ne0\), allora per ogni polinomio \(p\), \(p(A)v=p(\lambda)v\). In particolare,

$$0=m_A(A)v=m_A(\lambda)v,$$

e dunque \(m_A(\lambda)=0\).

Ogni radice del minimo è un autovalore. Se \(\mu\) fosse radice di \(m_A\) ma non autovalore, si potrebbe scrivere \(m_A(s)=(s-\mu)q(s)\). La matrice \(A-\mu I\) sarebbe invertibile e

$$0=m_A(A)=(A-\mu I)q(A)$$

implicherebbe \(q(A)=0\), in contraddizione con \(\deg q<\deg m_A\). Quindi \(\mu\) è un autovalore.

Esponenti e blocchi di Jordan. Su un blocco \(J_d(\lambda)=\lambda I+N\), con \(N^d=0\) e \(N^{d-1}\ne0\), il fattore \((s-\lambda)^r\) valutato sul blocco dà \(N^r\), che lo annulla se e solo se \(r\ge d\). I fattori associati ad autovalori diversi da \(\lambda\) sono invertibili sul blocco, quindi non possono ridurre questo esponente. Per annullare tutti i blocchi relativi a \(\lambda\) serve e basta l’esponente pari alla dimensione del blocco più grande. Il caratteristico, invece, moltiplica i caratteristici dei blocchi e somma le loro dimensioni. Le formule seguono.

Esempi in cui coincidono e differiscono

Matrice scalare. Se \(A=-2I_3\),

$$\chi_A(s)=(s+2)^3,\qquad m_A(s)=s+2.$$

Il minimo differisce perché vi sono tre blocchi \(1\times1\) per lo stesso autovalore.

Un solo blocco. Se

$$A=\begin{bmatrix}-2&1&0\\0&-2&1\\0&0&-2\end{bmatrix},$$

allora

$$\chi_A(s)=m_A(s)=(s+2)^3,$$

poiché \((A+2I)^3=0\) ma \((A+2I)^2\ne0\).

Caso misto. Per

$$A=\begin{bmatrix}1&1&0&0\\0&1&0&0\\0&0&1&0\\0&0&0&3\end{bmatrix},$$

si ha

$$\chi_A(s)=(s-1)^3(s-3),\qquad m_A(s)=(s-1)^2(s-3).$$

Per \(\lambda=1\) i blocchi hanno dimensioni \(2\) e \(1\): il caratteristico usa \(2+1=3\), il minimo usa \(\max(2,1)=2\).

Tempo continuo e tempo discreto

Le relazioni algebriche non dipendono dal tempo. In TC il minimo determina i modi \(t^he^{\lambda t}\) necessari in \(e^{At}\); in TD determina i modi polinomiali in \(k\) moltiplicati per \(\lambda^k\). Inoltre consente di ridurre ogni potenza di \(A\) a una combinazione delle potenze inferiori al suo grado.

Confronto degli esponenti nei polinomi caratteristico e minimoPer uno stesso autovalore il caratteristico somma le dimensioni dei blocchi di Jordan, mentre il minimo prende la dimensione massima. blocchi per λJ₃(λ)dimensione 3J₂(λ)J₁(λ)caratteristicoesponente 3+2+1=6minimoesponente max(3,2,1)=3

Follow-up probabili

Il minimo può avere una radice che non è nel caratteristico?

No. Il minimo divide il caratteristico e, più direttamente, una radice non autovalore potrebbe essere eliminata usando l’invertibilità di \(A-\mu I\).

Qual è l’esponente di un autovalore nel minimo?

La dimensione del più grande blocco di Jordan relativo a quell’autovalore, non la molteplicità geometrica.

Quando una matrice è diagonalizzabile in termini del minimo?

Quando \(m_A\) è prodotto di fattori lineari distinti, cioè ogni esponente è uno.

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Domanda 31

Termine trinomio del diagramma di Bode

Inquadramento

Il termine trinomio normalizzato rappresenta una coppia di poli o zeri del secondo ordine. Gli asintoti dipendono dall’ordine, mentre l’andamento esatto vicino alla pulsazione naturale dipende fortemente dallo smorzamento: possono comparire risonanza, notch o un salto di fase.

Definizioni e ipotesi

Si considera

$$ T_\mu(s)= \left[1+2\zeta\frac{s}{\omega_n}+ \left(\frac{s}{\omega_n}\right)^2\right]^\mu, $$

con \(\omega_n>0\), \(\zeta\in\mathbb R\) e, tipicamente, \(\mu\in\mathbb Z\setminus\{0\}\). Se \(\mu>0\) il trinomio è al numeratore, se \(\mu<0\) è al denominatore; \(|\mu|\) è la molteplicità. Ponendo \(r=\omega/\omega_n\),

$$ Q(j\omega)=1-r^2+j\,2\zeta r. $$

Enunciato: modulo e fase esatti

Il contributo al modulo in decibel è

$$ L_\mu(\omega)=20\log_{10}|T_\mu(j\omega)| =10\mu\log_{10}\!\left[(1-r^2)^2+4\zeta^2r^2\right]. $$

La fase continua, o “srotolata”, si calcola senza ambiguità di quadrante con

$$ \phi_\mu(\omega)= \mu\,\operatorname{atan2}(2\zeta r,\,1-r^2). $$

Per \(\zeta>0\), la fase di \(Q\) passa da \(0^\circ\) a \(180^\circ\); elevare a \(\mu\) moltiplica modulo in dB e fase per \(\mu\). Per un denominatore semplice, \(\mu=-1\), la fase passa quindi da \(0^\circ\) a \(-180^\circ\).

Dimostrazione delle formule e degli asintoti

Dalla parte reale e immaginaria di \(Q(j\omega)\),

$$|Q(j\omega)|^2=(1-r^2)^2+(2\zeta r)^2.$$

Poiché \(|Q^\mu|=|Q|^\mu\),

$$20\log_{10}|Q^\mu|=20\mu\log_{10}|Q| =10\mu\log_{10}|Q|^2,$$

che dà la formula del modulo. L’argomento di un prodotto viene moltiplicato per l’esponente, mentre \(\operatorname{atan2}\) usa simultaneamente parte immaginaria e reale e assegna il quadrante corretto.

Se \(r\ll1\), \(Q(j\omega)\simeq1\), quindi il contributo è \(0\) dB e \(0^\circ\). Se \(r\gg1\), \(|Q|\simeq r^2\), perciò

$$L_\mu(\omega)\simeq40\mu\log_{10}r.$$

L’asintoto del modulo è dunque orizzontale prima di \(\omega_n\) e ha pendenza \(40\mu\) dB/dec dopo \(\omega_n\). Per \(\zeta>0\), l’asintoto a gradino della fase vale \(0^\circ\) prima e \(180\mu^\circ\) dopo; una approssimazione lineare più dolce distribuisce il cambiamento fra \(0.1\omega_n\) e \(10\omega_n\).

Alla pulsazione naturale, per \(\zeta\ne0\),

$$|Q(j\omega_n)|=2|\zeta|,\qquad L_\mu(\omega_n)=20\mu\log_{10}(2|\zeta|),\qquad \phi_\mu(\omega_n)=90^\circ\,\mu\,\operatorname{sgn}\zeta.$$

Picco di risonanza

Per una coppia di poli semplice, \(G=Q^{-1}\), si pone

$$D(r)=|Q(j\omega)|^2=(1-r^2)^2+4\zeta^2r^2 =1+(4\zeta^2-2)r^2+r^4.$$

Derivando,

$$D'(r)=4r(r^2+2\zeta^2-1).$$

Oltre a \(r=0\), esiste un punto stazionario positivo se e solo se \(0<|\zeta|<1/\sqrt2\), e allora

$$r_r=\sqrt{1-2\zeta^2},\qquad \omega_r=\omega_n\sqrt{1-2\zeta^2}.$$

In tale punto \(D(r_r)=4\zeta^2(1-\zeta^2)\). Per \(\zeta>0\) il modulo del termine al denominatore ha quindi il massimo

$$M_r=\frac1{2\zeta\sqrt{1-\zeta^2}}.$$

Per il trinomio al numeratore lo stesso punto è un minimo del modulo, perché il diagramma in dB è il riflesso rispetto all’asse \(0\) dB.

Tutte le casistiche dello smorzamento

  • \(\zeta>1\): due radici reali negative distinte; il trinomio si fattorizza in due binomi con singolarità nel semipiano sinistro e non presenta risonanza.
  • \(\zeta=1\): \(Q(s)=(1+s/\omega_n)^2\). Alla spezzata il numeratore vale \(+6.02\) dB e il denominatore \(-6.02\) dB rispetto al livello \(0\).
  • \(1/\sqrt2\le\zeta<1\): radici complesse coniugate nel semipiano sinistro — poli se \(\mu<0\), zeri se \(\mu>0\) — ma nessun massimo di risonanza del termine al denominatore a pulsazione positiva.
  • \(0<\zeta<1/\sqrt2\): coppia complessa poco smorzata e picco del termine al denominatore alle quantità \(\omega_r,M_r\) sopra calcolate.
  • \(\zeta=0\): \(Q(j\omega)=1-r^2\). A \(\omega_n\) il numeratore si annulla, quindi il modulo tende a \(-\infty\) dB; il reciproco tende a \(+\infty\). La fase salta di \(180\mu^\circ\).
  • \(\zeta<0\): il modulo è identico al caso \(|\zeta|\), ma la fase cambia segno. Le radici hanno parte reale positiva: al denominatore il sistema è instabile; al numeratore gli zeri sono a fase non minima.

Esempio numerico

Per

$$G(s)=\frac1{1+0.4s+s^2},$$

si ha \(\omega_n=1\), \(\zeta=0.2\), \(\mu=-1\). Alla pulsazione naturale

$$|G(j)|=\frac1{0.4}=2.5,\qquad 20\log_{10}|G(j)|=7.96\text{ dB},\qquad \arg G(j)=-90^\circ.$$

Il massimo effettivo è

$$\omega_r=\sqrt{0.92}\simeq0.959,\qquad M_r=\frac1{0.4\sqrt{0.96}}\simeq2.552,\qquad 20\log_{10}M_r\simeq8.14\text{ dB}.$$ Bode esatto e asintotico del trinomio per varie zetaNel modulo del termine al denominatore lo smorzamento basso produce risonanza; nella fase il segno di zeta inverte il verso della transizione. Modulo di 1/Q (dB)Fase (gradi) 0.1ωₙωₙ10ωₙ 0.1ωₙωₙ10ωₙ 0+8−40 ζ=0: singolaritàζ=.2ζ=.5ζ=.707ζ=1 0°−90°−180°+180° ζ>0, poli stabiliζ<0, poli instabili

Follow-up probabili

Quando esiste il picco di risonanza?

Per una coppia di poli con \(0<\zeta<1/\sqrt2\); la pulsazione è \(\omega_n\sqrt{1-2\zeta^2}\).

Che cosa cambia se il trinomio è al numeratore?

Il contributo in dB e la fase cambiano segno; il picco del reciproco diventa un avvallamento.

Il modulo permette di distinguere \(\zeta\) da \(-\zeta\)?

No, perché contiene \(\zeta^2\). La fase cambia invece segno e rivela il semipiano delle radici.

Che cosa accade per \(\zeta=0\)?

Le radici sono \(\pm j\omega_n\): il numeratore ha un notch nullo, il denominatore una singolarità infinita, e la fase salta di \(180^\circ\).

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Domanda 32

Passaggi e leggi che regolano i diagrammi di Bode dei termini binomi, con tutte le particolarità (molteplicità positiva/negativa, tau positiva/negativa)

Inquadramento

Il binomio è il mattone elementare dei diagrammi di Bode: descrive un polo o uno zero reale, eventualmente multiplo. Il modulo dipende soltanto dal valore assoluto della costante di tempo; la fase distingue invece una singolarità nel semipiano sinistro da quella speculare nel semipiano destro.

Definizioni e ipotesi

Si considera

$$B_{\mu,\tau}(s)=(1+s\tau)^\mu,$$

con \(\tau\ne0\) e, per una funzione razionale, \(\mu\in\mathbb Z\setminus\{0\}\). Se \(\mu>0\) si ha uno zero di molteplicità \(\mu\); se \(\mu<0\) un polo di molteplicità \(|\mu|\). La pulsazione di spezzata è

$$\omega_b=\frac1{|\tau|},\qquad r=\frac{\omega}{\omega_b}=\omega|\tau|,\qquad \sigma=\operatorname{sgn}\tau.$$

La singolarità è \(s_0=-1/\tau\): appartiene al semipiano sinistro se \(\tau>0\), al destro se \(\tau<0\).

Enunciato: leggi esatte

Poiché \(1+j\omega\tau=1+j\sigma r\),

$$ L_{\mu,\tau}(\omega) =20\log_{10}|B_{\mu,\tau}(j\omega)| =10\mu\log_{10}(1+r^2), $$ $$ \phi_{\mu,\tau}(\omega) =\arg B_{\mu,\tau}(j\omega) =\mu\sigma\arctan r. $$

Il modulo è indipendente dal segno di \(\tau\); la fase dipende dal prodotto \(\mu\,\operatorname{sgn}\tau\).

Dimostrazione e asintoti

Il modulo del binomio semplice è

$$|1+j\sigma r|=\sqrt{1+r^2}.$$

Elevando alla potenza \(\mu\) e passando ai decibel si ottiene \(10\mu\log_{10}(1+r^2)\). L’argomento del numero \(1+j\sigma r\), la cui parte reale è positiva, è \(\arctan(\sigma r)=\sigma\arctan r\); la potenza lo moltiplica per \(\mu\).

Per \(r\ll1\), il modulo tende a \(0\) dB e la fase a \(0^\circ\). Per \(r\gg1\),

$$L_{\mu,\tau}\simeq20\mu\log_{10}r,$$

quindi dopo \(\omega_b\) la pendenza è \(20\mu\) dB/dec. La fase tende a

$$\phi_{\mu,\tau}(\infty)=90^\circ\,\mu\,\operatorname{sgn}\tau.$$

Alla pulsazione d’angolo \(r=1\),

$$ L_{\mu,\tau}(\omega_b)=10\mu\log_{10}2\simeq3.0103\,\mu\text{ dB}, \qquad \phi_{\mu,\tau}(\omega_b)=45^\circ\,\mu\,\operatorname{sgn}\tau. $$

Poiché i due asintoti del modulo si incontrano a \(0\) dB, la correzione esatta è \(3|\mu|\) dB in valore assoluto: positiva per uno zero, negativa per un polo. Per la fase, gli appunti usano l’asintoto a gradino in \(\omega_b\); l’approssimazione lineare usuale parte da \(0.1\omega_b\), termina a \(10\omega_b\) e ha variazione \(45^\circ\mu\operatorname{sgn}\tau\) per decade.

Tabella completa delle quattro casistiche

\(\mu\)\(\tau\)SingolaritàModulo dopo \(\omega_b\)Fase finale
\(\mu>0\)\(\tau>0\)zero LHP, fase minima\(+20\mu\) dB/dec\(+90^\circ\mu\)
\(\mu>0\)\(\tau<0\)zero RHP, non-minimum phase\(+20\mu\) dB/dec\(-90^\circ\mu\)
\(\mu<0\)\(\tau>0\)polo LHP, stabile\(-20|\mu|\) dB/dec\(-90^\circ|\mu|\)
\(\mu<0\)\(\tau<0\)polo RHP, instabile\(-20|\mu|\) dB/dec\(+90^\circ|\mu|\)

Quattro grafici: modulo esatto/asintotico e fase

In ogni SVG la curva continua è esatta; la spezzata tratteggiata è l’approssimazione asintotica. I primi due casi hanno lo stesso modulo fra loro, così come gli ultimi due: è il verso della fase a rivelare il segno di \(\tau\).

Binomio con mu positivo e tau positivoIl modulo sale dopo la spezzata e la fase tende a un valore positivo. μ>0, τ>0 — zero LHPω_b0 dB+20μ dB/decfase → +90°μ Binomio con mu positivo e tau negativoIl modulo sale come per tau positivo, ma la fase tende a un valore negativo. μ>0, τ<0 — zero RHPω_bstesso modulo+20μ dB/decfase → −90°μ Binomio con mu negativo e tau positivoIl modulo scende dopo la spezzata e la fase tende a un valore negativo. μ<0, τ>0 — polo LHPω_b0 dB−20|μ| dB/decfase → −90°|μ| Binomio con mu negativo e tau negativoIl modulo scende come per tau positivo, ma la fase tende a un valore positivo. μ<0, τ<0 — polo RHPω_bstesso modulo−20|μ| dB/decfase → +90°|μ|

Esempio con molteplicità

Sia \(|\tau|=0.1\), quindi \(\omega_b=10\) rad/s, e \(|\mu|=2\). Alla spezzata il modulo vale \(+6.02\) dB per \(\mu=2\) e \(-6.02\) dB per \(\mu=-2\). La fase alla spezzata ha modulo \(90^\circ\), mentre il valore finale ha modulo \(180^\circ\). Il segno è:

$$ \begin{array}{c|cccc} (\mu,\tau)&(+2,+0.1)&(+2,-0.1)&(-2,+0.1)&(-2,-0.1)\\\hline \phi(\omega_b)&+90^\circ&-90^\circ&-90^\circ&+90^\circ \end{array}. $$

Tempo discreto

Nel TD i fattori reali si normalizzano tipicamente come \(1-a z^{-1}\); il modulo e la fase si valutano sulla circonferenza \(z=e^{j\Omega}\). Le regole non sono una semplice sostituzione globale di \(s\) con \(z\), perché la frequenza discreta è periodica; resta però valido il principio che il logaritmo del modulo e la fase di un prodotto sono somme dei contributi.

Follow-up probabili

Perché il modulo non dipende dal segno di \(\tau\)?

Perché \(|1+j\omega\tau|^2=1+\omega^2\tau^2\), che contiene soltanto \(\tau^2\).

Come si distingue una singolarità RHP?

Dalla fase: a parità di modulo, cambiare il segno di \(\tau\) inverte il contributo angolare.

Da dove vengono i \(3\) dB alla spezzata?

Per \(r=1\), \(|1+j\sigma|=\sqrt2\); \(20\log_{10}\sqrt2=10\log_{10}2\simeq3.01\) dB, poi si moltiplica per \(\mu\).

Un polo con \(\tau<0\) è stabile?

No. Il polo è \(s=-1/\tau>0\), nel semipiano destro; il modulo di Bode non lo rivela, ma la fase sì.

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Domanda 33

Modi di evoluzione sia tempo continuo sia tempo discreto

Inquadramento

I modi di evoluzione sono le funzioni elementari che compongono il moto libero di un sistema lineare stazionario. Essi traducono la struttura spettrale di \(A\) in andamento temporale e permettono di decidere convergenza, oscillazione e stabilità senza calcolare ogni traiettoria separatamente.

Definizioni e ipotesi

Si considerano il sistema a tempo continuo \(\dot x(t)=Ax(t)\) e quello a tempo discreto \(x(k+1)=Ax(k)\), con \(A\in\mathbb R^{n\times n}\). Un modo è una funzione scalare del tempo che compare nelle componenti di \(e^{At}\), nel caso continuo, oppure di \(A^k\), nel caso discreto. Per un autovalore \(\lambda\), l'indice \(\nu_\lambda\) è la dimensione del più grande blocco di Jordan associato a \(\lambda\).

Enunciato

Per ogni autovalore \(\lambda\) e per \(h=0,\ldots,\nu_\lambda-1\), i modi possibili sono:

Tempo continuo

$$t^h e^{\lambda t}.$$

Tempo discreto

$$\binom{k}{h}\lambda^{\,k-h}.$$

Se \(\lambda=\alpha\pm j\beta\), i modi reali continui sono \(t^h e^{\alpha t}\cos\beta t\) e \(t^h e^{\alpha t}\sin\beta t\); se \(\lambda=\rho e^{\pm j\theta}\), quelli discreti sono \(\binom{k}{h}\rho^{k-h}\cos((k-h)\theta)\) e \(\binom{k}{h}\rho^{k-h}\sin((k-h)\theta)\).

Dimostrazione completa

Tempo continuo

Esiste una matrice complessa invertibile \(T\) tale che \(A=TJT^{-1}\), dove \(J\) è a blocchi di Jordan. Per un blocco di ordine \(r\), \(J_\lambda=\lambda I+N\), con \(N^r=0\). Poiché \(\lambda I\) e \(N\) commutano,

$$e^{J_\lambda t}=e^{(\lambda I+N)t}=e^{\lambda t}e^{Nt} =e^{\lambda t}\sum_{h=0}^{\infty}\frac{N^h t^h}{h!} =e^{\lambda t}\sum_{h=0}^{r-1}\frac{N^h t^h}{h!}.$$

La serie termina perché \(N^r=0\). Da \(e^{At}=Te^{Jt}T^{-1}\) segue che ogni componente del moto \(x(t)=e^{At}x_0\) è combinazione lineare di \(t^h e^{\lambda t}\). Se \(\lambda=\alpha+j\beta\),

$$e^{\lambda t}=e^{\alpha t}\bigl(\cos\beta t+j\sin\beta t\bigr).$$

Associando il termine relativo a \(\bar\lambda\), i coefficienti immaginari si cancellano e rimangono le due funzioni reali pseudoperiodiche \(e^{\alpha t}\cos\beta t\) ed \(e^{\alpha t}\sin\beta t\), eventualmente moltiplicate per \(t^h\).

Tempo discreto

Per lo stesso blocco \(J_\lambda=\lambda I+N\), il binomio di Newton è applicabile perché le due matrici commutano:

$$J_\lambda^k=(\lambda I+N)^k =\sum_{h=0}^{k}\binom{k}{h}\lambda^{k-h}N^h =\sum_{h=0}^{\min(k,r-1)}\binom{k}{h}\lambda^{k-h}N^h.$$

Quindi \(A^k=TJ^kT^{-1}\) contiene esattamente i modi \(\binom{k}{h}\lambda^{k-h}\). Per \(\lambda=\rho e^{j\theta}\), la formula di De Moivre dà \(\lambda^{k-h}=\rho^{k-h}[\cos((k-h)\theta)+j\sin((k-h)\theta)]\), da cui i modi reali dichiarati.

Convergenza e stabilità dei modi

  • In TC, \(t^h e^{\lambda t}\to0\) se e solo se \(\operatorname{Re}\lambda<0\): il decadimento esponenziale domina qualunque potenza. Se \(\operatorname{Re}\lambda>0\), il modo diverge; se \(\operatorname{Re}\lambda=0\), è limitato soltanto per \(h=0\).
  • In TD, \(\binom{k}{h}\lambda^{k-h}\to0\) se \(|\lambda|<1\), perché la decrescita geometrica domina il fattore polinomiale. Se \(|\lambda|>1\), diverge; se \(|\lambda|=1\), è limitato soltanto per \(h=0\).

Pertanto l'origine è asintoticamente stabile se e solo se tutti gli autovalori soddisfano \(\operatorname{Re}\lambda<0\) in TC, oppure \(|\lambda|<1\) in TD. La stabilità semplice ammette autovalori sulla frontiera soltanto se i relativi blocchi di Jordan hanno ordine uno.

Esempio svolto

Per \(A=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-1\end{bmatrix}=-I+N\), con \(N^2=0\),

$$e^{At}=e^{-t}(I+tN)=e^{-t}\begin{bmatrix}1&t\\0&1\end{bmatrix},\qquad A^k=(-1)^k I+k(-1)^{k-1}N.$$

In TC compaiono \(e^{-t}\) e \(te^{-t}\), entrambi convergenti. In TD l'autovalore è \(-1\) con blocco di ordine due: il termine \(k(-1)^{k-1}\) cresce in modulo, quindi il sistema discreto è instabile nonostante \(|\lambda|=1\).

Andamento qualitativo di quattro modi Modo esponenziale convergente, modo con fattore polinomiale, modo pseudoperiodico smorzato e modo discreto alternato. esponenzialepotenza × esponenziale pseudoperiodico smorzatoTD alternato tempo
Il fattore polinomiale modifica il transitorio, ma non prevale su un esponenziale strettamente decrescente; sul bordo di stabilità, invece, rende il modo illimitato.

Follow-up probabili

Perché \(te^{-t}\) converge a zero?

Con l'Hôpital, \(\lim_{t\to\infty}t/e^t=\lim_{t\to\infty}1/e^t=0\); lo stesso vale per ogni \(t^h e^{-at}\), \(a>0\).

Un autovalore \(j\beta\) rende il sistema stabile?

Solo stabile semplice, e soltanto se i blocchi associati sono semisemplici; un blocco di ordine maggiore di uno introduce \(t^h\) e causa instabilità.

Che cosa accade per un autovalore discreto negativo?

Il segno alterna a ogni campione; l'ampiezza converge se \(|\lambda|<1\), resta costante se \(\lambda=-1\) semisemplice e diverge se \(|\lambda|>1\).

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Domanda 34

Come cambiano le traiettorie dei poli reali nel diagramma x₁–x₂

Inquadramento

Il ritratto di fase rappresenta nel piano degli stati le curve percorse da \(x(t)\), senza usare esplicitamente il tempo come asse. Per un sistema lineare del secondo ordine con autovalori reali, segni, molteplicità e autovettori determinano completamente la geometria locale e globale.

Definizioni e ipotesi

Si considera \(\dot x=Ax\), \(A\in\mathbb R^{2\times2}\), con equilibrio nell'origine. Se \(A\) possiede due autovettori indipendenti \(v_1,v_2\),

$$x(t)=c_1e^{\lambda_1t}v_1+c_2e^{\lambda_2t}v_2.$$

Le rette \(\operatorname{span}v_i\) sono invarianti: iniziando su una di esse, la traiettoria vi rimane. Per un nodo stabile, l'autovettore associato all'autovalore di parte reale meno negativa è la direzione lenta alla quale le traiettorie diventano tangenti avvicinandosi all'origine.

Enunciato e classificazione

Autovalori realiTipoVerso e geometria
\(\lambda_1<\lambda_2<0\)Nodo stabileTutte le traiettorie entrano nell'origine; tangenti alla direzione più lenta \(v_2\).
\(0<\lambda_1<\lambda_2\)Nodo instabileTutte le traiettorie escono dall'origine; a ritroso sono tangenti alla direzione più lenta.
\(\lambda_1<0<\lambda_2\)Sella\(\operatorname{span}v_1\) è varietà stabile, \(\operatorname{span}v_2\) è varietà instabile.
\(\lambda_1=\lambda_2=\lambda\)Stella o nodo improprioStella se \(A=\lambda I\); nodo improprio se esiste un solo autovettore.

Dimostrazione completa e passaggi giustificati

Con il cambio di coordinate \(x=Tz\), \(T=[v_1\ v_2]\), si ha \(\dot z=\operatorname{diag}(\lambda_1,\lambda_2)z\), dunque \(z_i(t)=z_i(0)e^{\lambda_i t}\). I segni degli autovalori danno immediatamente il verso lungo ciascun asse proprio.

Nel nodo stabile, supponiamo \(\lambda_1<\lambda_2<0\). Per dati iniziali con \(c_2\neq0\),

$$\frac{c_1e^{\lambda_1t}}{c_2e^{\lambda_2t}} =\frac{c_1}{c_2}e^{(\lambda_1-\lambda_2)t}\longrightarrow0.$$

Quindi la componente lungo \(v_1\), più rapida, scompare relativamente a quella lungo \(v_2\): la traiettoria entra nell'origine tangente a \(v_2\). Nel nodo instabile lo stesso calcolo, letto per \(t\to-\infty\), descrive l'uscita dall'origine.

Nella sella, ponendo \(\lambda_s<0<\lambda_u\), una condizione con componente \(c_u\neq0\) produce \(c_ue^{\lambda_ut}v_u\), che diverge per \(t\to\infty\); soltanto i punti con \(c_u=0\) convergono lungo \(v_s\). Analogamente, la retta \(v_u\) è percorsa verso l'esterno.

Se l'autovalore doppio è diagonalizzabile, esistono due autovettori indipendenti e necessariamente \(A=\lambda I\): \(x(t)=e^{\lambda t}x_0\), quindi ogni semiretta è una traiettoria, ottenendo una stella. Se invece \(A=T(\lambda I+N)T^{-1}\), \(N^2=0\neq N\),

$$x(t)=Te^{\lambda t}(I+tN)T^{-1}x_0.$$

Il termine \(te^{\lambda t}\) incurva le traiettorie; esiste una sola retta propria, mentre le altre vi diventano tangenti. È il nodo improprio o degenere, stabile per \(\lambda<0\), instabile per \(\lambda>0\).

Esempio svolto e quattro ritratti di fase

Le matrici \(A_s=\operatorname{diag}(-1,-3)\), \(A_u=\operatorname{diag}(1,3)\), \(A_\Sigma=\operatorname{diag}(1,-2)\) e \(A_d=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-1\end{bmatrix}\) generano rispettivamente nodo stabile, nodo instabile, sella e nodo improprio stabile. Per \(A_s\), \(x_1=c_1e^{-t}\), \(x_2=c_2e^{-3t}\), dunque \(x_2=(c_2/c_1^3)x_1^3\) quando \(c_1\neq0\). Per la sella \(x_1=c_1e^t\), \(x_2=c_2e^{-2t}\), quindi \(x_1^2x_2=c_1^2c_2\).

Nodo stabile nodo stabilev₁v₂
Autovalori concordi negativi: tutte le frecce entrano.
Nodo instabile nodo instabilev₁v₂
Autovalori concordi positivi: tutte le frecce escono.
Sella sellainstabilestabile
Segni discordi: una direzione stabile e una instabile.
Stella e nodo improprio stellanodo impropriounica retta propria
A sinistra due autovettori per l'autovalore doppio; a destra un solo autovettore e traiettorie incurvate dal termine \(te^{\lambda t}\).

Tempo discreto

Nel piano di stato di \(x(k+1)=Ax(k)\) si osservano punti, non curve continue. Le stesse direzioni proprie restano invarianti, ma un autovalore negativo alterna il semipiano a ogni passo. Il modulo decide ingresso o uscita: \(|\lambda_i|<1\) produce un nodo discreto attrattivo, \(|\lambda_i|>1\) repulsivo; moduli uno richiedono blocchi semisemplici.

Follow-up probabili

Le traiettorie possono incrociarsi?

No, salvo nell'equilibrio: l'unicità della soluzione assegna a ogni punto un'unica traiettoria e un unico vettore velocità.

Qual è il polo dominante di un nodo stabile?

Quello più vicino all'asse immaginario, cioè con parte reale meno negativa; il suo autovettore dà la tangente finale.

Una sella può essere stabile?

No. Esiste una retta di condizioni iniziali convergenti, ma arbitrariamente vicino all'origine vi sono punti con componente lungo la direzione instabile.

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Domanda 35

Calcolo dell'esponenziale di matrice per complessi e coniugati

Inquadramento

Una matrice reale può avere autovalori complessi, necessariamente in coppie coniugate. L'esponenziale resta reale: raccogliendo parte reale e immaginaria di un autovettore si sostituisce la diagonalizzazione complessa con un blocco reale \(2\times2\), che espone direttamente smorzamento e pulsazione.

Definizioni e ipotesi

Sia \(A\in\mathbb R^{n\times n}\) e sia \(\lambda=\alpha+j\beta\), \(\beta\neq0\), un autovalore con autovettore \(u=a+jb\), \(a,b\in\mathbb R^n\). Per una coppia semplice, \(a\) e \(b\) sono linearmente indipendenti e \(T_c=[a\ b]\) è una base reale del sottospazio invariante associato alla coppia.

Enunciato

Sul sottospazio della coppia coniugata,

$$A T_c=T_cJ_c,\qquad J_c=\begin{bmatrix}\alpha&\beta\\-\beta&\alpha\end{bmatrix},\qquad e^{J_ct}=e^{\alpha t} \begin{bmatrix}\cos\beta t&\sin\beta t\\-\sin\beta t&\cos\beta t\end{bmatrix}.$$

Completando \(T_c\) a una base reale \(T\) di \(\mathbb R^n\), si calcola \(e^{At}=T e^{J_Rt}T^{-1}\), dove \(J_R\) è diagonale a blocchi reali.

Dimostrazione completa

Dalla relazione \(A(a+jb)=(\alpha+j\beta)(a+jb)\) si ottiene

$$Aa+jAb=(\alpha a-\beta b)+j(\beta a+\alpha b).$$

L'uguaglianza di due vettori complessi equivale all'uguaglianza separata delle parti reale e immaginaria:

$$Aa=\alpha a-\beta b,\qquad Ab=\beta a+\alpha b.$$

Disponendo queste due relazioni per colonne segue

$$A[a\ b]=[a\ b]\begin{bmatrix}\alpha&\beta\\-\beta&\alpha\end{bmatrix}.$$

Scriviamo \(J_c=\alpha I+\beta S\), con \(S=\begin{bmatrix}0&1\\-1&0\end{bmatrix}\) e \(S^2=-I\). Poiché \(\alpha I\) e \(\beta S\) commutano,

$$e^{J_ct}=e^{\alpha t}e^{\beta St} =e^{\alpha t}\left[I\sum_{r=0}^{\infty}\frac{(-1)^r(\beta t)^{2r}}{(2r)!} +S\sum_{r=0}^{\infty}\frac{(-1)^r(\beta t)^{2r+1}}{(2r+1)!}\right],$$

e le due serie tra parentesi sono rispettivamente \(\cos\beta t\) e \(\sin\beta t\). Ne risulta la formula enunciata. Infine, dalla similitudine \(A=TJ_RT^{-1}\), per induzione \(A^m=TJ_R^mT^{-1}\); sostituendo nella serie dell'esponenziale si ricava \(e^{At}=Te^{J_Rt}T^{-1}\).

Esempio numerico completo

Consideriamo

$$A=\begin{bmatrix}-1&-2\\2&-1\end{bmatrix},\qquad \det(\lambda I-A)=(\lambda+1)^2+4,$$

quindi \(\lambda_{1,2}=-1\pm2j\). Poiché \(A=-I+2R\), con \(R=\begin{bmatrix}0&-1\\1&0\end{bmatrix}\) e \(R^2=-I\),

$$e^{At}=e^{-t}e^{2Rt} =e^{-t}\begin{bmatrix}\cos2t&-\sin2t\\\sin2t&\cos2t\end{bmatrix}.$$

Per \(x_0=\begin{bmatrix}1&2\end{bmatrix}^{T}\),

$$x(t)=e^{-t} \begin{bmatrix}\cos2t-2\sin2t\\\sin2t+2\cos2t\end{bmatrix}.$$

La traiettoria ruota con pulsazione \(2\), ha periodo \(T=\pi\) e raggio moltiplicato per \(e^{-t}\); quindi si avvolge verso l'origine.

Cenno alla potenza \(A^k\)

Se il blocco reale discreto è simile a \(\rho\begin{bmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{bmatrix}\), allora

$$A^k=T\,\rho^k \begin{bmatrix}\cos k\theta&-\sin k\theta\\\sin k\theta&\cos k\theta\end{bmatrix}T^{-1}.$$

Ad esempio, per \(A_d=\frac12\begin{bmatrix}1&-1\\1&1\end{bmatrix}\), \(\rho=1/\sqrt2\), \(\theta=\pi/4\), perciò \(A_d^k=2^{-k/2}R(k\pi/4)\) e ogni traiettoria discreta ruota di \(45^\circ\) riducendosi di \(1/\sqrt2\) a ogni passo.

Spirale associata a una coppia complessa stabile Traiettoria a spirale verso l'origine e interpretazione separata di smorzamento e rotazione. piano degli statiinviluppo esponenzialeoscillazione smorzata x₁x₂
La parte reale \(\alpha\) governa l'inviluppo \(e^{\alpha t}\); la parte immaginaria \(\beta\) governa la rotazione e il periodo \(2\pi/|\beta|\).

Follow-up probabili

Perché \(a\) e \(b\) sono indipendenti?

Se fossero dipendenti, \(u\) sarebbe multiplo complesso di un vettore reale e \(Au=\lambda u\) imporrebbe a un vettore reale non nullo un autovalore non reale, impossibile per \(A\) reale.

Che cosa cambia se la coppia ha un blocco di Jordan più grande?

Il blocco di rotazione-smorzamento è accompagnato da una parte nilpotente e compaiono fattori \(t^h e^{\alpha t}\cos\beta t\), \(t^h e^{\alpha t}\sin\beta t\).

Come si legge la stabilità?

In TC dal segno di \(\alpha\); in TD dal modulo \(\rho\). La frequenza \(\beta\) o l'angolo \(\theta\) non decide la convergenza.

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Domanda 36

Forma generale di Kalman

Inquadramento

La forma generale di Kalman separa lo spazio di stato nelle quattro componenti raggiungibile/osservabile, raggiungibile/non osservabile, non raggiungibile/osservabile e non raggiungibile/non osservabile. È la rappresentazione che rende visibile quale dinamica partecipa davvero alla relazione ingresso–uscita.

Definizioni e ipotesi

Per il sistema LTI \(\dot x=Ax+Bu\), \(y=Cx+Du\), si definiscono

$$\mathcal R=\begin{bmatrix}B&AB&\cdots&A^{n-1}B\end{bmatrix},\qquad \mathcal O=\begin{bmatrix}C\\CA\\\vdots\\CA^{n-1}\end{bmatrix},$$ $$\mathscr X_R=\operatorname{im}\mathcal R,\qquad \mathscr X_{NO}=\ker\mathcal O.$$

Il primo è il sottospazio raggiungibile; il secondo è il sottospazio non osservabile. Entrambi sono \(A\)-invarianti. Le diciture “osservabile” e “non raggiungibile” nei complementi indicano sottospazi scelti per completare una somma diretta: tali complementi non sono unici.

Enunciato

Esiste un cambio di base \(x=Tz\), ordinato come

$$z=\operatorname{col}(z_{R,O},z_{R,NO},z_{NR,O},z_{NR,NO}),$$

che porta il sistema nella forma degli appunti

$$\dot z= \begin{bmatrix} A_{11}&0&A_{13}&0\\ A_{21}&A_{22}&A_{23}&A_{24}\\ 0&0&A_{33}&0\\ 0&0&A_{43}&A_{44} \end{bmatrix}z+ \begin{bmatrix}B_1\\B_2\\0\\0\end{bmatrix}u,$$ $$y=\begin{bmatrix}C_1&0&C_3&0\end{bmatrix}z+Du.$$

La funzione di trasferimento dipende soltanto dalla parte raggiungibile e osservabile:

$$W(s)=C_1(sI-A_{11})^{-1}B_1+D.$$

Dimostrazione completa e costruzione

  1. Intersezione. Si pone \(\mathscr X_{R,NO}=\mathscr X_R\cap\mathscr X_{NO}\) e se ne sceglie una base \(T_2\).
  2. Completamento dentro \(\mathscr X_R\). Si sceglie \(T_1\) in modo che \(\operatorname{im}[T_1\ T_2]=\mathscr X_R\). Il complemento \(\operatorname{im}T_1\) è etichettato \(\mathscr X_{R,O}\).
  3. Completamento dentro \(\mathscr X_{NO}\). Si sceglie \(T_4\) in modo che \(\operatorname{im}[T_2\ T_4]=\mathscr X_{NO}\). Il complemento \(\operatorname{im}T_4\) è \(\mathscr X_{NR,NO}\).
  4. Completamento dello spazio. Si scelgono le colonne \(T_3\) come complemento di \(\mathscr X_R+\mathscr X_{NO}\) in \(\mathbb R^n\); esse rappresentano \(\mathscr X_{NR,O}\).

Allora \(T=[T_1\ T_2\ T_3\ T_4]\) è invertibile. Con \(x=Tz\), \(\widetilde A=T^{-1}AT\), \(\widetilde B=T^{-1}B\), \(\widetilde C=CT\).

Dimostriamo gli zeri strutturali. \(\mathscr X_R\) è \(A\)-invariante: se \(x=\sum_{h=0}^{n-1}A^hB\alpha_h\), allora \(Ax=\sum_{h=0}^{n-1}A^{h+1}B\alpha_h\), e \(A^nB\) è combinazione dei termini precedenti per Cayley–Hamilton. Pertanto le colonne 1 e 2 di \(\widetilde A\) non possono avere componenti nelle righe 3 e 4; inoltre \(B\in\mathscr X_R\), perciò \(\widetilde B_3=\widetilde B_4=0\).

Anche \(\mathscr X_{NO}\) è \(A\)-invariante: se \(\mathcal Ox=0\), allora \(CA^h(Ax)=CA^{h+1}x=0\) per \(h=0,\ldots,n-2\), mentre il termine \(CA^nx\) è combinazione dei precedenti per Cayley–Hamilton. Quindi le colonne 2 e 4 di \(\widetilde A\) possono avere componenti soltanto nelle righe 2 e 4. Infine \(C\) annulla \(\mathscr X_{NO}\), da cui \(\widetilde C_2=\widetilde C_4=0\). Intersecando questi vincoli si ottiene esattamente la matrice a blocchi enunciata.

Con condizioni iniziali nulle, i blocchi non raggiungibili \(z_3,z_4\) restano nulli. Il blocco \(z_2\) è raggiungibile ma non può influire sull'uscita né alimentare \(z_1\), perché \(A_{12}=0\). Rimangono dunque soltanto \(A_{11},B_1,C_1,D\) nella funzione di trasferimento.

Esempio svolto

Siano

$$A=\operatorname{diag}(-1,-2,-3,-4),\quad B=\begin{bmatrix}1\\1\\0\\0\end{bmatrix},\quad C=\begin{bmatrix}1&0&1&0\end{bmatrix},\quad D=0.$$

Poiché i primi due autovalori sono distinti, \(\operatorname{im}\mathcal R=\operatorname{span}\{e_1,e_2\}\). Analogamente \(\ker\mathcal O=\operatorname{span}\{e_2,e_4\}\). Quindi \(e_1,e_2,e_3,e_4\) sono già, nell'ordine, basi di \(R,O\), \(R,NO\), \(NR,O\), \(NR,NO\), e \(T=I\). La parte minima è il solo stato \(x_1\), e infatti

$$W(s)=C(sI-A)^{-1}B=\frac1{s+1}.$$

Il modo \(-2\) è eccitato ma invisibile; il modo \(-3\) sarebbe visibile ma non è eccitabile dall'ingresso; il modo \(-4\) non è né eccitabile né visibile.

Decomposizione generale di Kalman Quattro sottosistemi distinti per raggiungibilità e osservabilità, con ingressi nei blocchi raggiungibili e uscite dai blocchi osservabili. raggiungibileosservabile raggiungibilenon osservabile non raggiungibileosservabile non raggiungibilenon osservabile uy parte minima
Solo la parte \(R,O\) è contemporaneamente raggiunta dall'ingresso e vista all'uscita; essa costituisce la realizzazione minima della funzione di trasferimento.

Tempo discreto

La costruzione è identica per \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\), perché usa soltanto \(\mathcal R\), \(\mathcal O\), l'invarianza rispetto ad \(A\) e Cayley–Hamilton. Cambia l'interpretazione della stabilità dei quattro blocchi: si confrontano i loro autovalori con il disco unitario.

Follow-up probabili

La trasformazione di Kalman è unica?

No. Sono unici i sottospazi \(\mathscr X_R\) e \(\mathscr X_{NO}\), ma non le basi né i complementi usati per le altre due componenti.

Quali poli compaiono nella funzione di trasferimento?

Soltanto i modi della parte raggiungibile e osservabile, salvo ulteriori cancellazioni non presenti in una realizzazione minima.

Un modo non raggiungibile può apparire nella risposta libera?

Sì, se la condizione iniziale ha una componente in quel sottospazio; non può però essere eccitato dall'ingresso a partire da stato nullo.

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Domanda 37

Dimostrazione di una matrice soluzione sia del polinomio caratteristico sia del polinomio minimo

Inquadramento

Associare polinomi a una matrice consente di sostituire potenze elevate di \(A\) con combinazioni di potenze inferiori. Il teorema di Cayley–Hamilton afferma che \(A\) annulla il proprio polinomio caratteristico; il polinomio minimo è, per definizione, l'annullatore monico di grado più basso.

Definizioni e ipotesi

Per \(A\in\mathbb F^{n\times n}\), con \(\mathbb F=\mathbb R\) oppure \(\mathbb C\), si definiscono

$$p_A(s)=\det(sI-A)=s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n,$$ $$m_A(s)=s^m+\mu_1s^{m-1}+\cdots+\mu_m,$$

dove \(m_A\) è l'unico polinomio monico di grado minimo tale che \(m_A(A)=0\). Per \(q(s)=\sum_{h=0}^r q_hs^h\), la valutazione matriciale è \(q(A)=\sum_{h=0}^r q_hA^h\).

Enunciato

$$p_A(A)=A^n+a_1A^{n-1}+\cdots+a_nI=0,\qquad m_A(A)=A^m+\mu_1A^{m-1}+\cdots+\mu_mI=0.$$

La prima identità è il teorema di Cayley–Hamilton; la seconda è la proprietà caratterizzante del polinomio minimo.

Dimostrazione completa per il polinomio caratteristico

Per la matrice aggiunta vale, come identità polinomiale in \(s\),

$$(sI-A)\operatorname{adj}(sI-A)=\det(sI-A)I=p_A(s)I.$$

Ogni elemento dell'aggiunta è un minore di ordine \(n-1\), quindi ha grado al più \(n-1\). Esistono matrici costanti \(B_0,\ldots,B_{n-1}\) tali che

$$\operatorname{adj}(sI-A)=B_0s^{n-1}+B_1s^{n-2}+\cdots+B_{n-1}.$$

Moltiplicando per \(sI-A\) e uguagliando i coefficienti delle stesse potenze di \(s\) si ottiene:

$$\begin{aligned} B_0&=I,\\ B_1-AB_0&=a_1I,\\ B_2-AB_1&=a_2I,\\ &\ \vdots\\ B_{n-1}-AB_{n-2}&=a_{n-1}I,\\ -AB_{n-1}&=a_nI. \end{aligned}$$

Premoltiplichiamo, nell'ordine, queste identità per \(A^n,A^{n-1},\ldots,A,I\) e sommiamo. A sinistra tutti i termini contenenti \(B_i\) si cancellano a coppie:

$$A^nB_0+\bigl(A^{n-1}B_1-A^nB_0\bigr)+\cdots+ \bigl(AB_{n-1}-A^2B_{n-2}\bigr)-AB_{n-1}=0.$$

Il membro destro è \(A^n+a_1A^{n-1}+\cdots+a_nI\). Pertanto \(p_A(A)=0\). Questa dimostrazione non compie l'operazione illegittima di sostituire direttamente \(s=A\) in un'identità con coefficienti matriciali: usa soltanto il confronto dei coefficienti e un telescopaggio.

Dimostrazione per il polinomio minimo

Sia \(\mathscr I_A=\{q\in\mathbb F[s]:q(A)=0\}\). Cayley–Hamilton mostra che \(\mathscr I_A\) contiene almeno \(p_A\), quindi non è vuoto. Si scelga nell'insieme un polinomio non nullo di grado minimo e lo si divida per il proprio coefficiente direttivo: si ottiene un monico \(m_A\). Per costruzione,

$$m_A(A)=0.$$

L'unicità segue così. Se \(m_1,m_2\) fossero due annullatori monici dello stesso grado minimo, \(m_1-m_2\) avrebbe grado strettamente minore e annullerebbe \(A\), perché \((m_1-m_2)(A)=0\); ciò contraddice la minimalità, salvo \(m_1=m_2\).

Esempio svolto

Per

$$A=\begin{bmatrix}0&1\\-2&-3\end{bmatrix},\qquad p_A(s)=\det\begin{bmatrix}s&-1\\2&s+3\end{bmatrix}=s^2+3s+2,$$

si ha

$$A^2=\begin{bmatrix}-2&-3\\6&7\end{bmatrix},\qquad A^2+3A+2I= \begin{bmatrix}-2&-3\\6&7\end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}0&3\\-6&-9\end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}2&0\\0&2\end{bmatrix}=0.$$

Gli autovalori \(-1\) e \(-2\) sono distinti, quindi nessun polinomio lineare può annullare entrambe le direzioni proprie; pertanto \(m_A(s)=p_A(s)=(s+1)(s+2)\).

Tempo continuo e tempo discreto

L'identità \(p_A(A)=0\) e la definizione \(m_A(A)=0\) non dipendono dalla variabile temporale. In TC permettono di esprimere \(e^{At}\) tramite le sole potenze fino ad \(A^{m-1}\); in TD permettono di ricondurre ogni \(A^k\) alle stesse potenze, producendo una ricorrenza di ordine \(m\).

Dall'identità dell'aggiunta a Cayley-Hamilton Catena logica: aggiunta, confronto dei coefficienti, somma telescopica, annullamento del caratteristico e definizione del minimo. identitàdella matrice aggiunta confrontodei coefficienti sommatelescopica caratteristicoannulla A minimoannulla A
Le due identità hanno origini diverse: Cayley–Hamilton è un teorema; \(m_A(A)=0\) è la definizione che seleziona l'annullatore monico di grado minimo.

Follow-up probabili

Il polinomio minimo può avere grado maggiore di \(n\)?

No. Il caratteristico, di grado \(n\), annulla \(A\); per minimalità \(\deg m_A\le n\).

È lecito sostituire \(s=A\) nell'identità dell'aggiunta?

Non come passaggio automatico, perché i coefficienti sono matrici. La dimostrazione rigorosa confronta i coefficienti e li combina in modo telescopico.

Quando minimo e caratteristico coincidono?

Quando, per ogni autovalore, il più grande blocco di Jordan ha dimensione pari alla sua molteplicità algebrica; equivalentemente vi è un solo blocco di Jordan per ciascun autovalore.

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Domanda 38

Evoluzione forzata tempo continuo

Inquadramento

L'evoluzione forzata è la parte dello stato generata dall'ingresso quando la condizione iniziale è nulla. La formula di Lagrange, o variazione delle costanti, mostra che essa è una convoluzione tra la matrice di transizione e l'ingresso applicato attraverso \(B\).

Definizioni e ipotesi

Si considera il sistema LTI

$$\dot x(t)=Ax(t)+Bu(t),\qquad y(t)=Cx(t)+Du(t),$$

con \(u\) localmente integrabile. L'evoluzione forzata \(x_f\) è la soluzione con \(x(t_0)=0\); l'evoluzione libera è \(x_\ell(t)=e^{A(t-t_0)}x(t_0)\).

Enunciato

$$x(t)=e^{A(t-t_0)}x(t_0)+\int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau,$$ $$x_f(t)=\int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau,\qquad y(t)=Ce^{A(t-t_0)}x(t_0)+\int_{t_0}^{t}Ce^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau+Du(t).$$

Dimostrazione completa per variazione delle costanti

Definiamo \(z(t)=e^{-At}x(t)\). La derivata esiste quasi ovunque e, poiché \(A\) commuta con ogni sua funzione analitica,

$$\begin{aligned} \dot z(t) &=\frac{d}{dt}\bigl(e^{-At}x(t)\bigr)\\ &=-Ae^{-At}x(t)+e^{-At}\dot x(t)\\ &=-Ae^{-At}x(t)+e^{-At}\bigl(Ax(t)+Bu(t)\bigr)\\ &=e^{-At}Bu(t). \end{aligned}$$

Integrando tra \(t_0\) e \(t\),

$$e^{-At}x(t)-e^{-At_0}x(t_0)=\int_{t_0}^{t}e^{-A\tau}Bu(\tau)\,d\tau.$$

Premoltiplicando per \(e^{At}\) e usando \(e^{At}e^{-A\tau}=e^{A(t-\tau)}\), si ottiene la formula enunciata.

La verifica diretta chiude la dimostrazione. Derivando l'integrale con la regola di Leibniz,

$$\frac{d}{dt}\int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau =Bu(t)+A\int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)\,d\tau.$$

Insieme alla derivata del termine libero ciò dà \(\dot x=Ax+Bu\); ponendo \(t=t_0\), l'integrale è nullo e si recupera \(x(t_0)\). Per unicità della soluzione, la formula è la soluzione del problema di Cauchy.

Interpretazione impulsiva e caso non stazionario

Il contributo infinitesimo applicato all'istante \(\tau\) è \(Bu(\tau)d\tau\); da \(\tau\) a \(t\) evolve liberamente mediante \(e^{A(t-\tau)}\). La somma continua di tutti i contributi è l'integrale. Per \(\dot x=A(t)x+B(t)u\), la stessa argomentazione usa la matrice di transizione \(\Phi(t,\tau)\):

$$x_f(t)=\int_{t_0}^{t}\Phi(t,\tau)B(\tau)u(\tau)\,d\tau.$$

Esempio svolto

Siano \(A=\operatorname{diag}(-1,-2)\), \(B=\begin{bmatrix}1&1\end{bmatrix}^T\), \(C=\begin{bmatrix}1&1\end{bmatrix}\), \(D=0\), \(x(0)=0\) e \(u(t)=e^{-t}1(t)\). Allora

$$x_f(t)=\int_0^t \begin{bmatrix}e^{-(t-\tau)}&0\\0&e^{-2(t-\tau)}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}e^{-\tau}\,d\tau.$$

Calcolando le due componenti,

$$x_{f1}(t)=\int_0^t e^{-t}\,d\tau=te^{-t},$$ $$x_{f2}(t)=e^{-2t}\int_0^t e^\tau\,d\tau=e^{-t}-e^{-2t}.$$

Quindi \(y(t)=(t+1)e^{-t}-e^{-2t}\). Il termine \(te^{-t}\) nasce dalla coincidenza tra il polo dell'ingresso e il modo \(-1\), analogamente a un polo ripetuto nella trasformata.

Costruzione dell'evoluzione forzata Contributi dell'ingresso applicati in istanti diversi sono propagati fino al tempo finale e sommati. Σ t₀τt ogni contributo viene propagato liberamente fino a t
L'integrale di convoluzione è la somma limite dei contributi \(e^{A(t-\tau)}Bu(\tau)d\tau\).

Follow-up probabili

Dove compare il termine \(Du(t)\)?

Solo nell'uscita, come accoppiamento istantaneo ingresso–uscita; non entra nell'equazione dello stato.

La formula richiede che \(A\) sia invertibile?

No. L'esponenziale e l'integrale esistono per ogni matrice quadrata; l'invertibilità serve soltanto per alcune forme chiuse dell'integrale al gradino.

Che cosa cambia se \(t_0\neq0\)?

Il termine libero è \(e^{A(t-t_0)}x(t_0)\) e il limite inferiore dell'integrale è \(t_0\); la struttura resta invariata.

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Domanda 39

Risposta in evoluzione forzata tempo continuo e con gradino in ingresso

Inquadramento

Il gradino è l'ingresso canonico per misurare guadagno statico e transitorio. Inserendolo nella formula di Lagrange si ottiene una forma chiusa che separa con chiarezza il valore di regime dai modi naturali del sistema.

Definizioni e ipotesi

Si considera \(\dot x=Ax+Bu\), \(y=Cx+Du\), con ingresso \(u(t)=\bar u\,1(t)\), \(t_0=0\). L'evoluzione forzata ha \(x(0)=0\). Per scrivere la forma con \(A^{-1}\) si assume \(A\) invertibile; la formula integrale resta valida anche se \(A\) è singolare.

Enunciato

$$x_f(t)=\left(\int_0^t e^{A\sigma}\,d\sigma\right)B\bar u.$$

Se \(A\) è invertibile,

$$x_f(t)=A^{-1}(e^{At}-I)B\bar u.$$

Con una condizione iniziale generica,

$$x(t)=-A^{-1}B\bar u+e^{At}\bigl(x_0+A^{-1}B\bar u\bigr),$$ $$y(t)=(-CA^{-1}B+D)\bar u+ Ce^{At}\bigl(x_0+A^{-1}B\bar u\bigr).$$

Dimostrazione completa

Dalla formula di Lagrange e dalla costanza dell'ingresso,

$$x_f(t)=\int_0^t e^{A(t-\tau)}B\bar u\,d\tau.$$

Con il cambio \(\sigma=t-\tau\), \(d\sigma=-d\tau\), i limiti \(\tau=0,t\) diventano \(\sigma=t,0\), quindi

$$x_f(t)=\int_t^0e^{A\sigma}B\bar u(-d\sigma) =\left(\int_0^te^{A\sigma}d\sigma\right)B\bar u.$$

Se \(A\) è invertibile, \(\frac{d}{d\sigma}e^{A\sigma}=Ae^{A\sigma}\), pertanto una primitiva è \(A^{-1}e^{A\sigma}\) e

$$\int_0^te^{A\sigma}d\sigma=A^{-1}(e^{At}-I).$$

Sommando \(x_\ell(t)=e^{At}x_0\) e raccogliendo \(e^{At}\),

$$e^{At}x_0+A^{-1}(e^{At}-I)B\bar u =-A^{-1}B\bar u+e^{At}(x_0+A^{-1}B\bar u).$$

Se \(A\) è asintoticamente stabile, \(e^{At}\to0\) e dunque

$$x_\infty=-A^{-1}B\bar u,\qquad y_\infty=(-CA^{-1}B+D)\bar u=W(0)\bar u.$$

L'ultima uguaglianza segue da \(W(s)=C(sI-A)^{-1}B+D\): ponendo \(s=0\), \(W(0)=-CA^{-1}B+D\). Se \(A\) non è invertibile si conserva l'integrale; un polo nell'origine può produrre crescita a rampa e impedire un regime costante.

Esempio svolto

Prendiamo

$$A=\begin{bmatrix}-1&0\\0&-2\end{bmatrix},\quad B=\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix},\quad C=\begin{bmatrix}1&1\end{bmatrix},\quad D=0,\quad \bar u=3,\quad x_0=0.$$

Poiché \(e^{At}=\operatorname{diag}(e^{-t},e^{-2t})\),

$$x_f(t)= \begin{bmatrix}1-e^{-t}\\1-e^{-2t}\end{bmatrix}3 =\begin{bmatrix}3(1-e^{-t})\\3(1-e^{-2t})\end{bmatrix},$$ $$y(t)=6-3e^{-t}-3e^{-2t},\qquad y(0^+)=0,\qquad y_\infty=6.$$

La verifica tramite la funzione di trasferimento dà

$$W(s)=\frac1{s+1}+\frac2{s+2},\qquad W(0)=2,\qquad y_\infty=W(0)\bar u=6.$$
Risposta al gradino e separazione transitorio-regime Una curva parte da zero e converge al valore di regime sei; i due contributi esponenziali si estinguono. regimetransitorio estintot6 risposta completa
La risposta completa è la somma del valore costante di regime e dei modi transitori \(e^{-t}\), \(e^{-2t}\).

Follow-up probabili

Perché compare il segno meno nel valore di equilibrio?

All'equilibrio \(0=Ax_\infty+B\bar u\); quindi \(x_\infty=-A^{-1}B\bar u\).

Che cosa accade con \(D\neq0\)?

L'uscita ha un salto immediato \(D\bar u\) in \(t=0^+\), oltre alla parte dinamica \(Cx(t)\).

Il teorema del valore finale è sempre applicabile?

No. Occorre che tutti i poli di \(sY(s)\) siano strettamente nel semipiano sinistro; la stabilità asintotica della realizzazione senza cancellazioni garantisce la condizione.

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Domanda 40

Teorema delle soluzioni del polinomio minimo

Inquadramento

Il polinomio minimo conserva tutti i valori propri di \(A\), pur potendo avere grado e molteplicità inferiori al caratteristico. Il teorema chiarisce perché nessuna dinamica interna può sparire dal risolvente \((sI-A)^{-1}\), anche quando si semplificano fattori comuni.

Definizioni e ipotesi

Sia \(m_A\) l'annullatore monico di grado minimo di \(A\), cioè \(m_A(A)=0\). Un polinomio \(q\) è detto annullatore se \(q(A)=0\). Si lavora su \(\mathbb C\), oppure si considera la complessificazione di una matrice reale, così ogni polinomio si fattorizza in fattori lineari.

Enunciato

  1. Le radici di \(m_A(s)\) sono tutti e soli gli autovalori di \(A\).
  2. Il polinomio minimo divide ogni polinomio annullatore; in particolare \(m_A(s)\mid p_A(s)\).
  3. La molteplicità di \(\lambda\) in \(m_A\) è l'ordine del più grande blocco di Jordan associato a \(\lambda\).

Dimostrazione completa

Ogni autovalore è radice del minimo

Sia \(Av=\lambda v\), \(v\neq0\). Per induzione \(A^hv=\lambda^hv\): il caso \(h=1\) è la definizione; se vale per \(h\), allora \(A^{h+1}v=A(A^hv)=A(\lambda^hv)=\lambda^{h+1}v\). Pertanto, per ogni polinomio \(q\),

$$q(A)v=q(\lambda)v.$$

Applicando questa identità a \(m_A\),

$$0=m_A(A)v=m_A(\lambda)v.$$

Poiché \(v\neq0\), necessariamente \(m_A(\lambda)=0\).

Ogni radice del minimo è un autovalore

Sia \(\mu\) una radice di \(m_A\) di molteplicità \(r\ge1\): \(m_A(s)=(s-\mu)^rq(s)\), con \(\deg q<\deg m_A\). Supponiamo per assurdo che \(\mu\) non sia autovalore. Allora \(A-\mu I\) è invertibile e

$$0=m_A(A)=(A-\mu I)^rq(A).$$

Premoltiplicando per \((A-\mu I)^{-r}\), si ricava \(q(A)=0\), in contraddizione con la minimalità del grado di \(m_A\). Dunque \(\mu\) è un autovalore.

Divisibilità rispetto a ogni annullatore

Sia \(g(A)=0\). Per la divisione euclidea esistono unici \(h,r\) tali che

$$g(s)=h(s)m_A(s)+r(s),\qquad \deg r<\deg m_A.$$

Valutando in \(A\), tutti i polinomi in \(A\) commutano e

$$0=g(A)=h(A)m_A(A)+r(A)=r(A).$$

Se \(r\neq0\), esso sarebbe un annullatore di grado minore del minimo; quindi \(r=0\) e \(m_A\mid g\). Ponendo \(g=p_A\), Cayley–Hamilton dà \(m_A\mid p_A\).

Molteplicità e blocchi di Jordan

Su un blocco \(J_\lambda=\lambda I+N\) di ordine \(\nu\), \(N^\nu=0\) ma \(N^{\nu-1}\neq0\). Il fattore \((s-\lambda)^r\), valutato sul blocco, dà \(N^r\): annulla il blocco se e solo se \(r\ge\nu\). Per annullare simultaneamente tutti i blocchi associati a \(\lambda\) serve dunque l'esponente massimo \(\nu_\lambda\). Ne segue

$$m_A(s)=\prod_{\lambda\in\sigma(A)}(s-\lambda)^{\nu_\lambda}.$$

Esempio svolto

Per \(A_1=-2I_3\),

$$p_{A_1}(s)=(s+2)^3,\qquad m_{A_1}(s)=s+2.$$

La radice è la stessa, ma il minimo ha molteplicità uno perché tutti i blocchi hanno ordine uno. Per

$$A_2=\begin{bmatrix}-2&1&0\\0&-2&0\\0&0&-3\end{bmatrix},$$

il blocco massimo di \(-2\) ha ordine due e quello di \(-3\) ordine uno:

$$p_{A_2}(s)=(s+2)^2(s+3),\qquad m_{A_2}(s)=(s+2)^2(s+3).$$

In entrambi gli esempi l'insieme delle radici coincide esattamente con lo spettro.

Tempo continuo e tempo discreto

Le radici del minimo sono gli autovalori della matrice di evoluzione in entrambi i casi. In TC generano modi \(t^he^{\lambda t}\); in TD generano \(\binom{k}{h}\lambda^{k-h}\). Gli esponenti del minimo determinano quindi, in entrambi i domini, il massimo grado polinomiale che accompagna ciascun modo.

Radici del minimo e autovalori Lo spettro coincide con l'insieme delle radici del minimo; le molteplicità dipendono dai blocchi di Jordan. radici del minimo = radici del caratteristico = autovalori molteplicità nel minimo 321 bloccomassimo
Minimo e caratteristico hanno lo stesso insieme di radici; il primo ricorda soltanto la massima lunghezza delle catene di Jordan.

Follow-up probabili

Minimo e caratteristico hanno sempre le stesse molteplicità?

No. Hanno le stesse radici; nel minimo l'esponente è la dimensione del blocco di Jordan massimo, nel caratteristico è la somma delle dimensioni di tutti i blocchi associati.

Perché il minimo divide il caratteristico?

Perché Cayley–Hamilton rende il caratteristico un annullatore e il minimo divide ogni annullatore.

Il minimo determina completamente la forma di Jordan?

No. Determina gli autovalori e la dimensione del blocco massimo per ciascuno, ma non il numero e le dimensioni degli altri blocchi.

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Domanda 41

Se gli autovettori complessi non sono indipendenti che succede (RISPOSTA: A non è diagonalizzabile e quindi il sistema è più complicato da analizzare)

Inquadramento

La diagonalizzazione riduce il moto a modi scalari indipendenti. Se gli autovettori non formano una base, la matrice è difettiva: occorre la forma di Jordan e ai modi esponenziali si aggiungono fattori polinomiali. È questo il senso preciso della risposta attesa «\(A\) non è diagonalizzabile».

Definizioni e ipotesi

Per un autovalore \(\lambda\), la molteplicità algebrica \(m_a(\lambda)\) è la molteplicità di \(\lambda\) come radice di \(p_A\); la molteplicità geometrica è

$$m_g(\lambda)=\dim\ker(A-\lambda I).$$

Vale sempre \(1\le m_g(\lambda)\le m_a(\lambda)\). La matrice \(A\in\mathbb C^{n\times n}\) è diagonalizzabile se e solo se possiede \(n\) autovettori linearmente indipendenti, equivalentemente se \(m_g(\lambda)=m_a(\lambda)\) per ogni autovalore.

Precisazione: per una matrice reale, i due autovettori associati a una coppia distinta \(\lambda,\bar\lambda\) sono automaticamente indipendenti su \(\mathbb C\). Il difetto nasce quando un autovalore, anche complesso, è ripetuto e non fornisce abbastanza direzioni proprie.

Enunciato

Se gli autovettori complessi non sono sufficienti a formare una base, \(A\) non è diagonalizzabile. Esiste però una base di autovettori generalizzati nella quale

$$A=TJT^{-1},\qquad J_\lambda=\lambda I+N,\qquad N^\nu=0,$$

e il moto contiene i modi \(t^he^{\lambda t}\), \(h=0,\ldots,\nu-1\). Per una coppia \(\alpha\pm j\beta\), le corrispondenti funzioni reali sono \(t^he^{\alpha t}\cos\beta t\) e \(t^he^{\alpha t}\sin\beta t\).

Dimostrazione completa

Se \(A\) fosse diagonalizzabile, esisterebbero una diagonale \(\Lambda\) e una matrice invertibile \(T\) tali che \(A=T\Lambda T^{-1}\). Moltiplicando per \(T\), \(AT=T\Lambda\): la \(i\)-esima colonna \(t_i\) soddisferebbe \(At_i=\lambda_it_i\). Le colonne di una matrice invertibile sono indipendenti, quindi \(A\) possiederebbe \(n\) autovettori indipendenti. Per contrapposizione, se tali autovettori non esistono, \(A\) non può essere diagonalizzabile.

Per completare una base si introducono vettori generalizzati. Una catena di lunghezza \(\nu\) soddisfa

$$(A-\lambda I)v_1=0,\qquad (A-\lambda I)v_{h+1}=v_h,\quad h=1,\ldots,\nu-1.$$

Nella base \([v_1,\ldots,v_\nu]\), la restrizione di \(A\) è \(J_\lambda=\lambda I+N\), con \(N\) nilpotente. Allora

$$e^{J_\lambda t} =e^{\lambda t}\left(I+tN+\frac{t^2}{2!}N^2+\cdots+ \frac{t^{\nu-1}}{(\nu-1)!}N^{\nu-1}\right).$$

Quindi le coordinate non evolvono più come esponenziali indipendenti: sono accoppiate lungo la catena e compaiono \(t^he^{\lambda t}\). L'analisi è «più complicata» perché autovalori e autovettori ordinari non bastano; occorrono lunghezze dei blocchi o, equivalentemente, gli esponenti del polinomio minimo.

Conseguenze sulla stabilità, TC e TD

  • In TC un blocco difettivo con \(\operatorname{Re}\lambda<0\) è ancora asintoticamente stabile, perché \(t^he^{\operatorname{Re}\lambda t}\to0\). Sull'asse immaginario, un blocco di ordine maggiore di uno è instabile.
  • In TD compaiono \(\binom{k}{h}\lambda^{k-h}\). Se \(|\lambda|<1\) convergono; se \(|\lambda|=1\) e \(h\ge1\), crescono polinomialmente e rendono il sistema instabile.

Esempio reale con autovalori complessi difettivi

Sia

$$R=\begin{bmatrix}-1&-2\\2&-1\end{bmatrix},\qquad A=\begin{bmatrix}R&I_2\\0&R\end{bmatrix}.$$

Gli autovalori sono \(-1\pm2j\), ciascuno con molteplicità algebrica due ma geometrica uno. Poiché i blocchi \(R\) e \(I_2\) commutano,

$$e^{At}= \begin{bmatrix}e^{Rt}&te^{Rt}\\0&e^{Rt}\end{bmatrix},\qquad e^{Rt}=e^{-t}\begin{bmatrix}\cos2t&-\sin2t\\\sin2t&\cos2t\end{bmatrix}.$$

I termini \(te^{-t}\cos2t\) e \(te^{-t}\sin2t\) mostrano il difetto. Il sistema è comunque asintoticamente stabile perché la parte reale è \(-1\); sostituendo \(-1\) con \(0\), gli stessi termini crescerebbero come \(t\).

Catena di Jordan e modi generalizzati Un autovettore e due vettori generalizzati formano una catena; a ogni livello aumenta la potenza del tempo. autovettoremodo esponenziale generalizzato 1fattore t generalizzato 2fattore t² A−λIA−λI senza una base propria, la dinamica resta accoppiata
La parte nilpotente del blocco di Jordan collega i vettori generalizzati e genera le potenze del tempo.

Follow-up probabili

Autovalori distinti garantiscono diagonalizzabilità?

Sì: autovettori associati ad autovalori distinti sono linearmente indipendenti.

Una matrice difettiva è sempre instabile?

No. È asintoticamente stabile se tutti gli autovalori sono strettamente nella regione stabile; il fattore polinomiale non prevale sul decadimento esponenziale o geometrico.

Come si riconosce la lunghezza massima delle catene?

Dall'esponente di \((s-\lambda)\) nel polinomio minimo, oppure dai nulli crescenti di \((A-\lambda I)^h\).

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Domanda 42

Teorema del polinomio minimo e caratteristico

Inquadramento

Il caratteristico descrive lo spettro contando tutte le molteplicità algebriche; il minimo descrive il più piccolo vincolo polinomiale soddisfatto da \(A\). I teoremi che li collegano sono alla base del calcolo di \(e^{At}\), della raggiungibilità e della forma di Jordan.

Definizioni e ipotesi

$$p_A(s)=\det(sI-A),\qquad m_A(s)=\text{unico polinomio monico di grado minimo con }m_A(A)=0.$$

Due matrici simili \(A\) e \(\widetilde A=T^{-1}AT\) rappresentano lo stesso operatore in basi diverse.

Enunciato complessivo

  1. \(p_A\) è monico di grado \(n\), è invariante per similitudine e le sue radici sono gli autovalori con molteplicità algebrica.
  2. Cayley–Hamilton: \(p_A(A)=0\).
  3. \(m_A\) esiste ed è unico, divide ogni annullatore e quindi \(m_A\mid p_A\).
  4. \(m_A\) e \(p_A\) hanno le stesse radici; nel minimo l'esponente di ogni radice è la dimensione del blocco di Jordan massimo.
  5. \(m_A=p_A\) se e solo se per ogni autovalore vi è un solo blocco di Jordan.

Dimostrazione completa dei risultati

Spettro e invarianza del caratteristico

Per definizione, \(\lambda\) è autovalore se esiste \(v\neq0\) con \((\lambda I-A)v=0\). Ciò accade se e solo se \(\lambda I-A\) è singolare, ossia \(\det(\lambda I-A)=p_A(\lambda)=0\). Per una similitudine,

$$\det(sI-T^{-1}AT)=\det\bigl(T^{-1}(sI-A)T\bigr) =\det(T^{-1})\det(sI-A)\det T=p_A(s).$$

Cayley–Hamilton

Si espande \(\operatorname{adj}(sI-A)=\sum_{h=0}^{n-1}B_hs^{n-1-h}\) nell'identità \((sI-A)\operatorname{adj}(sI-A)=p_A(s)I\). Il confronto dei coefficienti produce \(B_0=I\), \(B_h-AB_{h-1}=a_hI\) e \(-AB_{n-1}=a_nI\). Premoltiplicando in successione per \(A^n,A^{n-1},\ldots,I\) e sommando, tutti i termini \(A^rB_h\) si cancellano e resta \(p_A(A)=0\).

Esistenza, unicità e divisibilità del minimo

L'esistenza segue da Cayley–Hamilton: vi è almeno un annullatore. Si sceglie quello monico di grado minimo. Se due minimi monici distinti avessero lo stesso grado, la loro differenza sarebbe un annullatore non nullo di grado minore, assurdo. Se \(q(A)=0\), la divisione \(q=hm_A+r\), \(\deg r<\deg m_A\), dà \(r(A)=0\); per minimalità \(r=0\), dunque \(m_A\mid q\). In particolare \(m_A\mid p_A\).

Radici e molteplicità

Se \(Av=\lambda v\), allora \(0=m_A(A)v=m_A(\lambda)v\), perciò ogni autovalore è radice del minimo. Viceversa, se \(m_A(\mu)=0\) ma \(A-\mu I\) fosse invertibile, fattorizzando \(m_A(s)=(s-\mu)^rq(s)\) si avrebbe \(q(A)=0\) dopo moltiplicazione per \((A-\mu I)^{-r}\), contro la minimalità. Le radici coincidono.

Su \(J_\lambda=\lambda I+N\) di ordine \(\nu\), \((J_\lambda-\lambda I)^r=N^r\) si annulla esattamente per \(r\ge\nu\). Il minimo usa quindi il massimo \(\nu_\lambda\), mentre il caratteristico usa la somma delle dimensioni di tutti i blocchi. Uguaglianza degli esponenti per ogni \(\lambda\) equivale alla presenza di un solo blocco per quell'autovalore.

Esempio comparativo

Le matrici

$$A_d=\begin{bmatrix}-1&0\\0&-1\end{bmatrix},\qquad A_J=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-1\end{bmatrix}$$

hanno entrambe \(p(s)=(s+1)^2\). Tuttavia \(m_{A_d}(s)=s+1\), perché \(A_d+I=0\), mentre \(m_{A_J}(s)=(s+1)^2\), perché \(A_J+I\neq0\) ma \((A_J+I)^2=0\). Il caratteristico non distingue le due strutture; il minimo sì.

Tempo continuo e tempo discreto

I teoremi sono puramente algebrici e valgono per la stessa matrice \(A\) in entrambi i domini. In TC riducono le potenze nella serie di \(e^{At}\); in TD riducono \(A^k\) a combinazione di \(I,A,\ldots,A^{m-1}\). Cambia il criterio di stabilità dei relativi autovalori, non la relazione tra \(m_A\) e \(p_A\).

Relazioni tra polinomio minimo e caratteristico Il minimo divide ogni annullatore, incluso il caratteristico; i due polinomi condividono le radici. polinomio minimovincolo essenziale caratteristicogrado n ogni altroannullatore stesse radiciautovalori dividedivide
Il minimo è il generatore monico dell'ideale dei polinomi annullatori; il caratteristico è uno dei suoi multipli.

Follow-up probabili

Il polinomio caratteristico determina \(e^{At}\)?

Non da solo: matrici con lo stesso caratteristico possono avere blocchi di Jordan diversi. Il minimo aggiunge la massima lunghezza delle catene.

Che cosa significa che il minimo genera gli annullatori?

Ogni polinomio \(q\) con \(q(A)=0\) è un multiplo di \(m_A\); l'insieme degli annullatori è l'ideale principale \((m_A)\).

La similarità cambia il minimo?

No: \(q(T^{-1}AT)=T^{-1}q(A)T\), quindi \(q\) annulla una matrice se e solo se annulla l'altra.

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Domanda 43

SIMO

Inquadramento

Un sistema SIMO ha un solo ingresso e più uscite. Tutte le uscite sono generate dalla stessa dinamica di stato: quando le funzioni di trasferimento hanno un denominatore comune, la forma canonica di controllo realizza l'intero vettore senza duplicare inutilmente gli stati.

Definizioni e ipotesi

SIMO significa single input, multiple output. Con \(u\in\mathbb R\), \(x\in\mathbb R^n\), \(y\in\mathbb R^p\),

$$\dot x=Ax+Bu,\qquad y=Cx+Du,$$

dove \(B\in\mathbb R^{n\times1}\), \(C\in\mathbb R^{p\times n}\), \(D\in\mathbb R^{p\times1}\). In condizioni iniziali nulle,

$$Y(s)=W(s)U(s),\qquad W(s)=C(sI-A)^{-1}B+D\in\mathbb R(s)^{p\times1}.$$

Enunciato: realizzazione dedicata

Siano tutte le componenti espresse con il denominatore monico comune

$$W_i(s)=\frac{b_{i0}s^n+b_{i1}s^{n-1}+\cdots+b_{in}} {s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n},\qquad i=1,\ldots,p.$$

Una realizzazione SIMO in forma canonica di controllo è

$$A_c=\begin{bmatrix} -a_1&-a_2&\cdots&-a_{n-1}&-a_n\\ 1&0&\cdots&0&0\\ 0&1&\cdots&0&0\\ \vdots&&\ddots&&\vdots\\ 0&0&\cdots&1&0 \end{bmatrix},\qquad B_c=e_1=\begin{bmatrix}1\\0\\\vdots\\0\end{bmatrix},$$ $$D_c=\begin{bmatrix}b_{10}\\\vdots\\b_{p0}\end{bmatrix},\qquad (C_c)_{i,:}= \begin{bmatrix} b_{i1}-b_{i0}a_1& b_{i2}-b_{i0}a_2&\cdots& b_{in}-b_{i0}a_n \end{bmatrix}.$$

Dimostrazione costruttiva completa

Dalle righe \(2,\ldots,n\) di \(\dot x=A_cx+B_cu\) segue \(\dot x_2=x_1,\ldots,\dot x_n=x_{n-1}\); la prima riga è \(\dot x_1=-a_1x_1-\cdots-a_nx_n+u\). Eliminando gli stati intermedi si ottiene

$$x_n^{(n)}+a_1x_n^{(n-1)}+\cdots+a_nx_n=u.$$

Con condizioni iniziali nulle, trasformando secondo Laplace,

$$X_n(s)=\frac{U(s)}{d(s)},\qquad X_h(s)=s^{n-h}X_n(s)=\frac{s^{n-h}}{d(s)}U(s),\quad h=1,\ldots,n.$$

La \(i\)-esima uscita è \(Y_i=(C_c)_{i,:}X+b_{i0}U\). Sostituendo le \(X_h\), il contributo dinamico ha numeratore

$$(b_{i1}-b_{i0}a_1)s^{n-1}+ (b_{i2}-b_{i0}a_2)s^{n-2}+\cdots+ b_{in}-b_{i0}a_n.$$

Il contributo diretto vale \(b_{i0}U=b_{i0}d(s)U/d(s)\). Sommando, i termini \(\pm b_{i0}a_h\) si cancellano e rimane \(b_{i0}s^n+b_{i1}s^{n-1}+\cdots+b_{in}\). Dunque ogni riga realizza esattamente \(W_i\), usando la stessa catena di \(n\) integratori.

Esempio svolto

$$W(s)=\begin{bmatrix} \dfrac{s+1}{s^2+3s+2}\\[2mm] \dfrac{2}{s^2+3s+2} \end{bmatrix}.$$

Il denominatore comune fornisce \(a_1=3\), \(a_2=2\). I numeratori sono strettamente propri, quindi \(D=0\), e

$$A=\begin{bmatrix}-3&-2\\1&0\end{bmatrix},\quad B=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix},\quad C=\begin{bmatrix}1&1\\0&2\end{bmatrix}.$$

Infatti

$$(sI-A)^{-1}B= \frac1{s^2+3s+2}\begin{bmatrix}s\\1\end{bmatrix},$$

e premoltiplicando per le due righe di \(C\) si ottengono rispettivamente \((s+1)/d(s)\) e \(2/d(s)\). Sebbene la prima componente abbia una cancellazione, la seconda conserva entrambi i poli: la realizzazione complessiva ha ordine due.

Struttura SIMO in forma di controllo Un unico ingresso attraversa una catena dinamica comune, poi più righe di uscita generano segnali distinti. integratore 1 integratore n riga C₁, D₁ riga C₂, D₂ riga Cₚ, Dₚ u⋯y₁y₂yₚ retroazioni con i coefficienti del denominatore
La dinamica è condivisa; cambiano soltanto le combinazioni \(C_i x+D_i u\) che producono le diverse uscite.

Tempo discreto

Per \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\), \(y(k)=Cx(k)+Du(k)\), \(W(z)=C(zI-A)^{-1}B+D\) è ancora un vettore colonna \(p\times1\). La forma compagna mantiene la stessa struttura, sostituendo l'equazione differenziale con la ricorrenza associata al denominatore in \(z\).

Follow-up probabili

Perché la forma di controllo è naturale nel caso SIMO?

Perché c'è un solo ingresso e quindi una sola catena dinamica raggiungibile, osservata poi da più righe di \(C\).

L'ordine minimo è sempre il grado del denominatore comune?

Solo dopo aver eliminato i fattori cancellati in tutte le componenti. Un polo presente in almeno una componente non può essere eliminato dalla realizzazione complessiva.

Come si distingue un sistema MISO?

Nel MISO \(W(s)\) è un vettore riga \(1\times m\); la forma canonica di osservabilità è la costruzione duale più naturale.

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Domanda 44

Risposta qualitativa con un gradino in ingresso a una funzione W(s) scritta dal professore

Inquadramento

La risposta qualitativa si ricostruisce direttamente da poli, zeri, guadagno e grado relativo di \(W(s)\), senza eseguire subito tutta l'antitrasformata. All'orale occorre partire da stabilità, valori iniziale e finale, poi aggiungere velocità, oscillazioni, sovraelongazione ed eventuale risposta inversa.

Definizioni e ipotesi

Per un gradino unitario \(u(t)=1(t)\),

$$U(s)=\frac1s,\qquad Y(s)=\frac{W(s)}s.$$

Si assume \(W\) razionale e propria. Il guadagno statico è \(W(0)\), se finito. Un polo è dominante se il suo transitorio si estingue molto più lentamente degli altri; per un polo reale \(p<0\), \(\tau=1/|p|\), mentre per una coppia \(-\zeta\omega_n\pm j\omega_d\), \(\tau=1/(\zeta\omega_n)\).

Enunciato e metodo operativo

  1. Stabilità. Se vi sono poli non cancellati con parte reale positiva, la risposta diverge; poli sull'asse immaginario richiedono un esame specifico.
  2. Valore iniziale. Se il limite esiste, \(y(0^+)=\lim_{s\to\infty}sY(s)=\lim_{s\to\infty}W(s)\). Una \(W\) strettamente propria parte da zero; un termine \(D\) produce un salto.
  3. Valore finale. Se tutti i poli di \(sY(s)=W(s)\) sono nel semipiano sinistro, \(y_\infty=\lim_{s\to0}sY(s)=W(0)\).
  4. Poli reali. Generano somme di esponenziali. Quelli più vicini all'asse immaginario dominano il tempo di assestamento; un polo in \(-a\) è praticamente estinto dopo circa \(4.6/a\) per la fascia dell'uno per cento.
  5. Poli complessi. Per \(0<\zeta<1\) producono oscillazioni smorzate; nel secondo ordine canonico \(M_p=e^{-\pi\zeta/\sqrt{1-\zeta^2}}\) e \(t_p=\pi/\omega_d\).
  6. Zeri. Uno zero vicino a un polo ne attenua il residuo. Uno zero nel semipiano destro può produrre sottoelongazione o risposta inversa; non cambia la stabilità interna, ma limita la rapidità ottenibile.

Dimostrazione completa e giustificazione dei criteri

Se \(W\) è stabile e propria, la scomposizione in fratti semplici della risposta al gradino ha la forma

$$Y(s)=\frac{W(0)}s+\sum_i\sum_{h=1}^{\nu_i}\frac{r_{ih}}{(s-p_i)^h},\qquad \operatorname{Re}p_i<0.$$

Antitrasformando,

$$y(t)=W(0)+\sum_i\sum_{h=1}^{\nu_i} \frac{r_{ih}}{(h-1)!}t^{h-1}e^{p_it}.$$

Tutti i termini della somma tendono a zero: questo dimostra il valore finale e mostra perché poli, molteplicità e residui governano la forma del transitorio. Il valore iniziale segue portando \(sY(s)\) al limite per \(s\to\infty\): i termini strettamente dinamici svaniscono, mentre resta l'eventuale accoppiamento diretto. Per una coppia coniugata, la somma dei due residui è reale e assume la forma \(e^{-\zeta\omega_nt}(a\cos\omega_dt+b\sin\omega_dt)\).

Esempio 1 — primo ordine monotono

$$W_1(s)=\frac2{s+1},\qquad Y_1(s)=\frac2{s(s+1)}=\frac2s-\frac2{s+1}.$$ $$y_1(t)=2(1-e^{-t})1(t).$$

Parte da zero, ha pendenza iniziale \(2\), cresce monotonicamente verso \(2\), ha \(\tau=1\) e assestamento all'uno per cento circa a \(4.6\).

Esempio 2 — secondo ordine sottosmorzato

$$W_2(s)=\frac4{s^2+2s+4},\qquad \omega_n=2,\quad\zeta=\frac12,\quad\omega_d=\sqrt3.$$ $$y_2(t)=1-e^{-t}\left(\cos\sqrt3t+\frac1{\sqrt3}\sin\sqrt3t\right).$$

Il valore finale è \(1\). La sovraelongazione relativa è \(M_p=e^{-\pi/\sqrt3}\approx0.163\), il primo picco è a \(t_p=\pi/\sqrt3\approx1.81\), e \(t_s\approx4/(\zeta\omega_n)=4\) nella fascia del due per cento.

Esempio 3 — zero a parte reale positiva e risposta inversa

$$W_3(s)=\frac{1-s}{s^2+s+1}.$$

I poli \(-\frac12\pm j\frac{\sqrt3}{2}\) sono stabili, lo zero è \(+1\), \(y(0^+)=0\) e \(y_\infty=W_3(0)=1\). Inoltre

$$\dot y(0^+)=\lim_{s\to\infty}s^2Y(s) =\lim_{s\to\infty}\frac{s(1-s)}{s^2+s+1}=-1,$$

quindi la risposta parte nella direzione opposta al valore finale. La scomposizione dà

$$Y_3(s)=\frac1s-\frac{s+2}{s^2+s+1},$$ $$y_3(t)=1-e^{-t/2}\left[ \cos\left(\frac{\sqrt3}{2}t\right)+ \sqrt3\sin\left(\frac{\sqrt3}{2}t\right)\right].$$
Tre risposte qualitative al gradino Risposta monotona, risposta sottosmorzata con sovraelongazione e risposta inversa dovuta a uno zero nel semipiano destro. 1. monotona2 2. sottosmorzata1 3. risposta inversa1 sottoelongazione
Tre firme immediatamente riconoscibili: polo reale dominante, coppia complessa sottosmorzata e zero a parte reale positiva.

Follow-up probabili

Un polo molto veloce può sempre essere cancellato?

Può essere trascurato in un'approssimazione se è ben separato dai dominanti e si preserva il guadagno statico; non va confuso con una cancellazione algebrica esatta.

Uno zero nel semipiano destro rende il sistema instabile?

No: la stabilità ingresso–uscita dipende dai poli. Lo zero non minimo può però causare risposta inversa e imporre limiti prestazionali.

Come si riconosce un salto iniziale?

Da \(\lim_{s\to\infty}W(s)=D\neq0\): il gradino passa istantaneamente attraverso il termine diretto.

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Domanda 45

Risposta a regime segnale rampa

Inquadramento

La rampa verifica la capacità di un sistema di seguire un segnale che cresce indefinitamente. Per una funzione di trasferimento stabile si cerca l'asintoto della risposta; nei sistemi in retroazione si classifica invece l'errore permanente mediante il tipo, cioè il numero di poli nell'origine della funzione d'anello.

Definizioni e ipotesi

Una rampa di pendenza \(a\) è \(r(t)=at\,1(t)\), con

$$R(s)=\frac{a}{s^2}.$$

Nella prima parte si assume \(W(s)\) propria, asintoticamente stabile e analitica in \(s=0\). Nella seconda si considera una retroazione unitaria negativa con funzione d'anello \(L(s)\) e sistema a ciclo chiuso stabile. Il tipo \(q\) è il numero di poli netti di \(L(s)\) nell'origine.

Enunciato: asintoto dell'uscita

Per \(Y(s)=W(s)a/s^2\), la risposta a regime è

$$y_r(t)=aW(0)t+aW'(0).$$

Il primo termine è una rampa con pendenza moltiplicata per il guadagno statico; il secondo è lo scostamento orizzontale/verticale dell'asintoto. I restanti termini sono transitori esponenziali che si estinguono.

Dimostrazione completa dell'asintoto

Poiché \(W\) è analitica nell'origine, il suo sviluppo di Taylor è

$$W(s)=W(0)+sW'(0)+s^2H(s),$$

dove \(H(s)\) è razionale e regolare in \(s=0\). Moltiplicando per \(a/s^2\),

$$Y(s)=\frac{aW(0)}{s^2}+\frac{aW'(0)}s+aH(s).$$

Antitrasformando i primi due termini si ottengono \(aW(0)t\) e \(aW'(0)\). I poli di \(H\) sono i poli stabili di \(W\); pertanto \(\mathcal L^{-1}\{aH(s)\}\to0\). Ne segue la formula. Equivalentemente, dopo aver sottratto l'asintoto, il teorema del valore finale dà limite nullo.

Errore a regime in retroazione unitaria

Con \(E(s)=R(s)/(1+L(s))\),

$$e_\infty=\lim_{t\to\infty}e(t) =\lim_{s\to0}sE(s) =a\lim_{s\to0}\frac1{s[1+L(s)]},$$

purché i poli di \(sE(s)\) siano nel semipiano sinistro. Ne segue:

TipoComportamento di \(L(s)\) per \(s\to0\)Errore alla rampa
\(q=0\)\(L(0)=K_p\) finito\(e_\infty=\infty\)
\(q=1\)\(L(s)\sim K_v/s\)\(e_\infty=a/K_v\), \(K_v=\lim_{s\to0}sL(s)\)
\(q\ge2\)\(L(s)\sim K/s^q\)\(e_\infty=0\)

La conclusione deriva sostituendo gli equivalenti nella formula: per tipo zero il denominatore contiene il fattore \(s\) non compensato; per tipo uno \(sL(s)\to K_v\); per tipo almeno due \(sL(s)\to\infty\).

Esempio 1 — uscita di un sistema stabile

Per \(W(s)=1/(\tau s+1)\) e rampa unitaria,

$$Y(s)=\frac1{s^2(\tau s+1)} =\frac1{s^2}-\frac{\tau}{s}+\frac{\tau^2}{\tau s+1}.$$

Pertanto

$$y(t)=t-\tau+\tau e^{-t/\tau},\qquad y_r(t)=t-\tau.$$

La stessa formula segue da \(W(0)=1\), \(W'(0)=-\tau\). La pendenza è corretta, ma la risposta è in ritardo di \(\tau\); l'errore \(r-y\) tende a \(\tau\).

Esempio 2 — errore di tipo uno

Sia \(L(s)=4/[s(s+2)]\). Il sistema è di tipo uno,

$$K_v=\lim_{s\to0}sL(s)=2,\qquad e_\infty=\frac1{K_v}=\frac12.$$

Il polinomio a ciclo chiuso è \(s^2+2s+4\), stabile. Per una rampa unitaria,

$$E(s)=\frac{s+2}{s(s^2+2s+4)} =\frac1{2s}-\frac{s}{2(s^2+2s+4)},$$ $$e(t)=\frac12-\frac12e^{-t}\cos\sqrt3t+ \frac1{2\sqrt3}e^{-t}\sin\sqrt3t\longrightarrow\frac12.$$
Inseguimento di una rampa Riferimento a rampa e uscite con errore infinito, finito e nullo secondo il tipo del sistema. riferimentotipo 1: errore finitotipo ≥ 2: errore nullotipo 0: errore crescente e∞
Il tipo determina l'ordine con cui l'azione d'anello cresce alle basse frequenze e quindi la capacità di annullare l'errore alla rampa.

Tempo discreto

Per la rampa \(r(k)=ak\,1(k)\), \(R(z)=az/(z-1)^2\). Il teorema del valore finale è \(\lim_{k\to\infty}e(k)=\lim_{z\to1}(z-1)E(z)/z\). Il tipo si conta mediante i poli d'anello in \(z=1\): nessun polo dà errore infinito, un polo errore finito, almeno due poli errore nullo, sempre sotto ipotesi di stabilità a ciclo chiuso.

Follow-up probabili

Perché \(W'(0)\) compare come termine costante?

Perché il termine \(sW'(0)\), moltiplicato per \(1/s^2\), diventa \(W'(0)/s\), la trasformata di una costante.

Un sistema di tipo due segue sempre bene una rampa?

Ha errore permanente nullo se il ciclo chiuso è stabile, ma il transitorio può essere lento o oscillatorio; il tipo non garantisce buone prestazioni transitorie.

Dove si conta il tipo nel tempo discreto?

Nei poli della funzione d'anello in \(z=1\), che è l'immagine discreta dell'origine \(s=0\).

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Domanda 46

Termine binomio del diagramma di Bode con grafici di modulo e fase

Inquadramento

Il termine binomio è il mattone elementare dei diagrammi di Bode: rappresenta poli o zeri reali, eventualmente multipli e anche nel semipiano destro. Modulo e fase si sommano a quelli degli altri fattori dopo aver scritto la funzione in forma normalizzata.

Definizioni e ipotesi

$$B(s)=(1+s\tau)^\mu,\qquad \tau\neq0,\quad \mu\in\mathbb Z.$$

La pulsazione di rottura è \(\omega_b=1/|\tau|\). Se \(\mu>0\) il fattore è al numeratore; se \(\mu<0\) è al denominatore. Se \(\tau>0\), la radice \(-1/\tau\) è nel semipiano sinistro; se \(\tau<0\), è nel semipiano destro.

Enunciato: leggi esatte

Per \(s=j\omega\),

$$|B(j\omega)|=\left[1+(\omega\tau)^2\right]^{\mu/2},$$ $$L_B(\omega)=20\log_{10}|B(j\omega)| =10\mu\log_{10}\!\left[1+(\omega\tau)^2\right],$$ $$\varphi_B(\omega)=\mu\arctan(\omega\tau) =\mu\,\operatorname{sgn}(\tau)\arctan(\omega|\tau|).$$

Il modulo non dipende dal segno di \(\tau\); la fase sì.

Dimostrazione completa delle formule

Il numero \(1+j\omega\tau\) ha parte reale \(1\), parte immaginaria \(\omega\tau\), modulo \(\sqrt{1+(\omega\tau)^2}\) e argomento principale \(\arctan(\omega\tau)\). Elevare alla potenza intera \(\mu\) eleva il modulo a \(\mu\) e moltiplica l'argomento per \(\mu\). Passando ai decibel, \(20\log_{10}[(1+(\omega\tau)^2)^{\mu/2}]=10\mu\log_{10}[1+(\omega\tau)^2]\).

Diagrammi asintotici

Se \(\omega\ll\omega_b\), \(|\omega\tau|\ll1\), quindi \(B(j\omega)\approx1\): modulo \(0\) dB e fase \(0^\circ\). Se \(\omega\gg\omega_b\), \(B(j\omega)\approx(j\omega\tau)^\mu\), dunque

$$L_{B,\mathrm{as}}(\omega)=20\mu\log_{10}\frac{\omega}{\omega_b},\qquad \varphi_B(\infty)=90^\circ\mu\,\operatorname{sgn}\tau.$$

La pendenza dopo la rottura è \(20\mu\) dB/decade. Alla rottura,

$$L_B(\omega_b)=10\mu\log_{10}2\approx3.010\,\mu\ \mathrm{dB},\qquad \varphi_B(\omega_b)=45^\circ\mu\,\operatorname{sgn}\tau.$$

L'approssimazione lineare della fase vale \(0^\circ\) fino a \(0.1\omega_b\), varia con pendenza \(45^\circ\mu\operatorname{sgn}\tau\) per decade tra \(0.1\omega_b\) e \(10\omega_b\), poi si assesta al valore finale.

\(\mu\)\(\tau\)pendenza modulofase finaleinterpretazione
\(\mu>0\)\(\tau>0\)\(+20\mu\) dB/dec\(+90\mu^\circ\)zeri LHP
\(\mu<0\)\(\tau>0\)\(+20\mu\) dB/dec\(-90|\mu|^\circ\)poli LHP
\(\mu>0\)\(\tau<0\)\(+20\mu\) dB/dec\(-90\mu^\circ\)zeri RHP
\(\mu<0\)\(\tau<0\)\(+20\mu\) dB/dec\(+90|\mu|^\circ\)poli RHP
Modulo esatto e asintotico del binomio A sinistra uno zero semplice, a destra un polo semplice; curve esatte e spezzate asintotiche. +3 dB μ = +10.1ωbωb10ωb +20 dB/dec0 dB −3 dB μ = −10.1ωbωb10ωb −20 dB/dec0 dB linea continua: esatto · tratteggio: asintotico
Il diagramma di un polo è il riflesso verticale di quello di uno zero; molteplicità \(|\mu|\) moltiplica ordinate e pendenze.
Fase esatta e asintotica del binomio Le fasi per tau positivo e negativo sono opposte; sono mostrati zero e polo con curve esatte e approssimazioni lineari. μ>0, τ>0 oppure μ<0, τ<0 μ<0, τ>0 oppure μ>0, τ<0 0.1ωbωb10ωb +90°0°−90° il segno di τ ribalta la fase, non il modulo
Curve esatte continue e approssimazioni asintotiche tratteggiate: le quattro casistiche si sovrappongono a coppie, perché il segno della fase dipende dal prodotto \(\mu\,\operatorname{sgn}\tau\).

Esempio svolto

Per \(B(s)=(1-0.1s)^{-2}\), \(\mu=-2\), \(\tau=-0.1\), \(\omega_b=10\ \mathrm{rad/s}\). Dopo la rottura il modulo scende a \(-40\) dB/decade; alla rottura vale \(-6.02\) dB. La fase è invece positiva:

$$\varphi(10)=(-2)\arctan(-1)=+90^\circ,\qquad \varphi(\infty)=+180^\circ.$$

Il modulo è identico a quello di due poli LHP, ma il segno opposto della fase rivela che i poli sono in \(+10\), quindi instabili.

Follow-up probabili

Perché il modulo non distingue LHP e RHP?

Perché \(|1+j\omega\tau|^2=1+\omega^2\tau^2\), che dipende da \(\tau^2\); l'argomento conserva invece il segno di \(\tau\).

La correzione alla rottura è sempre \(3\) dB?

È \(3.010\,\mu\) dB: positiva per zeri, negativa per poli e moltiplicata per la molteplicità.

Da dove parte la transizione di fase asintotica?

Una decade prima della rottura, \(0.1\omega_b\), e termina una decade dopo, \(10\omega_b\).

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Domanda 47

Principio di dualità controllabilità/osservabilità (forme canoniche con trasposte)

Inquadramento

La dualità scambia ingresso e uscita e trasforma la raggiungibilità in osservabilità. Permette di trasferire teoremi, test e forme canoniche da una proprietà all'altra con una trasposizione, evitando dimostrazioni separate.

Definizioni e ipotesi

Al sistema \(\Sigma=(A,B,C,D)\), con \(m\) ingressi e \(p\) uscite, si associa il duale

$$\Sigma^d=(A^T,C^T,B^T,D^T),$$

che ha \(p\) ingressi e \(m\) uscite. Le matrici strutturali sono

$$\mathcal R(A,B)=\begin{bmatrix}B&AB&\cdots&A^{n-1}B\end{bmatrix},$$ $$\mathcal O(A,C)=\begin{bmatrix}C\\CA\\\vdots\\CA^{n-1}\end{bmatrix}.$$

Enunciato del principio di dualità

$$(A,B)\text{ è completamente raggiungibile} \iff(A^T,B^T)\text{ è completamente osservabile},$$ $$(A,C)\text{ è completamente osservabile} \iff(A^T,C^T)\text{ è completamente raggiungibile}.$$

Nella seconda equivalenza \(C^T\) è la matrice d'ingresso del duale; nella prima \(B^T\) è la matrice d'uscita del sistema avente dinamica \(A^T\).

Dimostrazione completa mediante \(\mathcal R\) e \(\mathcal O\)

La matrice di raggiungibilità del duale rispetto a \(C^T\) è

$$\begin{aligned} \mathcal R(A^T,C^T) &=\begin{bmatrix}C^T&A^TC^T&\cdots&(A^T)^{n-1}C^T\end{bmatrix}\\ &=\begin{bmatrix}C^T&(CA)^T&\cdots&(CA^{n-1})^T\end{bmatrix}\\ &=\mathcal O(A,C)^T. \end{aligned}$$

Una matrice e la sua trasposta hanno lo stesso rango; quindi \(\operatorname{rank}\mathcal R(A^T,C^T)=n\) se e solo se \(\operatorname{rank}\mathcal O(A,C)=n\). Questo prova osservabilità di \((A,C)\) equivalente a raggiungibilità di \((A^T,C^T)\).

Analogamente, la matrice di osservabilità del sistema \((A^T,B^T)\) è

$$\mathcal O(A^T,B^T)= \begin{bmatrix}B^T\\B^TA^T\\\vdots\\B^T(A^T)^{n-1}\end{bmatrix} =\mathcal R(A,B)^T,$$

da cui la prima equivalenza. Anche le funzioni di trasferimento sono duali:

$$W_d(s)=B^T(sI-A^T)^{-1}C^T+D^T =\left[C(sI-A)^{-1}B+D\right]^T=W(s)^T,$$

perché \((M^{-1})^T=(M^T)^{-1}\).

Forme canoniche ottenute per trasposizione

Nell'ordinamento degli appunti, la canonica di osservabilità ha

$$A_o=\begin{bmatrix} -a_1&1&0&\cdots&0\\ -a_2&0&1&\cdots&0\\ \vdots&&&\ddots&\vdots\\ -a_{n-1}&0&0&\cdots&1\\ -a_n&0&0&\cdots&0 \end{bmatrix},\qquad C_o=e_1^T.$$

La canonica di controllo è la trasposta diretta, con scambio di ingresso e uscita:

$$A_c=A_o^T= \begin{bmatrix} -a_1&-a_2&\cdots&-a_{n-1}&-a_n\\ 1&0&\cdots&0&0\\ 0&1&\cdots&0&0\\ \vdots&&\ddots&&\vdots\\ 0&0&\cdots&1&0 \end{bmatrix},\qquad B_c=C_o^T=e_1,$$ $$C_c=B_o^T,\qquad D_c=D_o.$$

La compagna alternativa con sopradiagonale unitaria, ultima riga \(\begin{bmatrix}-a_n&\cdots&-a_1\end{bmatrix}\) e \(B=e_n\) è soltanto la versione a stati ribaltati. Se \(P\) è l'antidentità, \(P^{-1}=P\), allora

$$A_{c,\mathrm{rev}}=PA_cP,\qquad B_{c,\mathrm{rev}}=PB_c=e_n,\qquad C_{c,\mathrm{rev}}=C_cP.$$

Esempio svolto

Per

$$A=\begin{bmatrix}-3&-2\\1&0\end{bmatrix},\quad B=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix},\quad C=\begin{bmatrix}0&1\end{bmatrix},$$ $$\mathcal R(A,B)=\begin{bmatrix}1&-3\\0&1\end{bmatrix},\qquad \mathcal O(A^T,B^T)= \begin{bmatrix}1&0\\-3&1\end{bmatrix}=\mathcal R(A,B)^T.$$

Il determinante vale \(1\), dunque \((A,B)\) è raggiungibile e \((A^T,B^T)\) osservabile. Inoltre \(\mathcal O(A,C)=\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix}\), quindi il duale \((A^T,C^T)\) è raggiungibile.

Dualità tra controllo e osservazione Due sistemi con ingresso e uscita scambiati sono collegati dalla trasposizione; matrici di raggiungibilità e osservabilità diventano trasposte. sistema originaleingresso tramite Buscita tramite Craggiungibilità con R sistema dualeingresso tramite Cᵀuscita tramite Bᵀosservabilità con Rᵀ trasposizionedualità inversa controllo ↔ osservazione · forma compagna ↔ forma compagna trasposta
La dualità è involutiva: applicandola due volte si ritorna al sistema originale.

Tempo discreto

La dimostrazione è identica per \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\), poiché le matrici \(\mathcal R\) e \(\mathcal O\) hanno la stessa forma. Cambiano soltanto le formule di evoluzione e la regione di stabilità, non la dualità strutturale.

Follow-up probabili

Il duale è un sistema fisicamente collegato all'originale?

Non necessariamente: è soprattutto una costruzione algebrica che scambia i ruoli di attuazione e misura.

La dualità preserva gli autovalori?

Sì, \(A\) e \(A^T\) hanno lo stesso polinomio caratteristico.

Come si dualizza la forma di Kalman?

Si trasponde la dinamica e si scambiano i blocchi raggiungibili con quelli osservabili; gli zeri strutturali si riflettono rispetto alla diagonale.

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Domanda 48

Forma canonica di controllo di Kalman

Inquadramento

La forma canonica di controllo, detta anche forma canonica di raggiungibilità, porta ogni sistema SISO completamente raggiungibile in una matrice compagna. Rende immediati il polinomio caratteristico, la catena di integratori e il progetto mediante retroazione dello stato.

Definizioni e ipotesi

Si considera \(\dot x=Ax+Bu\), \(y=Cx+Du\), con \(B\in\mathbb R^{n\times1}\) e coppia \((A,B)\) completamente raggiungibile:

$$\mathcal R=\begin{bmatrix}B&AB&\cdots&A^{n-1}B\end{bmatrix},\qquad \det\mathcal R\neq0.$$

Sia

$$p_A(s)=s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n.$$

Enunciato

Esiste un cambio di coordinate \(x=Tz\) tale che

$$\dot z=A_cz+B_cu,\qquad y=C_cz+Du,$$

con

$$A_c=\begin{bmatrix} -a_1&-a_2&\cdots&-a_{n-1}&-a_n\\ 1&0&\cdots&0&0\\ 0&1&\cdots&0&0\\ \vdots&&\ddots&&\vdots\\ 0&0&\cdots&1&0 \end{bmatrix},\qquad B_c=e_1,\qquad C_c=CT.$$

Se \(\mathcal R_c=[B_c\ A_cB_c\ \cdots\ A_c^{n-1}B_c]\), il cambio di base richiesto dagli appunti è

$$\boxed{T=\mathcal R\,\mathcal R_c^{-1}}.$$

Dimostrazione costruttiva completa

Anzitutto \(A_c\) ha il caratteristico desiderato. In \(sI-A_c\) la prima riga è \(\begin{bmatrix}s+a_1&a_2&\cdots&a_n\end{bmatrix}\), la sottodiagonale vale \(-1\) e i restanti elementi diagonali valgono \(s\). Lo sviluppo del determinante rispetto alla prima riga dà

$$\det(sI-A_c)=(s+a_1)s^{n-1}+a_2s^{n-2}+\cdots+a_n =s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n=p_A(s).$$

La coppia \((A_c,B_c)\) è raggiungibile. Infatti le righe \(2,\ldots,n\) di \(A_c\) traslano verso il basso le componenti: per \(h=0,\ldots,n-1\), il vettore \(A_c^he_1\) ha componente \(h+1\) uguale a \(1\) e componenti successive nulle. Di conseguenza le colonne \(B_c,A_cB_c,\ldots,A_c^{n-1}B_c\) formano una matrice \(\mathcal R_c\) triangolare superiore con elementi unitari sulla diagonale, dunque \(\det\mathcal R_c=1\). Poiché anche \(\mathcal R\) è invertibile, \(T=\mathcal R\mathcal R_c^{-1}\) è invertibile e

$$T\mathcal R_c=\mathcal R.$$

Confrontando la prima colonna, \(TB_c=B\), dunque \(T^{-1}B=B_c\). Più in generale, per \(h=0,\ldots,n-1\),

$$T A_c^hB_c=A^hB.$$

Per \(h=0,\ldots,n-2\),

$$AT A_c^hB_c=A^{h+1}B=T A_c^{h+1}B_c=T A_c A_c^hB_c.$$

Resta l'ultima colonna. Cayley–Hamilton applicato ad \(A\) e ad \(A_c\), che hanno lo stesso caratteristico, dà

$$A^nB=-a_1A^{n-1}B-\cdots-a_nB,$$ $$A_c^nB_c=-a_1A_c^{n-1}B_c-\cdots-a_nB_c.$$

Usando \(TA_c^hB_c=A^hB\), anche per \(h=n-1\) risulta \(AT A_c^{n-1}B_c=TA_cA_c^{n-1}B_c\). Poiché le colonne di \(\mathcal R_c\) costituiscono una base, le due applicazioni lineari \(AT\) e \(TA_c\) coincidono su una base e quindi

$$AT=TA_c,\qquad T^{-1}AT=A_c.$$

Infine \(x=Tz\) nell'equazione d'uscita dà \(y=CTz+Du\), cioè \(C_c=CT\). La costruzione è pertanto completa.

Numeratore e orientamento duale alla forma di osservabilità

Per una funzione propria

$$W(s)=\frac{b_0s^n+b_1s^{n-1}+\cdots+b_n} {s^n+a_1s^{n-1}+\cdots+a_n},$$

si prende

$$D_c=b_0,\qquad C_c=\begin{bmatrix} b_1-b_0a_1&b_2-b_0a_2&\cdots&b_n-b_0a_n \end{bmatrix}.$$

Questa forma è duale alla canonica di osservabilità:

$$A_c=A_o^T,\qquad B_c=C_o^T,\qquad C_c=B_o^T,\qquad D_c=D_o,$$

Questa è la trasposizione diretta nell'ordinamento degli appunti. La forma più comune con sopradiagonale unitaria, ultima riga \(\begin{bmatrix}-a_n&\cdots&-a_1\end{bmatrix}\) e \(B=e_n\) si ottiene ribaltando gli stati con la matrice antidentità \(P\): \(A_{c,\mathrm{rev}}=PA_cP\), \(B_{c,\mathrm{rev}}=PB_c\).

Esempio numerico completo

Siano

$$A=\begin{bmatrix}1&1\\0&2\end{bmatrix},\qquad B=\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix},\qquad C=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix},\qquad D=0.$$

Il caratteristico è \(p_A(s)=s^2-3s+2\), quindi \(a_1=-3\), \(a_2=2\), e

$$A_c=\begin{bmatrix}3&-2\\1&0\end{bmatrix},\qquad B_c=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}.$$

Le matrici di raggiungibilità sono

$$\mathcal R=\begin{bmatrix}0&1\\1&2\end{bmatrix},\qquad \mathcal R_c=\begin{bmatrix}1&3\\0&1\end{bmatrix},\qquad \mathcal R_c^{-1}=\begin{bmatrix}1&-3\\0&1\end{bmatrix}.$$

Pertanto

$$T=\mathcal R\mathcal R_c^{-1} =\begin{bmatrix}0&1\\1&-1\end{bmatrix},\qquad T^{-1}=\begin{bmatrix}1&1\\1&0\end{bmatrix}.$$

La verifica diretta dà

$$T^{-1}AT=\begin{bmatrix}3&-2\\1&0\end{bmatrix}=A_c,\qquad T^{-1}B=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}=B_c,\qquad C_c=CT=\begin{bmatrix}0&1\end{bmatrix}.$$

La funzione di trasferimento è \(W(s)=1/(s^2-3s+2)\), uguale prima e dopo il cambio di base.

Schema a blocchi della forma canonica di controllo Catena di integratori con retroazioni dei coefficienti caratteristici e prelievi di uscita. Σ 1/s 1/s 1/s ⋯ustati −aₙ⋯−a₁ Σ Cx y i coefficienti del caratteristico chiudono la catena; quelli del numeratore combinano gli stati
Schema della forma compagna: una sola catena raggiungibile, retroazionata dai coefficienti \(a_i\), con uscita ottenuta dai coefficienti \(C_c\).

Tempo discreto

Per \(x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)\) la costruzione \(T=\mathcal R\mathcal R_c^{-1}\) è identica. La matrice compagna contiene lo stesso polinomio caratteristico in \(z\); la catena va interpretata come ritardi unitari anziché integratori.

Follow-up probabili

Perché serve la completa raggiungibilità?

Perché \(\mathcal R\) deve essere invertibile: solo allora le potenze di \(A\) applicate a \(B\) formano una base e il cambio \(T\) esiste.

La forma canonica cambia la funzione di trasferimento?

No. Una similitudine cambia le coordinate interne ma lascia \(C(sI-A)^{-1}B+D\) invariata.

Qual è il legame con la forma di osservabilità?

È la realizzazione duale: con ordinamenti coerenti si traspondono \(A\) e si scambiano \(B\) e \(C^T\); un eventuale ribaltamento degli stati è una semplice similitudine.

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