Laplace Transform을 이용한 Differential Equation을 풀기.
문제
다음 미분방정식 의 시스템이 있다고 하자.
d2y(t)dt2+3dy(t)dt+2y(t)=dx(t)dt
아래와 같은 입력과 초기조건에서
- zero-state response (초기조건이 0.)
- zero-input response (input이 0.)
- natural response (system mode만으로 구성.)
- forced response (input signal에만 의한 항으로 구성.)
를 구하라.
input signal
x(t)=t2+5t
initial conditions
y(0−)=2dy(0−)dt=3
sol.
우선, 시스템을 나타내는 미분방정식을 Laplace trasnform 수행함(초기조건 대입도 수행.)
d2y(t)dt2+3dy(t)dt+2y(t)=dx(t)dt[s2Y(s)−sy(0)−dy(0)dt]+3[sY(s)−y(0)]+2Y(s)=[sX(s)−x(0)][s2Y(s)−2s−3]+3[sY(s)−2]+2Y(s)=[sX(s)−x(0)](s2+3s+2)Y(s)−2s−3−6=sX(s)−0(s2+3s+2)Y(s)=2s+9+sX(s)Y(s)=2s+9s2+3s+2+sX(s)s2+3s+2
위 식에서 첫번째 항은 zero-input response에 해당하고, 두번째 항은 zero-state response에 해당함.
이제 input signal x(t)에 대한 Laplace transform X(s)를 구한다.
x(t)=t2+5tX(s)=2!s3+51!s2=5s+2s3
X(s)를 시스템의 미분방정식의 Laplace transform에 대입한다.
Y(s)=2s+9s2+3s+2+sX(s)s2+3s+2=2s+9s2+3s+2+s(5s+2)s3(s2+3s+2)=2s+9s2+3s+2+(5s+2)s2(s2+3s+2)=2s+9(s+1)(s+2)+(5s+2)s2(s+1)(s+2)
이를 부분분수 분해한다.
Y(s)=[2s+9(s+1)(s+2)]+[(5s+2)s2(s+1)(s+2)]=[As+1+Bs+2]+[C1s2+C2s+Ds+1+Es+2]=[Yzi(s)]+[Yzs(s)]
각 부분분수의 계수를 구한다.
A=(s+1)Yzi(s)|s=−1=−2+9(−1+2)=7B=(s+2)Yzi(s)|s=−2=−4+9−2+1=−5C1=s2Yzs(s)|s=0=5⋅0+2(0+1)(0+2)=22=1C2=ds2Yzs(s)ds|s=0=d[s25s+2S2(s+1)(s+2)]ds|s=0=d[s25s+2S2(s2+3s+2)]ds|s=0=5(s2+3s+2)−(5s+2)(2s+3)(s2+3s+2)2|s=0=5(2)−(2)(3)(2)2=10−64=1D=(s+1)Yzs(s)|s=−1=(5⋅−1+2)(−1)2(−1+2)=−31=−3E=(s+2)Yzs(s)|s=−2=(5⋅−2+2)(−2)2(−2+1)=−8−4=2
결국, Y(s)는 다음과 같음.
Y(s)=[7s+1+−5s+2]+[1s2+1s+−3s+1+2s+2]
이들 각각에 Inverse Laplace Transform을 취한다.
Y(s)=[7s+1+−5s+2]+[1s2+1s+−3s+1+2s+2]y(t)=[7e−t−5e−2t]+[t+1−3e−t+2e−2t]
즉, zero-input response yzi(t)와 zero-state response yzs(t)는 다음과 같음.
yzi(t)=7e−t−5e−2tyzs(t)=t+1−3e−t+2e−2t
그리고, natural response yn(t)와 forced response yf(t)는 다음과 같음.
yn(t)=7e−t−5e−2t−3e−t+2e−2t=4e−t−3e−2tyf(t)=t+1
'... > Signals and Systems' 카테고리의 다른 글
[SS] Cascade Connection (0) | 2023.08.22 |
---|---|
[SS] Differential Equation and Responses (zero-input, zero-state, natural, forced) w/o Laplace Transform (0) | 2023.08.22 |
[SS] Differential Equation : 1st Canonical Form (0) | 2023.08.22 |
[SS] RLC Circuit & Differential Eq (0) | 2023.08.22 |
[SS] Differential Equation : 2nd Canonical Form (0) | 2023.08.22 |