Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Jack H.Dynamic system modeling and control.2004.pdf
Скачиваний:
88
Добавлен:
23.08.2013
Размер:
5.61 Mб
Скачать

numerical methods - 17.3

Aside: Proof of the first order derivative transform

Given the derivative of a function g(t)=df(t)/dt,

G( s)

= L[ g( t) ] = L

 

d

 

(d/dt)f( t) e

st

dt

 

 

 

----f( t)

 

=

 

 

 

 

dt

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

we can use integration by parts to go backwards,

b udv = uv ab b vdu

a

a

therefore,

0

0

 

 

(d/dt)f( t) estdt

 

0

 

 

du = df( t)

v = est

 

 

u = f( t)

dv = sestdt

 

 

 

 

f( t) ( –s) estdt =

f( t) est

0

(d/dt)f( t) e

st

 

 

 

0

 

(d/dt)f( t) estdt

= [ f( t) e–∞ s f( t) e–0s] + s

 

 

 

 

0

dt

f( t) estdt

 

L

 

d

 

= – f( 0) + sL[ f( t) ]

 

 

 

----f( t)

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

Figure 17.4 Proof of the first order derivative transform

The previous proofs were presented to establish the theoretical basis for this method, however tables of values will be presented in a later section for the most popular transforms.

17.2 APPLYING LAPLACE TRANSFORMS

The process of applying Laplace transforms to analyze a linear system involves the basic steps listed below.

numerical methods - 17.4

1.Convert the system transfer function, or differential equation, to the s-domain by replacing ’D’ with ’s’. (Note: If any of the initial conditions are non-zero these must be also be added.)

2.Convert the input function(s) to the s-domain using the transform tables.

3.Algebraically combine the input and transfer function to find an output function.

4.Use partial fractions to reduce the output function to simpler components.

5.Convert the output equation back to the time-domain using the tables.

17.2.1A Few Transform Tables

Laplace transform tables are shown in Figure 17.5, Figure 17.7 and Figure 17.8. These are commonly used when analyzing systems with Laplace transforms. The transforms shown in Figure 17.5 are general properties normally used for manipulating equations, and for converting them to/from the s-domain.

numerical methods - 17.5

TIME DOMAIN

FREQUENCY DOMAIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( t)

f( s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kf( t)

KL[ f( t) ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1( t) + f2( t) –f3( t) + …

f1( s) + f2( s) –f3( s) +…

 

 

 

 

 

df( t)

sL[ f( t) ] – f( 0

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2f( t)

s

2

L[ f( t) ] –

sf(

0

)

 

 

df( 0)

 

 

 

 

-------------

 

 

 

– -----------------

 

 

 

 

 

dt

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dnf( t)

s

n

L[ f( t) ] –

s

n – 1

f( 0

) – s

n – 2 df( 0

)

dn – 1f( 0

-------------

 

 

 

 

 

 

 

----------------- – …

– -------------------------

 

dt

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

dt

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

L[ f( t) ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( t) dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( t a) u( t a) , a > 0

easL[ f( t) ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eatf( t)

f( s a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( at) , a > 0

1

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a--f a--

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tf( t)

df( s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

n

f( t)

( –1)

n dnf( s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dsn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( u) du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 17.5 Laplace transform tables

numerical methods - 17.6

··

·

where,

··

 

 

L[ x + 7x + 8x = 9] =

( 0)

= 1

 

 

 

x

 

 

 

·

( 0) = 2

 

 

 

x

 

 

 

x( 0)

= 3

Figure 17.6 Drill Problem: Converting a differential equation to s-domain

The Laplace transform tables shown in Figure 17.7 and Figure 17.8 are normally used for converting to/from the time/s-domain.

numerical methods - 17.7

TIME DOMAIN

FREQUENCY DOMAIN

δ ( t)

 

 

unit impulse

1

 

A

 

 

 

step

A

 

 

 

 

--

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

t

 

 

 

 

ramp

1

 

 

 

 

 

----

 

 

 

 

 

 

 

 

s2

 

t

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

----

 

 

 

 

 

 

 

 

s3

 

 

n

 

 

>

0

n!

 

t

, n

-----------

 

 

 

 

 

 

 

 

sn + 1

 

e

at

 

exponential decay

1

 

 

 

 

 

-----------

 

 

 

 

 

 

 

 

s + a

 

 

sin ( ω

t)

ω

 

 

-----------------

 

 

 

 

 

 

 

s2 + ω

2

 

cos ( ω

t)

s

 

 

-----------------

 

 

 

 

 

 

 

s2 + ω

2

te

at

 

 

1

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

 

( s + a) 2

t

2

e

at

 

2!

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

 

( s + a) 3

Figure 17.7 Laplace transform tables (continued)

numerical methods - 17.8

TIME DOMAIN

 

 

 

 

 

 

FREQUENCY DOMAIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

at

sin ( ω

t)

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( s + a) 2 + ω

2

 

 

e

at

cos ( ω

t)

 

 

 

 

 

 

s + a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( s + a) 2 + ω

2

 

 

e

at

sin ( ω

t)

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( s + a) 2 + ω

2

 

 

 

 

 

 

at

 

 

B cos ω

C aB

 

 

 

Bs + C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t +

----------------

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

sin ω

 

 

(-------------------------------s + a) 2 + ω

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

A

 

eα t cos ( βt + θ )

 

 

 

 

A

Acomplex conjugate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s-----------------------+ α β j +

-------------------------------------

s + α +β j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t

 

A

 

eα t cos ( βt + θ )

 

 

 

 

A

 

Acomplex conjugate

 

 

 

 

 

 

 

 

( c a) eat

( c b) ebt

 

 

 

(------------------------------s + α β j) 2 +

-------------------------------------( s + α +β j) 2

 

 

 

 

 

s + c

 

 

 

 

---------------------------------------------------------

 

 

--------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b a

 

 

 

 

 

( s + a) ( s + b)

 

 

 

 

eat ebt

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

-----------------------

 

 

 

 

 

 

b a

 

 

 

 

 

 

--------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( s + a) ( s + b)

 

 

Figure 17.8 Laplace transform tables (continued)