Risposta libera

La risposta libera o risposta ad ingresso nullo di un sistema dinamico, anche detta "risposta libera nello stato" in quanto interessa le variabili di stato del sistema, è la sua risposta quando l'ingresso è nullo, in modo che il comportamento del sistema dipende soltanto dalle condizioni iniziali. Nei sistemi lineari il principio di sovrapposizione stabilisce in particolare che è possibile scomporre l'uscita come la somma della risposta libera più la risposta forzata.

Sistemi LTI

Si consideri un sistema dinamico lineare stazionario:

${\displaystyle \left\{{\begin{matrix}{\frac {dx(t)}{dt}}=Ax(t)+Bu(t)\\y(t)=Cx(t)+Du(t)\end{matrix}}\right.\,}$ 

in cui ${\displaystyle A}$ , ${\displaystyle B}$ , ${\displaystyle C}$  e ${\displaystyle D}$  sono matrici, ${\displaystyle x(t)\in \mathbb {R} ^{n}}$ , ${\displaystyle u(t)\in \mathbb {R} ^{q}}$  e ${\displaystyle y(t)\in \mathbb {R} ^{p}}$ . La matrice ${\displaystyle A}$  ha dimensione ${\displaystyle n\times n}$ , ${\displaystyle B}$  ha dimensione ${\displaystyle n\times q}$ , ${\displaystyle C}$  ha dimensione ${\displaystyle p\times n}$  e ${\displaystyle D}$  ha dimensione ${\displaystyle p\times q}$ .

Grazie al principio di sovrapposizione è possibile scomporre la risposta di un sistema dinamico lineare come la somma della risposta libera ${\displaystyle y_{L}}$  più la risposta forzata ${\displaystyle y_{F}}$ :

${\displaystyle y(t)=y_{L}(t)+y_{F}(t)}$ 

Nel dominio della trasformata di Laplace:

${\displaystyle L[y(t)](s)=Y(s)=Y_{L}(s)+Y_{F}(s)=F(s)x(0)+G(s)U(s)}$ 

dove ${\displaystyle U}$  è la trasformata di ${\displaystyle u}$  e le matrici ${\displaystyle F}$  e ${\displaystyle G}$  sono date da:

${\displaystyle F(s)=C(sI-A)^{-1}\qquad G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D}$ 

Il termine ${\displaystyle Y_{L}}$  è lineare rispetto a ${\displaystyle x(0)}$  e rappresenta la risposta del sistema quando l'ingresso è nullo: lo stato del sistema dipende quindi linearmente dallo stato iniziale ${\displaystyle x(0)}$ . Il termine ${\displaystyle Y_{F}}$  è la risposta del sistema quando lo stato iniziale è nullo, ed è pertanto una funzione lineare solo dell'ingresso ${\displaystyle u}$ .

Nell'ipotesi che la matrice ${\displaystyle A}$  sia diagonalizzabile con autovalori reali si è dimostrato che la risposta libera nello stato risulta:

${\displaystyle x_{l}(t)=Pe^{\Lambda (t-t_{0})}P^{-1}x(t_{0})}$ 

dove le colonne della matrice ${\displaystyle P}$  sono gli autovettori ${\displaystyle v_{1},v_{2},...,v_{n}}$  di ${\displaystyle A}$  relativi agli autovalori distinti ${\displaystyle \lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{n}}$ ; ${\displaystyle P^{-1}}$  indica l'inversa di ${\displaystyle P}$  e ${\displaystyle e^{\Lambda (t-t_{0})}}$  l'esponenziale della matrice degli autovettori.

Posto ${\displaystyle t_{0}=0}$  si può scrivere:

${\displaystyle x_{l}(t)=\left({\begin{array}{cccc}v_{11}&v_{21}&\cdots &v_{n1}\\v_{12}&v_{22}&\cdots &v_{n2}\\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\v_{1n}&v_{2n}&\cdots &v_{nn}\\\end{array}}\right)\left({\begin{array}{cccc}e^{\lambda _{1}t}&0&\cdots &0\\0&e^{\lambda _{2}t}&\cdots &0\\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\0&0&\cdots &e^{\lambda _{n}t}\\\end{array}}\right)\left({\begin{array}{c}\alpha _{1}(0)\\\alpha _{2}(0)\\\vdots \\\alpha _{n}(0)\\\end{array}}\right)}$ 

dove ${\displaystyle \alpha _{i}(0)}$  è il prodotto della riga i-esima della matrice ${\displaystyle P^{-1}}$  per lo stato iniziale x(0). Sviluppando i prodotti matriciali si ottiene:

${\displaystyle x_{l}(t)=\sum _{i=1}^{n}\alpha _{i}(0)e^{\lambda _{i}t}v_{i}}$ 

La funzione ${\displaystyle \alpha _{i}(0)e^{\lambda _{i}t}v_{i}}$  viene detta modo aperiodico i-esimo. Un modo si dice eccitato se compare nella risposta libera nello stato.

La risposta libera si può quindi esprimere come la sovrapposizione di più modi. In particolare, si nota che nell'ipotesi che lo stato iniziale x(0) coincide con l'autovettore ${\displaystyle \alpha _{i}(0)v_{i}}$  allora si ha:

${\displaystyle P^{-1}x(0)=P^{-1}\alpha _{i}(0)v_{i}=\left({\begin{array}{c}0\\\vdots \\0\\\alpha _{i}(0)\\0\\\vdots \\0\\\end{array}}\right)}$ 

e quindi soltanto il modo i-esimo risulta eccitato. Pertanto la traiettoria è la retta individuata dall'autovettore ${\displaystyle v_{i}}$ 

Nel caso di ${\displaystyle A}$  matrice 2 per 2 con una coppia di autovalori complessi coniugati si ha per quanto visto nei sistemi dinamici lineari tempo invarianti sempre nell'ipotesi che ${\displaystyle t_{0}=0}$  e che ${\displaystyle T}$  sia la matrice le cui colonne sono parte reale e parte immaginaria dei 2 autovettori complessi coniugati:

${\displaystyle x_{l}(t)=Te^{\alpha t}\left({\begin{array}{cc}\cos \omega t&\sin \omega t\\-\sin \omega t&\cos \omega t\end{array}}\right)T^{-1}x(0)}$ 

Posto:

${\displaystyle x(0)=T\left({\begin{array}{c}M\sin \beta \\M\cos \beta \\\end{array}}\right)}$ 

si ha:

${\displaystyle x_{l}(t)=\left({\begin{array}{cc}v_{11}&v_{21}\\v_{12}&v_{22}\\\end{array}}\right)e^{\alpha t}\left({\begin{array}{cc}\cos \omega t&\sin \omega t\\-\sin \omega t&\cos \omega t\\\end{array}}\right)T^{-1}T\left({\begin{array}{c}M\sin \beta \\M\cos \beta \\\end{array}}\right)}$ 

${\displaystyle x_{l}(t)=e^{\alpha t}\left({\begin{array}{cc}v_{1}\cos \omega t-v_{2}\sin \omega t&v_{1}\sin \omega t+v_{2}\cos \omega t\\\end{array}}\right)\left({\begin{array}{c}M\sin \beta \\M\cos \beta \\\end{array}}\right)}$ 

Errore del parser (Errore di conversione. Server ("https://wikimedia.org/api/rest_") riporta: "Cannot get mml. TeX parse error: Undefined control sequence \emph"): {\displaystyle {\emph {x}}_{l}(t)=Me^{\alpha t}\sin(\omega t+\beta )v_{1}+Me^{\alpha t}\cos(\omega t+\beta )v_{2}}

Tale termine viene detto modo pseudoperiodico di ampiezza ${\displaystyle Me^{\alpha t}}$  e fase ${\displaystyle \beta }$ . In tal caso quindi la traiettoria ha la forma di una spirale esponenziale sul piano individuato dagli autovettori ${\displaystyle v_{1},v_{2}}$ . Questa traiettoria partendo da ${\displaystyle x(0)}$  converge verso l'origine per ${\displaystyle \alpha <0}$ , diverge per ${\displaystyle \alpha >0}$  o degenera in curva chiusa per ${\displaystyle \alpha =0}$ 

Voci correlate

• Analisi dei sistemi dinamici
• Diagonalizzabilità
• Funzione di trasferimento
• Principio di sovrapposizione
• Risposta impulsiva
• Risposta in frequenza
• Sistema dinamico lineare
• Sistema dinamico lineare stazionario
• Spazio di stato

Collegamenti esterni

• Michele Basso, Luigi Chisci e Paola Falugi - Fondamenti di Automatica

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