Giáo trình Tín hiệu và Hệ thống - Chương 6: Phân tích hệ thống liên tục dùng biến đổi Laplace - Trần Quang Việt

hành tổng của các thành phần tần số  phân tích hệ thống đơn giản & trực quan hơn trong miền tần số. | f(t)|dt & |h(t)|dt  Biến đổi Fourier là công cụ chủ yếu để phân tích TH & HT trong nhiều lĩnh vực (viễn thông, xử lý ảnh, )  Muốn áp dụng biến đổi Fourier thì tín hiệu phải suy giảm & HT với đáp ứng xung h(t) phải ổn định.  Để phân tích tín hiệu tăng theo thời gian (dân số, GDP,) và hệ thống không ổn định  dùng biến đổi Laplace (là dạng tổng quát của biến đổi Fourier) Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.1. Biến đổi Laplace thuận  Xét tín hiệu f(t) là hàm tăng theo thời gian  tạo hàm mới (t) từ f(t) sao cho tồn tại biến đổi Fourier: (t)=f(t).e- t; R  Biến đổi Fourier của (t) như sau: t jωtω [ (t)] f(t)e e dt (σ+jω)tf(t)e dt Đặt s= +j : st( ) f(t)e dt F(s)=Φ(ω) Hay: stF(s)= f(t)e dt (Biến đổi Laplace thuận) σt(t)=f(t)e t f(t) t F(s) f(t)]L[Ký hiệu: Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.1. Biến đổi Laplace thuận  Miền hội tụ (ROC) của biến đổi Laplace: tập hợp các biến s trong mặt phẳng phức có =Re{s} làm cho (t) tồn tại biến đổi Fourier Ví dụ: tìm ROC để tồn tại F(s) của các tín hiệu f(t) sau: at(a) f(t)=e u(t); a>0 at(b) f(t)=e u( t); a>0 (c) f(t)=u(t) Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.2. Biến đổi Laplace của một số tín hiệu thông dụng (a) f(t)=δ(t) -at(b) f(t)=e u(t); a>0 -at(c) f(t)=-e u(-t); a>0 ( ) 1; ROC: s-planeF s 1 ( ) ; : Re{ }F s ROC s a s a 1 ( ) ; : Re{ }F s ROC s a s a (d) f(t)=u(t) 1 ( ) ; : Re{ } 0F s ROC s s Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.3. Biến đổi Laplace một bên  Kết quả phần trước cho ta các tín hiệu khác nhau có thể có biến đổi Laplace giống nhau, nhưng khác ROC. Do vậy ROC phải được chỉ rỏ khi cần xác định f(t) từ F(s). Ví dụ: 1 ( ) ; : Re{ }F s ROC s a s a ( ) ( ); 0atf t e u t a 1 ( ) ; : Re{ }F s ROC s a s a ( ) ( ); 0atf t e u t a  Để giảm sự phức tạp trên, ta định nghĩa biến đổi Laplace 1 bên: st 0 F(s)= f(t)e dt 0 - để có thể dùng khi f(t) là xung đơn vị 0- để có thể khảo sát hệ thống có ĐKĐ ở 0-  Biến đổi Laplace 1 bên, chỉ có thể dùng để khảo sát tín hiệu & hệ thống nhân quả. Tuy nhiên hạn chế này không ảnh hưởng nhiều đến tín hiệu và hệ thống thực. Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.3. Biến đổi Laplace một bên  Vậy với định nghĩa biến đổi Laplace 1 bên, ta có thể xác định duy nhất f(t) từ F(s) mà không quan tâm tới ROC. Ví dụ:  Trong chương này ta chỉ tập trung vào dùng biến đổi Laplace 1 bên để phân tích hệ thống LTI. Do vậy khi nói tới biến đổi Laplace, ta ngầm định rằng đó là biến đổi Laplace một bên. 1 ( )F s s a ( ) ( )atf t e u t Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.3. Các tính chất của biến đổi Laplace  Tính chất tuyến tính: 1 1( ) ( )f t F s 1 1 2 2 1 1 2 2( ) ( ) ( ) ( )a f t a f t a F s a F s 2 2( ) ( )f t F s  Dịch chuyển trong miền thời gian: ( ) ( )f t F s 0 0( ) ( ) st f t t F s e 2 2 1: 2 ( ) ( ) ; : Re{ } 1 1 2 t tEx e u t e u t ROC s s s 3 54 1: ( 3) ( 5) 2 s stVD rect u t u t e e s Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.3. Các tính chất của biến đổi Laplace  Dịch chuyển trong miền tần số: ( ) ( )f t F s 0 0( ) ( ) s t f t e F s s 2 2 : cos ( ) s VD bt u t s b 2 2 cos ( ) ( ) at s ae bt u t s a b  Đạo hàm trong miền thời gian: ( ) ( )f t F s 1 2 (1) ( 1)( ) ( ) (0 ) (0 ) ... (0 ) n n n n n n d f t s F s s f s f f dt (1) ( )t s( ) 1t ( ) ( )n nt s 4 ( ) 2 t f t rect 2 2 ( ) ? d f t dt Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.3. Các tính chất của biến đổi Laplace  Tích phân miền thời gian: ( ) ( )f t F s 0 ( ) ( ) t F s f d s 0 ( ) ( ) ( ) t f d F s f d s s  Tỷ lệ thời gian: ( ) ( )f t F s 1 ( ) ; 0 s f at F a a a Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.3. Các tính chất của biến đổi Laplace  Tích chập miền thời gian: 1 1 2 2( ) ( ); ( ) ( )f t F s f t F s 1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )f t f t F s F s  Tích chập miền tần số: 1 1 2 2( ) ( ); ( ) ( )f t F s f t F s 1 21 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )jf t f t F s F s  Đạo hàm trong miền tần số: ( ) ( )f t F s ( ) ( ) dF s tf t ds 1 ( ) 1 te u t s 2 1 ( ) 1 tte u t s 2 ( ) ?t u t Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược  Tín hiệu f(t) được tổng hợp như sau: ( ) ( ). tf t t e 1 1 2( ) [ ( )]. ( ) . t j t tf t e F s e d e 1 2( ) ( ) j st j j f t F s e ds (Biến đổi Laplace ngược)  Chúng ta không tập trung vào việc tính trực tiếp tích phân trên!!!  Mô tả F(s) về các hàm đơn giản mà đã có kết quả trong bảng các cặp biến đổi Laplace. Thực tế ta quan tâm tới các hàm hữu tỷ!!!  Zero của F(s): các giá trị của s để F(s)=0  Pole của F(s): các giá trị của s để F(s)  Nếu F(s)=P(s)/Q(s)  Nghiệm của P(s)=0 là các zero & nghiệm của Q(s)=0 là các pole Ký hiệu: -1f(t) ( )F sL Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược Dùng bảng Dùng ?  Ví dụ: 2 3 2 2 1 1 1 3 2 1 2 s s s s s s s 2 -1 -1 2 3 2 2 1 1 1 1 ( ) 3 2 1 2 t ts e e u t s s s s s s L L Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược start m<n m n Polynomical dividing; in case m=n F(s)/s Expend the proper. The result depends on n unknown coefficients (k1, k2,) Find unknown coefficients by using: [1] Clearing func [2] Heaviside [3] Mixing boths  Xét hàm hữu tỷ sau: 1 1 1 0 1 1 1 0 ... ( ) ( ) ... ( ) m m m m n n n b s b s b s b P s F s s a s a s a Q s m n: improper; m<n: proper, chúng ta chỉ tập trung vào proper!!! Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược ( ) ( ) / ( )F s P s Q s  Xác định zero & pole của F(s); zero & pole phải khác nhau  Khai triển các hàm proper:  Giả sử các pole là: s= 1, 2, 3,  Khai triển F(s) dùng quy luật sau: • Các pole không lặp lại: 31 2 1 2 3 ( ) ... ( ) ( ) ( ) kk k F s s s s • Các pole lặp lại, giả sử 2 lặp lại r lần 1 2 31 01 2 3 ( ) ... ( ) ( ) ( ) r j r j j k kk F s s s s Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược  Phương pháp hàm tường minh xác định các hệ số: • Nhân 2 vế với Q(s); sau đó cân bằng thu được hệ phương trình theo các hệ số cần tìm It’s easy to understand and perform, but it needs so much work and time!!! • Giải hệ phương trình tìm các hệ số 2 31 2 3 2 2 3 2 1 2 kk ks s s s s s s 2 1 2 32 ( 1)( 2) ( 2) ( 1)s k s s k s s k s s • ví dụ: 1 2 3 1 2 3 1 1 3 2 0 2 2 k k k k k k k 1 2 3 1 1 1 k k k Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược  Phương Heaviside xác định các hệ số: • Các pole không lặp lại: ( ) ( ) i i i s k s F s • Các pole lặp lại: 0 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ; 0 ! i i r i i s j r ij ij s k s F s d k s F s j j ds 3 8 10 ( ) ( 1)( 2) s F s s s • Ví dụ: 201 21 22 3 2( 1) ( 2) ( 2) ( 2) kk k k s s s s Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược  Phương hổn hợp: phương pháp thường dùng 3 8 10 ( ) ( 1)( 2) s F s s s • Ví dụ: 201 21 22 3 2( 1) ( 2) ( 2) ( 2) kk k k s s s s 1 22 220 2k k k( ); :sF s s 0:s 20 21 22 1 5 8 4 2 4 k k k k 1 3 1 8 10 2 2 s s k s 20 2 8 10 6 1 s s k s 1 20 22 21 10 8 4 2 k k k k 21 10 16 6 8 2 2 k Signals & Systems – FEEE, HCMUT 6.1.4. Biến đổi Laplace ngược  Ví dụ: tìm biến đổi Laplace ngược của các hàm sau: 2 7 - 6 ( ) F(s)= 6 s a s s 2 2 2 5 ( ) F(s)= 3 2 s b s s 2 6( 34) ( ) F(s)= ( 10 34) s c s s s