Lezione 2 · Canale 1 · venerdì 25 settembre 2026

Sistemi dinamici: stato e modelli lineari

Sistemi Dinamici

Dall'ingresso all'uscita, con lo stato

Un sistema è definito dalle relazioni fra i suoi oggetti: persone, denaro, un circuito. Per descriverlo dall'esterno si sceglie un orientamento: le grandezze che lo influenzano sono gli ingressi uu, quelle che interessano sono le uscite yy.

In generale l'uscita dipende da tutto ciò che l'ingresso ha fatto fino a quel momento:

y(t)=F(t, u∣(−∞,t))y(t)=F\bigl(t,\,u|_{(-\infty,t)}\bigr)

Conservare tutta la storia è scomodo. Si fissa un istante iniziale t0t_0 e si riassume ciò che è successo prima in una sola grandezza, lo stato x(t0)x(t_0). Da lì in poi bastano lo stato e gli ingressi successivi:

{x(t)=φ(t,t0,x(t0),u∣[t0,t))y(t)=η(t,x(t),u(t))\begin{cases} x(t)=\varphi\bigl(t,t_0,x(t_0),u|_{[t_0,t)}\bigr)\\ y(t)=\eta\bigl(t,x(t),u(t)\bigr) \end{cases}

L'ingresso in tt non entra nella dinamica dello stato in tt, ma può influenzare subito l'uscita.

Lo stato contiene ciò che serve per il futuro, non ogni dettaglio del passato. Nei serbatoi, l'acqua in uscita dipende dalla pioggia di ora e da quella accumulata prima: lo stato riassume l'accumulato.

Proprietà di separazione

La rappresentazione con lo stato è valida solo se i due modi di calcolare l'evoluzione coincidono: andare da t0t_0 a tt in un passo, oppure fermarsi in un istante intermedio t1t_1 e ripartire dallo stato raggiunto lì con gli ingressi che restano.

x(t)=φ(t,t1,φ(t1,t0,x(t0),u∣[t0,t1))⏟x(t1),u∣[t1,t))x(t)=\varphi\bigl(t,t_1,\underbrace{\varphi(t_1,t_0,x(t_0),u|_{[t_0,t_1)})}_{x(t_1)},u|_{[t_1,t)}\bigr)

Stazionarietà

Un sistema è stazionario se lo stesso esperimento, fatto in momenti diversi, dà lo stesso risultato. Conta quanto dura l'esperimento, non quando comincia:

x(t)=φ(t−t0,0,x(t0),u∣[t0,t))x(t)=\varphi\bigl(t-t_0,0,x(t_0),u|_{[t_0,t)}\bigr)

Il primo argomento di η\eta perde ugualmente il tempo assoluto. È una proprietà del sistema fisico: va verificata, e se non vale la semplificazione non si può usare.

Linearità

La linearità vale per tutte le cause insieme: stato iniziale e ingresso. Non basta sovrapporre gli ingressi, perché a parità di ingresso stati iniziali diversi danno effetti diversi. Quindi stato, uscita, ingresso e segmento di ingresso devono stare in spazi lineari, chiusi per somma e prodotto per uno scalare:

x(t)∈X⊆Rn,y(t)∈Y⊆Rqx(t)\in X\subseteq\mathbb R^n,\quad y(t)\in Y\subseteq\mathbb R^q u(t)∈U⊆Rp,u∣[t0,t)∈Uu(t)\in U\subseteq\mathbb R^p,\quad u|_{[t_0,t)}\in\mathcal U

Allora l'effetto si scompone:

x(t)=φ(t,t0,x(t0),0)+φ(t,t0,0,u∣[t0,t))y(t)=η(t,x(t),0)+η(t,0,u(t))\begin{aligned} x(t)&=\varphi(t,t_0,x(t_0),0)\\&\quad+\varphi(t,t_0,0,u|_{[t_0,t)})\\ y(t)&=\eta(t,x(t),0)+\eta(t,0,u(t)) \end{aligned}

Con la stazionarietà il tempo assoluto sparisce e le due parti si chiamano libera e forzata:

x(t)=φL(t−t0,x(t0))+φF(t−t0,u∣[t0,t))y(t)=ηL(x(t))+ηF(u(t))\begin{aligned} x(t)&=\varphi_L(t-t_0,x(t_0))\\&\quad+\varphi_F(t-t_0,u|_{[t_0,t)})\\ y(t)&=\eta_L(x(t))+\eta_F(u(t)) \end{aligned}

La parte libera dipende dallo stato iniziale: un condensatore carico che si scarica da solo. Se lo si carica dall'esterno si aggiunge la parte forzata, e con carica iniziale nulla resta solo quella.

Una funzione lineare da scalare a scalare è una moltiplicazione per una costante; da vettore a vettore è una matrice. Quindi ηL(x)=Cx\eta_L(x)=Cx e ηF(u)=Du\eta_F(u)=Du:

y(t)=Cx(t)+Du(t)y(t)=Cx(t)+Du(t)

vale sia a tempo continuo sia a tempo discreto. Se il sistema è lineare ma non stazionario, CC e DD dipendono dal tempo: C(t)C(t), D(t)D(t).

Tempo continuo, discreto, campionato

Con t∈Rt\in\mathbb R il tempo è continuo. Con t∈Zt\in\mathbb Z è discreto: il sistema cambia solo in certi istanti e fra uno e l'altro non c'è evoluzione. La media dei voti ne è un esempio: gli ingressi sono i voti, l'uscita è la media, che si aggiorna a ogni esame in t1,t2,…t_1,t_2,\dots e resta ferma nel frattempo. Gli istanti possono essere irregolari.

Un sistema campionato è un'altra cosa: il sistema è continuo e lo si osserva solo in certi istanti; fra due osservazioni continua a evolvere.

Il segmento di ingresso cambia con il tempo. A tempo continuo è un segnale sull'intervallo da t0t_0 a tt; a tempo discreto è l'elenco u(t0),u(t0+1),…,u(t−1)u(t_0),u(t_0+1),\dots,u(t-1).

Risposta forzata a tempo discreto

Il segmento si ferma a t−1t-1: u(t)u(t) non entra ancora nello stato in tt. Per causalità, l'effetto di un ingresso non dipende da quelli che devono ancora arrivare.

Si scrive la sequenza come somma di sequenze con un solo valore non nullo:

u∣[t0,t)=(u(t0),0,…,0)+(0,u(t0+1),0,…,0)+⋯+(0,…,0,u(t−1))\begin{aligned} u|_{[t_0,t)}&=(u(t_0),0,\dots,0)\\ &+(0,u(t_0+1),0,\dots,0)\\ &+\dots+(0,\dots,0,u(t-1)) \end{aligned}

Una sequenza come somma di valori singoli

Mostra
012300,511,522,53
Con . Scegliendo un valore alla volta si vedono le sequenze elementari; sommate valore per valore danno la sequenza intera.

Per linearità, la risposta alla sequenza intera è la somma delle risposte ai singoli valori. L'effetto sullo stato in tt di un valore applicato in τ\tau dipende solo dal tempo trascorso, t−τt-\tau: si scrive H(t−τ)u(τ)H(t-\tau)u(\tau), con HH una matrice. La parte libera è Φ(t−t0)x(t0)\Phi(t-t_0)x(t_0), quindi:

x(t)=Φ(t−t0)x(t0)+∑τ=t0t−1H(t−τ)u(τ)x(t)=\Phi(t-t_0)x(t_0)+\sum_{\tau=t_0}^{t-1}H(t-\tau)u(\tau)

Risposta forzata a tempo continuo

A tempo continuo i contributi elementari riempiono tutti gli istanti fra t0t_0 e tt: la somma diventa un integrale, con la stessa matrice HH che dipende dal tempo trascorso.

x(t)=Φ(t−t0)x(t0)+∫t0tH(t−τ)u(τ) dτx(t)=\Phi(t-t_0)x(t_0)+\int_{t_0}^{t}H(t-\tau)u(\tau)\,d\tau

La forma esplicita risponde a domande concrete. Un secchio senza perdite ha Φ=1\Phi=1 e H=1H=1. Con 3 litri iniziali e un litro al minuto aggiunto per 5 minuti:

x(5)=3+∫051⋅1 dτ=8 litrix(5)=3+\int_0^5 1\cdot 1\,d\tau=8\ \text{litri}

Il secchio: parte libera più parte forzata

0123456789100246810minutilitri
  • parte libera
  • parte forzata
  • stato
Senza apporto l'acqua resta quella iniziale; l'apporto aggiunge la parte forzata, che smette di crescere quando l'apporto finisce.

Uscita in forma esplicita e nucleo WW

Si sostituisce lo stato in y(t)=Cx(t)+Du(t)y(t)=Cx(t)+Du(t). A tempo discreto:

y(t)=CΦ(t−t0)x(t0)+∑τ=t0t−1CH(t−τ)u(τ)+Du(t)y(t)=C\Phi(t-t_0)x(t_0)+\sum_{\tau=t_0}^{t-1}CH(t-\tau)u(\tau)+Du(t)

Si pone Ψ(t−t0)=CΦ(t−t0)\Psi(t-t_0)=C\Phi(t-t_0). L'ultimo termine, Du(t)Du(t), è l'ingresso dello stesso istante e non passa dallo stato. Si include nella somma con un nucleo WW definito per ogni ritardo:

W(k)={CH(k)k=1,2,…,t−t0Dk=0W(k)=\begin{cases}CH(k)&k=1,2,\dots,t-t_0\\ D&k=0\end{cases} y(t)=Ψ(t−t0)x(t0)+∑τ=t0tW(t−τ)u(τ)y(t)=\Psi(t-t_0)x(t_0)+\sum_{\tau=t_0}^{t}W(t-\tau)u(\tau)

Impulso di Dirac e uscita a tempo continuo

A tempo continuo Du(t)Du(t) non sta nell'integrale. Per scriverlo come integrale serve l'impulso δ(t−τ)\delta(t-\tau): vale zero per τ≠t\tau\neq t, in τ=t\tau=t vale infinito, e il suo integrale vale 1 se tt cade nell'intervallo, 0 altrimenti. Non è una funzione ordinaria. Ne segue

f(τ) δ(t−τ)=f(t) δ(t−τ)f(\tau)\,\delta(t-\tau)=f(t)\,\delta(t-\tau) ∫abf(τ) δ(t−τ) dτ=f(t),a<t<b\int_a^b f(\tau)\,\delta(t-\tau)\,d\tau=f(t),\quad a<t<b

Applicato a Du(τ)Du(\tau), con l'impulso che cade sull'estremo tt e conta per intero:

∫t0tDu(τ) δ(t−τ) dτ=Du(t)\int_{t_0}^{t}Du(\tau)\,\delta(t-\tau)\,d\tau=Du(t)

Il termine diretto entra così nello stesso integrale della parte dinamica, e si raccoglie u(τ)u(\tau):

W(t−τ)=CH(t−τ)+D δ(t−τ)W(t-\tau)=CH(t-\tau)+D\,\delta(t-\tau) y(t)=Ψ(t−t0)x(t0)+∫t0tW(t−τ)u(τ) dτy(t)=\Psi(t-t_0)x(t_0)+\int_{t_0}^{t}W(t-\tau)u(\tau)\,d\tau

In entrambi i tempi WW raccoglie tutti i contributi dell'ingresso all'uscita: una somma nel discreto, un integrale con impulso nel continuo.

Formulario

Uscita

y(t)=Cx(t)+Du(t)y(t)=Cx(t)+Du(t)

Separazione

x(t)=φ(t,t1,x(t1),u∣[t1,t))\begin{aligned} x(t)&=\varphi\bigl(t,t_1,\\ &\quad x(t_1),u|_{[t_1,t)}\bigr) \end{aligned}

Stato, tempo discreto

x(t)=Φ(t−t0)x(t0)+∑τ=t0t−1H(t−τ)u(τ)\begin{aligned} x(t)&=\Phi(t-t_0)x(t_0)\\ &+\sum_{\tau=t_0}^{t-1}H(t-\tau)u(\tau) \end{aligned}

Stato, tempo continuo

x(t)=Φ(t−t0)x(t0)+∫t0tH(t−τ)u(τ)dτ\begin{aligned} x(t)&=\Phi(t-t_0)x(t_0)\\ &+\int_{t_0}^{t}H(t-\tau)u(\tau)d\tau \end{aligned}

Nucleo, tempo discreto

W(k)={CH(k)k≥1Dk=0W(k)=\begin{cases}CH(k)&k\ge1\\D&k=0\end{cases}

Nucleo, tempo continuo

W(t−τ)=CH(t−τ)+D δ(t−τ)W(t-\tau)=CH(t-\tau)+D\,\delta(t-\tau)

Uscita con il nucleo

y(t)=Ψ(t−t0)x(t0)+∑τ=t0tW(t−τ)u(τ)\begin{aligned} y(t)&=\Psi(t-t_0)x(t_0)\\ &+\sum_{\tau=t_0}^{t}W(t-\tau)u(\tau) \end{aligned} y(t)=Ψ(t−t0)x(t0)+∫t0tW(t−τ)u(τ)dτ\begin{aligned} y(t)&=\Psi(t-t_0)x(t_0)\\ &+\int_{t_0}^{t}W(t-\tau)u(\tau)d\tau \end{aligned}

con Ψ(t−t0)=CΦ(t−t0)\Psi(t-t_0)=C\Phi(t-t_0)

Impulso di Dirac

∫abf(τ) δ(t−τ) dτ=f(t),a<t<b\begin{aligned} &\int_a^b f(\tau)\,\delta(t-\tau)\,d\tau\\ &=f(t),\quad a<t<b \end{aligned}