Lezione 3 · Canale 1 · martedì 29 settembre 2026

Sistemi lineari stazionari a tempo continuo

Sistemi Dinamici

La forma esplicita

Un sistema lineare stazionario a tempo continuo ha ingresso u∈Rpu\in\mathbb R^p, stato x∈Rnx\in\mathbb R^n e uscita y∈Rqy\in\mathbb R^q. La forma esplicita (FE) dà stato e uscita al tempo tt in funzione dello stato iniziale e dell'ingresso applicato fra t0t_0 e tt:

x(t)=Φ(t−t0) x(t0)+∫t0tH(t−τ) u(τ) dτy(t)=Ψ(t−t0) x(t0)+∫t0tW(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\\ y(t)&=\Psi(t-t_0)\,x(t_0)+\int_{t_0}^{t}W(t-\tau)\,u(\tau)\,d\tau \end{aligned}

Φ\Phi e Ψ\Psi sono le matrici di transizione dello stato e dell'uscita; HH e WW le risposte impulsive dello stato e dell'uscita. Le dimensioni sono Φ∈Rn×n\Phi\in\mathbb R^{n\times n}, H∈Rn×pH\in\mathbb R^{n\times p}, Ψ∈Rq×n\Psi\in\mathbb R^{q\times n}, W∈Rq×pW\in\mathbb R^{q\times p}.

Le funzioni compaiono solo come differenze, t−t0t-t_0 e t−τt-\tau: è la stazionarietà. Conta il tempo trascorso, non l'istante assoluto, quindi si può fissare t0=0t_0=0 e abbreviare x0=x(t0)x_0=x(t_0).

La risposta impulsiva

Con un ingresso e un'uscita si applica u(τ)=δ(τ)u(\tau)=\delta(\tau). L'integrale pesca il valore del nucleo nel punto dell'impulso:

∫t0tW(t−τ) δ(τ) dτ=W(t)\int_{t_0}^{t}W(t-\tau)\,\delta(\tau)\,d\tau=W(t)

L'uscita all'impulso è WW: la risposta impulsiva. Con qq uscite è un vettore di qq componenti, e il significato non cambia.

Con pp ingressi un vettore di impulsi (δ,…,δ)⊤(\delta,\dots,\delta)^\top restituisce la somma delle colonne di WW, senza distinguerle. Si dà quindi l'impulso a un ingresso per volta e si lasciano nulli gli altri: la prova jj restituisce la colonna Wj(t)W_j(t). Dopo pp prove si ha l'intera W∈Rq×pW\in\mathbb R^{q\times p}. Lo stesso vale per HH.

Due condizioni di coerenza

Stato iniziale. In t=t0t=t_0 la formula deve restituire x(t0)x(t_0), cioè x(t0)=Φ(0) x(t0)x(t_0)=\Phi(0)\,x(t_0). Quindi Φ(0)=I\Phi(0)=I.

Separazione. Lo stato in tt si può ottenere in due modi: direttamente da t0t_0, oppure arrivando a t1t_1 e ripartendo da x(t1)x(t_1) come stato iniziale. I due risultati devono coincidere per ogni x(t0)x(t_0) e ogni ingresso. Sostituendo x(t1)x(t_1) nel secondo modo:

x(t)=Φ(t−t1)Φ(t1−t0) x(t0)+∫t0t1Φ(t−t1)H(t1−τ) u(τ) dτ+∫t1tH(t−τ) u(τ) dτ\begin{aligned} x(t)&=\Phi(t-t_1)\Phi(t_1-t_0)\,x(t_0)\\ &\quad+\int_{t_0}^{t_1}\Phi(t-t_1)H(t_1-\tau)\,u(\tau)\,d\tau\\ &\quad+\int_{t_1}^{t}H(t-\tau)\,u(\tau)\,d\tau \end{aligned}

Il confronto con la forma diretta, a parità di integrando e di estremi, dà

Φ(t−t0)=Φ(t−t1) Φ(t1−t0)H(t−τ)=Φ(t−t1) H(t1−τ)\begin{gathered} \Phi(t-t_0)=\Phi(t-t_1)\,\Phi(t_1-t_0)\\ H(t-\tau)=\Phi(t-t_1)\,H(t_1-\tau) \end{gathered}

per t0≤τ≤t1≤tt_0\le\tau\le t_1\le t. La prima è la proprietà di semigruppo: la transizione complessiva è il prodotto delle transizioni dei due tratti, in ordine temporale. Non è una somma: con t=t1=t0t=t_1=t_0 una somma darebbe I=2II=2I.

Causalità e memoria

Il risultato non può dipendere dal futuro. Se si porta l'estremo superiore dell'integrale a t+Tt+T, il risultato non deve cambiare. Succede solo se W(t−τ)=0W(t-\tau)=0 per τ>t\tau>t, cioè

H(s)=0,W(s)=0per s<0H(s)=0,\quad W(s)=0\qquad\text{per }s<0

Il nucleo W(t−τ)W(t-\tau) è WW riflessa rispetto a τ\tau e traslata in tt: a destra di tt vale zero, quindi l'ingresso futuro viene moltiplicato per zero.

Il nucleo pesa anche il passato. Dove W(t−τ)W(t-\tau) è piccolo, l'ingresso di quegli istanti conta poco nell'uscita. Più lunga è la coda di WW, più a lungo il sistema ricorda gli ingressi passati: WW misura la memoria del sistema.

Il nucleo pesa l'ingresso

012345678−3−2−10123
  • ingresso
  • nucleo
  • prodotto
L'uscita in è l'area sotto il prodotto , e il futuro non conta. Con il nucleo del circuito RC, più è piccolo, meno pesano gli ingressi lontani.

Dalla forma esplicita alla forma implicita

I modelli fisici contengono derivate. Nel circuito RC un generatore uu è in serie con un resistore RR e un condensatore CC, con uscita la tensione vCv_C. La maglia dà u−Ri−vC=0u-Ri-v_C=0 e il condensatore i=Cv˙Ci=C\dot v_C, quindi

RC v˙C=u−vCRC\,\dot v_C=u-v_C

Anche vC(t)v_C(t) dipende dal valore iniziale e dall'ingresso fra t0t_0 e tt, come nella forma esplicita. Si cerca allora come riscrivere la forma esplicita con le derivate: si deriva x(t)x(t).

L'estremo superiore dipende da tt e l'integrando anche, quindi serve la regola di Leibniz. L'estremo inferiore è costante e non contribuisce:

ddt∫t0tH(t−τ)u(τ) dτ=H(0) u(t)+∫t0t∂H(t−τ)∂t u(τ) dτ\begin{aligned} &\frac{d}{dt}\int_{t_0}^{t}H(t-\tau)u(\tau)\,d\tau\\ &\quad=H(0)\,u(t)+\int_{t_0}^{t}\frac{\partial H(t-\tau)}{\partial t}\,u(\tau)\,d\tau \end{aligned}

Quindi

x˙(t)=ddtΦ(t−t0) x(t0)+H(0) u(t)+∫t0t∂H(t−τ)∂t u(τ) dτ\begin{aligned} \dot x(t)={}&\frac{d}{dt}\Phi(t-t_0)\,x(t_0)+H(0)\,u(t)\\ &+\int_{t_0}^{t}\frac{\partial H(t-\tau)}{\partial t}\,u(\tau)\,d\tau \end{aligned}

Si usa la separazione, Φ(t−t0)=Φ(t−t1)Φ(t1−t0)\Phi(t-t_0)=\Phi(t-t_1)\Phi(t_1-t_0) e H(t−τ)=Φ(t−t1)H(t1−τ)H(t-\tau)=\Phi(t-t_1)H(t_1-\tau). Di tt resta funzione solo il fattore Φ(t−t1)\Phi(t-t_1), che esce dalle parentesi:

x˙(t)=ddtΦ(t−t1)[Φ(t1−t0)x(t0)+∫t0tH(t1−τ)u(τ) dτ]+H(0) u(t)\begin{aligned} \dot x(t)={}&\frac{d}{dt}\Phi(t-t_1)\Bigl[\Phi(t_1-t_0)x(t_0)\\ &\quad+\int_{t_0}^{t}H(t_1-\tau)u(\tau)\,d\tau\Bigr]+H(0)\,u(t) \end{aligned}

Per t1→tt_1\to t la parentesi tende a x(t)x(t):

x˙(t)=lim⁡t1→tddtΦ(t−t1)  x(t)+H(0) u(t)\dot x(t)=\lim_{t_1\to t}\frac{d}{dt}\Phi(t-t_1)\;x(t)+H(0)\,u(t)

Il limite è una matrice n×nn\times n che non dipende da tt: lim⁡s→0Φ˙(s)=Φ˙(0)\lim_{s\to0}\dot\Phi(s)=\dot\Phi(0), se Φ˙\dot\Phi è continua in 00. Si pongono A=Φ˙(0)A=\dot\Phi(0) e B=H(0)∈Rn×pB=H(0)\in\mathbb R^{n\times p}, e resta

x˙(t)=A x(t)+B u(t)\dot x(t)=A\,x(t)+B\,u(t)

L'uscita non contiene derivate: y(t)=Cx(t)+Du(t)y(t)=Cx(t)+Du(t), con Ψ(t)=C Φ(t)\Psi(t)=C\,\Phi(t) e W(t)=C H(t)+D δ(t)W(t)=C\,H(t)+D\,\delta(t). Si ottiene la forma implicita (FI):

{x˙(t)=A x(t)+B u(t)y(t)=C x(t)+D u(t)(t0, x(t0))\begin{cases}\dot x(t)=A\,x(t)+B\,u(t)\\ y(t)=C\,x(t)+D\,u(t)\end{cases} \qquad (t_0,\,x(t_0))

con A∈Rn×nA\in\mathbb R^{n\times n}, B∈Rn×pB\in\mathbb R^{n\times p}, C∈Rq×nC\in\mathbb R^{q\times n}, D∈Rq×pD\in\mathbb R^{q\times p}. Le equazioni da sole non scelgono una traiettoria: serve la condizione iniziale (t0,x(t0))(t_0,x(t_0)). Un modello con derivata seconda, come Mp¨=F−kp˙M\ddot p=F-k\dot p, non è ancora in questa forma e va riscritto come sistema del primo ordine.

Risolvere la forma implicita

Nel caso scalare, x˙=ax+bu\dot x=ax+bu con a,b∈Ra,b\in\mathbb R. L'equazione omogenea x˙=ax\dot x=ax ha soluzione x(t)=eatKx(t)=e^{at}K, e da x(t0)x(t_0) segue K=e−at0x(t0)K=e^{-at_0}x(t_0). Il contributo dell'ingresso si trova con la variazione dei parametri:

x(t)=ea(t−t0)x(t0)+∫t0tea(t−τ) b u(τ) dτx(t)=e^{a(t-t_0)}x(t_0)+\int_{t_0}^{t}e^{a(t-\tau)}\,b\,u(\tau)\,d\tau

Nel circuito RC, con a=−1/RCa=-1/RC e b=1/RCb=1/RC, un ingresso costante uu da t0=0t_0=0 dà vC(t)=vC(0) e−t/RC+u (1−e−t/RC)v_C(t)=v_C(0)\,e^{-t/RC}+u\,(1-e^{-t/RC}).

Circuito RC: evoluzione libera e forzata

012345678−2−1012
  • evoluzione libera
  • risposta forzata
Il primo termine parte da e decade con costante di tempo . Il secondo parte da zero e tende a . La loro somma è la tensione del condensatore.

Nel caso matriciale la soluzione ha la stessa forma, con eAte^{At} al posto di eate^{at}. L'esponenziale di matrice si definisce con la serie

eAt=∑k=0∞Aktkk!e^{At}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^k t^k}{k!}

Le potenze sono potenze di matrice: eAte^{At} non è la matrice degli eaijte^{a_{ij}t}. Solo se AA è diagonale la serie agisce sulla diagonale, e eAt=diag(ea11t,…,eannt)e^{At}=\mathrm{diag}\bigl(e^{a_{11}t},\dots,e^{a_{nn}t}\bigr).

Derivando la serie termine a termine e raccogliendo AA, a sinistra o a destra:

ddteAt=A eAt=eAtA\frac{d}{dt}e^{At}=A\,e^{At}=e^{At}A

Quindi eA(t−t0)x(t0)+∫t0teA(t−τ)B u(τ) dτe^{A(t-t_0)}x(t_0)+\int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}B\,u(\tau)\,d\tau risolve la FI. Confrontata con la forma esplicita, dà Φ(t)=eAt\Phi(t)=e^{At} e H(t)=eAtBH(t)=e^{At}B. FE e FI sono equivalenti.

Autovalori e modi

Per calcolare eAte^{At} si diagonalizza AA. Un autovalore λ\lambda e un suo autovettore u≠0u\neq0 soddisfano Au=λuAu=\lambda u, cioè (A−λI)u=0(A-\lambda I)u=0. Una soluzione non nulla esiste solo se A−λIA-\lambda I è singolare:

det⁡(A−λI)=0\det(A-\lambda I)=0

È un'equazione di grado nn. Nel caso più semplice ha nn radici reali distinte λ1,…,λn\lambda_1,\dots,\lambda_n, con autovettori uiu_i indipendenti, che non vanno confusi con l'ingresso u(t)u(t). Con autovalori ripetuti non è garantito trovare nn autovettori indipendenti, e senza di essi non si diagonalizza.

Si mettono gli autovettori nelle colonne di UU e gli autovalori sulla diagonale di Λ\Lambda. Le righe di U−1U^{-1} sono v1,…,vnv_1,\dots,v_n:

A=UΛU−1=∑i=1nλi uiviviuj={1i=j0i≠jA=U\Lambda U^{-1}=\sum_{i=1}^{n}\lambda_i\,u_i v_i \qquad v_i u_j=\begin{cases}1&i=j\\0&i\ne j\end{cases}

Le potenze si semplificano perché U−1U=IU^{-1}U=I fra i fattori: Ak=UΛkU−1A^k=U\Lambda^kU^{-1}. Sostituendo nella serie:

eAt=U eΛt U−1=∑i=1neλit uivie^{At}=U\,e^{\Lambda t}\,U^{-1}=\sum_{i=1}^{n}e^{\lambda_i t}\,u_i v_i

Con ingresso nullo e ci=vix0c_i=v_i x_0, l'evoluzione libera è una somma di esponenziali:

x(t)=eAtx0=∑i=1nci eλit uix(t)=e^{At}x_0=\sum_{i=1}^{n}c_i\,e^{\lambda_i t}\,u_i

Ogni eλituie^{\lambda_i t}u_i è un modo naturale: lo stato si muove lungo uiu_i, con ampiezza che varia come eλite^{\lambda_i t}. I numeri cic_i sono le componenti dello stato iniziale lungo gli autovettori.

Esempio in R2\mathbb R^2. Con λ1=1\lambda_1=1 e λ2=−1\lambda_2=-1 l'evoluzione libera è

x(t)=(et+e−t4et+2e−t)=et(14)+e−t(12)x(t)=\begin{pmatrix}e^{t}+e^{-t}\\4e^{t}+2e^{-t}\end{pmatrix}=e^{t}\begin{pmatrix}1\\4\end{pmatrix}+e^{-t}\begin{pmatrix}1\\2\end{pmatrix}

I vettori che moltiplicano gli esponenziali sono i modi: u1=(1,4)⊤u_1=(1,4)^\top con c1=1c_1=1 e u2=(1,2)⊤u_2=(1,2)^\top con c2=1c_2=1. Lungo u1u_1 l'ampiezza cresce, lungo u2u_2 si accorcia. Lo stato è la somma vettoriale dei due moti. A t=0t=0 è x0=(2,6)⊤x_0=(2,6)^\top, e c1c_1, c2c_2 sono le componenti di x0x_0 lungo u1u_1 e u2u_2: si leggono tracciando da x0x_0 le parallele ai due autovettori.

Formulario

Forma esplicita

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

Coerenza

Φ(0)=I\Phi(0)=I Φ(t−t0)=Φ(t−t1)⋅Φ(t1−t0)\begin{aligned} \Phi(t-t_0)&=\Phi(t-t_1)\\ &\quad\cdot\Phi(t_1-t_0) \end{aligned} H(t−τ)=Φ(t−t1)⋅H(t1−τ)\begin{aligned} H(t-\tau)&=\Phi(t-t_1)\\ &\quad\cdot H(t_1-\tau) \end{aligned}

Causalità

H(s)=W(s)=0, s<0H(s)=W(s)=0,\ s<0

Forma implicita

x˙=A x+B uy=C x+D u\begin{aligned} \dot x&=A\,x+B\,u\\ y&=C\,x+D\,u \end{aligned}

Legame con la forma esplicita

A=Φ˙(0),B=H(0)A=\dot\Phi(0),\quad B=H(0) Ψ(t)=C Φ(t)\Psi(t)=C\,\Phi(t) W(t)=C H(t)+D δ(t)W(t)=C\,H(t)+D\,\delta(t)

Soluzione della FI

x(t)=eA(t−t0)x(t0)+∫t0teA(t−τ)⋅B u(τ) dτ\begin{aligned} x(t)&=e^{A(t-t_0)}x(t_0)\\ &\quad+\int_{t_0}^{t}e^{A(t-\tau)}\\ &\qquad\cdot B\,u(\tau)\,d\tau \end{aligned} Φ(t)=eAt,H(t)=eAtB\Phi(t)=e^{At},\quad H(t)=e^{At}B

Esponenziale di matrice

eAt=∑k=0∞Aktkk!e^{At}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^kt^k}{k!} ddteAt=A eAt=eAtA\frac{d}{dt}e^{At}=A\,e^{At}=e^{At}A

Autovalori

det⁡(A−λI)=0\det(A-\lambda I)=0 A=UΛU−1=∑iλi uiviA=U\Lambda U^{-1}=\sum_i\lambda_i\,u_i v_i viuj=δijv_iu_j=\delta_{ij}

Evoluzione libera

eAt=U eΛt U−1e^{At}=U\,e^{\Lambda t}\,U^{-1} x(t)=∑ici eλit uix(t)=\sum_i c_i\,e^{\lambda_i t}\,u_i ci=vi x0c_i=v_i\,x_0