Per un ingresso generico, calcolare quell'integrale può essere laborioso. Si cambia dominio: la trasformata di Laplace porta una funzione f(t), con t∈R, in una funzione F(s) della variabile complessa s∈C. Le equazioni del sistema diventano algebriche e la convoluzione diventa un prodotto.
Definizione e linearità
F(s)=L[f(t)]=∫0+∞f(t)e−stdt
La definizione vale per gli s in cui l'integrale converge. La trasformata è lineare, perché lo è l'integrale:
L[αf(t)+βg(t)]=αF(s)+βG(s)
Solo t≥0. L'integrale parte da 0, quindi i valori di f per t<0 non contano: due funzioni che differiscono solo prima di 0 hanno la stessa trasformata. Interessa il sistema dall'istante iniziale in poi, quindi si prendono segnali nulli prima di 0. Per segnali continui a tratti, con crescita al più esponenziale, la trasformata determina il segnale nei punti di continuità; i valori isolati non cambiano l'integrale. Si scrive f(t)δ−1(t), dove δ−1 è il gradino unitario: nullo per t<0, uguale a 1 dopo.
Il prodotto azzera f prima di 0 e la lascia invariata dopo. Su [0,+∞) il gradino vale 1 e sparisce dall'integrale, quindi L[f(t)δ−1(t)]=F(s).
Estensione causale
t
f(t)δ−1(t)
f(t)
Il gradino schiaccia su 0 la parte di f prima di 0 e lascia intatto il resto: la trasformata unilaterale non vede ciò che accade prima di 0.
Quando converge
Si scrive s=Re(s)+iIm(s), quindi:
e−st=e−Re(s)te−iIm(s)t
Il secondo fattore ruota nel piano complesso e ha modulo 1: non cambia il modulo dell'integrando, quindi non modifica la convergenza assoluta. Il primo è un esponenziale reale, che tende a 0 per t→+∞ se Re(s)>0 e diverge se Re(s)<0. La convergenza dipende anche da f(t). Per il gradino e le potenze della tabella finale la condizione è Re(s)>0: la F(s) vive solo in quel semipiano. Per il gradino, per esempio, F(1) esiste, mentre F(−1) non esiste: l'integrale diverge. L'impulso fa eccezione: la sua trasformata esiste per ogni s.
Spirale dell'esponenziale complesso
t=0ReIm
modulo 1
e−st, con Im(s)=2
Il modulo di e−st è e−Re(s)t: con Re(s)>0 la curva si avvolge sull'origine, con Re(s)<0 si allontana. Si muove Re(s).
Trasformata della derivata
Per passare da x˙=Ax+Bu a una relazione algebrica serve la trasformata di x˙. Si integra per parti, con e−st come fattore da derivare: la derivata di x scompare e compare un fattore s.
Il termine in +∞ si annulla quando Re(s) è abbastanza grande; in 0 vale −x0, perché e0=1. L'ultimo integrale è X(s) dove esiste.
Equazione di stato in s
Si trasforma x˙=Ax+Bu con la linearità:
sX(s)−x0=AX(s)+BU(s)
Poiché s è uno scalare e A una matrice, si scrive sI. Portando a sinistra i termini in X:
[sI−A]X(s)=x0+BU(s)
Nel dominio comune di convergenza, se s non è un autovalore di A, la matrice si inverte:
X(s)=[sI−A]−1x0+[sI−A]−1BU(s)
Il primo termine dipende solo dallo stato iniziale, il secondo solo dall'ingresso: la separazione fra evoluzione libera e forzata resta.
Confronto con la forma esplicita
Si trasforma anche la soluzione esplicita:
x(t)=Φ(t)x0+∫0tH(t−τ)u(τ)dτ
Lo stesso x(t) ha una sola trasformata, quindi le due espressioni di X(s) coincidono dove convergono. Con u=0 si identifica il termine libero:
Φ(s)=L[Φ(t)]=[sI−A]−1=L[eAt]
Questa uguaglianza vale per Re(s) maggiore della parte reale di tutti gli autovalori di A. L'invertibilità da sola non garantisce la convergenza dell'integrale.
Con x0=0 resta il termine forzato. Poiché H(t)=Φ(t)B con B costante:
L[∫0tH(t−τ)u(τ)dτ]=[sI−A]−1BU(s)=H(s)U(s)
L'integrale di convoluzione si trasforma in un prodotto, e H(s)=L[H(t)]=[sI−A]−1B. Il calcolo di H(s) si fa una volta per tutte per il sistema dato; poi, per ogni ingresso, si trasforma u, si moltiplica e si torna nel tempo.
Uscita e risposta impulsiva
Da y=Cx+Du si ha Y(s)=CX(s)+DU(s), cioè
Y(s)=CΦ(s)x0+(CH(s)+D)U(s)
Trasformando la forma esplicita di y(t) si ottiene Y(s)=Ψ(s)x0+W(s)U(s), quindi Ψ(s)=CΦ(s). Per W(s) serve un controllo: nel tempo W(t)=CH(t)+Dδ(t), e per linearità L[W(t)]=CH(s)+DL[δ(t)]. Le due espressioni coincidono solo se L[δ]=1:
L[δ(t)]=∫0+∞δ(t)e−stdt=1
L'impulso sta in t=0, che si conta per intero nell'integrale, e lì e−st=1. Vale per ogni s. Quindi
W(s)=CH(s)+D
Con stato iniziale nullo, Y(s)=W(s)U(s).
u(t)Trasformata di LaplaceU(s)Prodotto per W(s)Y(s)Ritorno nel tempoy(t)
Con stato iniziale nullo l'uscita si ottiene trasformando, moltiplicando e tornando nel tempo: l'integrale di convoluzione non si calcola.
Contributi libero e forzato
Nel dominio s la risposta si calcola con relazioni algebriche. Oltre a X(s), scritta sopra, l'uscita è:
Y(s)=C[sI−A]−1x0+(C[sI−A]−1B+D)U(s)
In ciascuna delle due il primo termine è l'evoluzione libera e il secondo la forzata.
Trasformate elementari
Si trasformano segnali nulli prima di 0: una costante c è cδ−1(t). Ogni voce richiede di controllare per quali s l'integrale converge. Nelle potenze, n è un intero non negativo.
f(t)
F(s)
Condizione
δ(t)
1
ogni s
δ−1(t)
1/s
Re(s)>0
t
1/s2
Re(s)>0
t2
2/s3
Re(s)>0
tn
n!/sn+1
Re(s)>0
tn/n!
1/sn+1
Re(s)>0
Gradino. Il termine in +∞ si annulla per Re(s)>0; senza questa condizione l'integrale non converge.
L[δ−1(t)]=∫0+∞e−stdt=[−se−st]0+∞=0−−s1=s1
Per linearità L[cδ−1(t)]=c/s. Per s reale positivo l'integrale è l'area sotto e−st.
Area sotto l'esponenziale
t
e−st
area da 0 a t
1/s
L'area sotto e−st cresce fino a 1/s e non oltre: è la trasformata del gradino. Muovendo s cambia il valore a cui tende.
Potenze. Per parti, con t da derivare. Il termine fuori dall'integrale vale 0 in entrambi gli estremi.