คิดเกี่ยวกับระบบกลไกง่าย ๆ เช่นแถบยืดหยุ่นหรือบล็อกที่แนบกับสปริงต้านแรงโน้มถ่วงในโลกแห่งความจริง เมื่อใดก็ตามที่คุณให้ระบบพัลส์ (ไปยังบล็อกหรือบาร์) พวกเขาจะเริ่มการสั่นและในไม่ช้าพวกเขาก็จะหยุดเคลื่อนไหว
มีวิธีที่คุณสามารถวิเคราะห์ระบบเช่นนี้ สองวิธีที่พบบ่อยที่สุดคือ:
โซลูชันที่สมบูรณ์ = โซลูชันที่เป็นเนื้อเดียวกัน + โซลูชันเฉพาะ
การตอบสนองที่สมบูรณ์ = การค้นหาซ้ำตามธรรมชาติ (อินพุตเป็นศูนย์) + การตอบสนองแบบบังคับ (สถานะเป็นศูนย์)
ในขณะที่ระบบเหมือนกันทั้งคู่ควรให้สมการสุดท้ายที่เหมือนกันซึ่งแสดงพฤติกรรมเดียวกัน แต่คุณสามารถแยกพวกมันออกเพื่อทำความเข้าใจความหมายของแต่ละส่วนได้ดีขึ้น (โดยเฉพาะวิธีที่สอง)
ในวิธีแรกคุณคิดเพิ่มเติมจากมุมมองของระบบ LTI หรือสมการทางคณิตศาสตร์ (สมการเชิงอนุพันธ์) ที่คุณสามารถหาวิธีแก้ปัญหาที่เป็นเนื้อเดียวกันและจากนั้นวิธีแก้ปัญหาเฉพาะของมัน วิธีการแก้ปัญหาที่เป็นเนื้อเดียวกันสามารถดูเป็นการตอบสนองชั่วคราวของระบบของคุณไปยังอินพุตนั้น (รวมถึงเงื่อนไขเริ่มต้น) และวิธีการแก้ปัญหาเฉพาะสามารถดูได้เป็นสถานะถาวรของระบบของคุณหลังจาก / กับอินพุตนั้น
วิธีที่สองนั้นใช้งานง่ายยิ่งขึ้น: การตอบสนองตามธรรมชาติหมายถึงการตอบสนองของระบบต่อสภาพเริ่มต้นคืออะไร และการตอบสนองแบบบังคับคือสิ่งที่ระบบตอบสนองต่ออินพุตที่กำหนด แต่ไม่มีเงื่อนไขเริ่มต้น เมื่อคิดในแง่ของบาร์หรือบล็อกตัวอย่างที่ฉันให้คุณสามารถจินตนาการได้ว่าในบางจุดที่คุณผลักบาร์ด้วยมือของคุณและคุณถือมันไว้ที่นั่น นี่อาจเป็นสถานะเริ่มต้นของคุณ ถ้าคุณปล่อยมันไปมันจะสั่นแล้วหยุด นี่คือการตอบสนองตามธรรมชาติของระบบของคุณต่อสภาพนั้น
นอกจากนี้คุณสามารถปล่อยมันไป แต่ยังคงให้พลังงานพิเศษบางอย่างกับระบบโดยการกดปุ่มซ้ำ ๆ ระบบจะมีการตอบสนองตามธรรมชาติเหมือนก่อน แต่จะแสดงพฤติกรรมพิเศษบางอย่างเนื่องจากความนิยมของคุณ เมื่อคุณพบว่าระบบของคุณตอบสนองอย่างสมบูรณ์โดยวิธีที่สองคุณสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนว่าอะไรคือพฤติกรรมตามธรรมชาติของระบบเนื่องจากเงื่อนไขเริ่มต้นเหล่านั้นและการตอบสนองของระบบคืออะไรหากมีเพียงอินพุต (โดยไม่มีเงื่อนไขเริ่มต้น) พวกเขาทั้งสองร่วมกันจะเป็นตัวแทนพฤติกรรมของระบบทั้งหมด
และโปรดทราบว่าการตอบสนองเป็นศูนย์ของรัฐ (การตอบสนองแบบบังคับ) อาจประกอบด้วยส่วน "ธรรมชาติ" และส่วน "พิเศษ" นั่นเป็นเพราะแม้ว่าจะไม่มีเงื่อนไขเริ่มต้นถ้าคุณให้อินพุตกับระบบก็จะมีการตอบสนองชั่วคราว + การตอบสนองของรัฐถาวร
ตัวอย่างการตอบสนอง: จินตนาการว่าสมการของคุณเป็นตัวแทนของวงจรต่อไปนี้:
ผลลัพธ์ของคุณ y (t) คือวงจรกระแส และลองจินตนาการถึงแหล่งที่มาของคุณคือแหล่ง DC ที่ + 48v วิธีนี้ทำให้การรวมของแรงดันไฟฟ้าขององค์ประกอบในเส้นทางปิดนี้คุณจะได้รับ:
ϵ = VL+ VR
เราสามารถเขียนตัวเหนี่ยวนำแรงดันและแรงดันตัวต้านทานในแง่ของกระแส:
ϵ = L dผมdเสื้อ+ R i
หากเรามีแหล่งพลังงาน + 48VDC และ L = 10H และ R = 24Ohms ดังนั้น:
48 = 10 วันผมdเสื้อ+ 24 i
ซึ่งเป็น exaclty สมการที่คุณใช้ ดังนั้นการป้อนข้อมูลของคุณไปยังระบบ (วงจร RL) เป็นแหล่งจ่ายไฟของคุณที่ + 48v เท่านั้น ดังนั้นอินพุตของคุณ = 48
เงื่อนไขเริ่มต้นที่คุณมีคือ y (0) = 5 และ y '(0) = 0 ร่างกายแสดงว่า ณ เวลา = 0 ช่วงเวลาปัจจุบันของวงจรของฉันคือ 5A แต่มันไม่เปลี่ยนแปลง คุณอาจคิดว่ามีบางอย่างเกิดขึ้นก่อนหน้านี้ในวงจรที่เหลือกระแสในตัวเหนี่ยวนำของ 5A ดังนั้นในช่วงเวลาที่กำหนด (ช่วงเวลาเริ่มต้น) มันมีธรณีประตู 5A (y (0) = 5) แต่มันจะไม่เพิ่มขึ้นหรือลดลง (y '(0) = 0)
การแก้มัน:
อีs T
ϵ = 0
10 s อีs T+ 24 อีs T= 0
อีs T( 10 s + 24 ) = 0
s = - 2 , 4
ดังนั้น,
ผมZผม( T ) = อี- 2 , 4 ตัน
เนื่องจากเรารู้ว่าฉัน (0) = 5:
ฉัน( 0 ) = 5 = อี- 2 , 4 0
A = 5
ผมZผม( t ) = 5 e- 2 , 4 ตัน
t = + ∞
ตอนนี้เราอาจพบวิธีแก้ปัญหาเฉพาะสำหรับสมการซึ่งจะแสดงสถานะถาวรเนื่องจากสถานะของแหล่งจ่ายไฟ (อินพุต):
ฉัน( t ) = cค
ดังนั้น,
dผมdเสื้อ= 0
แล้ว
48 = 0.10 + 24 c
c = 2
i ( ∞ ) = 2
ซึ่งก็สมเหตุสมผลเพราะเรามีแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง ดังนั้นหลังจากการตอบสนองชั่วคราวของการเปิดแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงตัวเหนี่ยวนำจะทำหน้าที่เป็นลวดและเราจะมีวงจรตัวต้านทานที่มี R = 24Ohms จากนั้นเราควรมี 2A ของกระแสเนื่องจากแหล่งจ่ายไฟมี 48V เข้ากัน
แต่โปรดทราบว่าหากฉันเพิ่งเพิ่มผลลัพธ์ทั้งสองเพื่อค้นหาคำตอบที่สมบูรณ์เราจะมี:
i ( t ) = 2 + 5 e- 2 , 4 ตัน
ตอนนี้ฉันทำสิ่งที่สับสนในสถานะชั่วคราวเพราะถ้าฉันใส่ t = 0 เราจะไม่หา i = 5 เหมือนเดิมอีกต่อไป และเรามีเพื่อหา i = 5 เมื่อ t = 0 เพราะมันเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นที่กำหนด นี่เป็นเพราะการตอบสนอง Zero-State มีคำที่เป็นธรรมชาติซึ่งไม่ได้อยู่ที่นั่นและยังมีรูปแบบเดียวกับที่เราพบมาก่อน เพิ่มที่นั่น:
i ( t ) = 2 + 5 e- 2 , 4 ตัน+ B es T
เวลาคงที่จะเท่ากันดังนั้นจึงเหลือเรา B:
i ( t ) = 2 + 5 e- 2 , 4 ตัน+ B e- 2 , 4 ตัน
และเรารู้ว่า:
i ( t ) = 2 + 5 + B = 5
ดังนั้น,
B = - 2
จากนั้นโซลูชันที่สมบูรณ์ของคุณคือ:
i ( t ) = 2 + 5 e- 2 , 4 ตัน- 2 จ- 2 , 4 ตัน
คุณอาจคิดว่าคำสุดท้ายนี้เราพบว่าเป็นคำแก้ไขของการตอบสนองแบบบังคับเพื่อให้ตรงกับเงื่อนไขเริ่มต้น อีกวิธีในการค้นหามันคือจินตนาการระบบเดียวกัน แต่ไม่มีเงื่อนไขเริ่มต้น จากนั้นจึงแก้ปัญหาทั้งหมดอีกครั้งเราจะ:
ผมZS( t ) = 2 + A e- 2 , 4 ตัน
แต่เนื่องจากเราไม่ได้พิจารณาเงื่อนไขเริ่มต้น (i (0) = 0) ดังนั้น:
ผมZS( t ) = 2 + A e- 2 , 4 ตัน= 0
และเมื่อ t = 0:
A = - 2
ดังนั้นการตอบสนองแบบบังคับ (Zero-State) ของระบบของคุณคือ:
ผมZS( t ) = 2 - 2 e- 2 , 4 ตัน
มันค่อนข้างสับสน แต่ตอนนี้คุณสามารถดูสิ่งต่าง ๆ จากมุมมองที่แตกต่างกัน
- โฮโมซีน / โซลูชั่นเฉพาะ:
i ( t ) = iพี( t ) + in( t ) = 2 + 3 e- 2 , 4 ตัน
เทอมแรก (2) เป็นวิธีแก้ปัญหาเฉพาะและแสดงถึงสถานะถาวร ส่วนที่เหลือของด้านขวาคือการตอบสนองชั่วคราวหรือที่เรียกว่าสารละลายเอกพันธ์ของสมการ หนังสือบางเล่มเรียกสิ่งนี้ว่าการตอบสนองแบบธรรมชาติและการตอบสนองแบบบังคับเนื่องจากส่วนแรกเป็นส่วนที่ถูกบังคับ (เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟ) และส่วนที่สองเป็นส่วนชั่วคราวหรือธรรมชาติ (ลักษณะของระบบ) นี่เป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการค้นหาการตอบสนองที่สมบูรณ์แบบที่ฉันคิดว่าเพราะคุณจะต้องค้นหาสถานะถาวรและการตอบสนองตามธรรมชาติเพียงครั้งเดียว แต่อาจไม่ชัดเจนว่าอะไรเป็นตัวแทนของอะไร
- ศูนย์อินพุต / ศูนย์รัฐ:
i ( t ) = iZS( t ) + iZผม( t ) = 2 - 2 e- 2 , 4 ตัน+ 5 e- 2 , 4 ตัน
2 - 2 e- 2 , 4 ตัน
5 จ- 2 , 4 ตัน
บางคนเรียกรูปแบบการตอบสนองแบบธรรมชาติ / แบบบังคับ ส่วนที่เป็นธรรมชาติจะเป็น Zero-Input และส่วนที่ถูกบังคับจะเป็น Zero-State ซึ่งโดยวิธีการประกอบด้วยคำธรรมชาติและคำเฉพาะ
พวกเขาทั้งหมดจะให้ผลลัพธ์เดียวกันซึ่งแสดงถึงพฤติกรรมของสถานการณ์ทั้งหมดรวมถึงแหล่งพลังงานและเงื่อนไขเริ่มต้น เพิ่งทราบว่าในบางกรณีอาจเป็นประโยชน์ในการใช้วิธีที่สอง ตัวอย่างที่ดีอย่างหนึ่งคือเมื่อคุณใช้การโน้มน้าวใจและคุณอาจพบว่าการตอบสนองต่อระบบของคุณเป็นแบบ Zero-State ดังนั้นการทำลายคำเหล่านี้อาจช่วยให้คุณมองเห็นสิ่งต่าง ๆ ได้อย่างชัดเจนและใช้คำศัพท์ที่เพียงพอในการโน้มน้าวใจ