5. Transformada de Laplace
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- Cecília Fialho Angelim
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1 Sinai e Siema - 5. Tanfomada de Laplace A Tanfomada de Laplace é uma impoane feamena paa a eolução de equaçõe difeenciai. Também é muio úil na epeenação e análie de iema. É uma anfomação que faz um mapeameno do domínio do empo paa o domínio S com = σ+jw (complexo). A anfomada de Laplace exie em dua vaiane: unilaeal e bilaeal. A anfomada unilaeal é úil na análie de iema com condiçõe iniciai. A anfomada bilaeal em uo paa euda cea caaceíica do iema. A pincipal aplicação da anfomada de Laplace no âmbio da engenhaia é a análie de epoa empoal e da eabilidade de iema. 5. Definição Seja e uma exponencial complexa. = σ+jw é uma fequência complexa. Podemo eceve e como um inal de valo complexo: e = e σ co(w) + j e σ in(w) A pae eal de e é um coeno exponencialmene amoecido e a pae imagináia um eno exponencialmene amoecido (aumindo σ negaivo). Tanfomada de Laplace bilaeal: X = x e d Tanfomada de Laplace (bilaeal) Tanfomada de Laplace unilaeal: Sinai cauai êm uma oigem em empo finio o qual pode e aumido como endo a oigem: [x=, =]. Nee cao pode edefini-e a anfomada de Laplace como unilaeal. X = x e d Tanfomada de Laplace (unilaeal) É ea foma de anfomada de Laplace que vamo aa a pai daqui uma vez que o noo objecivo é uilizá-la como feamena paa a análie de iema. Condiçõe de exiência: Paa que a anfomada de Laplace exia é neceáio que o inegal convija. Io é gaanido e: xe σ d Io é, xe -σ em de e aboluamene inegável. Rogéio Lago Seúbal 999
2 Sinai e Siema - 4 Se compaamo a anfomada de Laplace com a anfomada de Fouie vemo que aquela pode e conideada como a anfomada de Fouie de xe -σ. Nea pepeciva veifica-e que a condiçõe de convegência ão exacamene a mema. Região de Convegência (ROC): Valoe de σ paa o quai o anfomada de Laplace convege. Sendo ea condição expea em emo da pae eal de =σ+jw, ela eabelece como egião de convegência um emi plano à dieia de uma eca veical : Re{} > σ. S σ Tanfomada invea de Laplace: A anfomada invea de Laplace de X é dada po: σ + x = X e d π j Tanfomada invea de Laplace (bilaeal) σ Uualmene ee inegal não neceia e eolvido, poi ecoe-e à abela e a méodo páico de obe a anfomada invea. 5. Tanfomada de Laplace de funçõe báica Vamo apena conidea, a pai daqui, a anfomada unilaeal. Logo x =, <. 5.. Função exponencial: x=e -a u, a eal (não é impoo que a eja poiivo). ( + a) a ( + a) e = = = ( + a) ( σ + a ) jw =σ+jw +a = (σ+a)+jw X e e d e d e e = = + + ( a) ( a) Noa que e jw = e paa que ; ROC: Re{} > -a. -( a ) e + lim =, eá de e σ+a >, logo: σ >- a (ROC) 5.. Função alo uniáio: x = u X =. e d =, Re> 5.. Função ampa uniáia S -a x = u X = e. d =, Re> Noa. A inegação fica fácil e ecoemo à inegação po pae: fg = fg f g Rogéio Lago Seúbal 999
3 Sinai e Siema Função inuoidal x = en(w).u jw jw e e w, Re{S}> X = en( w) e d = e d = j + w Analogamene, obém-e paa a função coeno: x = en(w).u, X = + w 5. Tabela de Tanfomada de Laplace Paindo da anfomada acima calculada e de oua que podeíamo facilmene deemina oganiza-e a abela de anfomada de Laplace que e apeena a egui e que eá úil paa poeio conula. Tabela 5. Tanfomada de Laplace de funçõe elemenae Função empoal x Tanfomada de Laplace X δ Impulo u u e -a u + a e -a u ( + a) n e -a u n ( + a ) en(w )u w + w co(w )u + w e -a en(w )u w a + w ( ) Noa Salo uniáio Re> Rampa Re(> Exponencial Re{}>-a Re{}>-a Re{}>-a Seno Re> Coeno Re> Seno amoecido Re{}>-a 5.4 Popiedade da anfomada de Laplace Enunciam-e a egui um conjuno de popiedade da anfomada de Laplace. Com bae na anfomada de funçõe imple obida de abela e nea popiedade é poível uma um gande de anfomada de oua funçõe elacionada com aquela. Rogéio Lago Seúbal 999
4 Sinai e Siema - 6 i) Lineaidade: x X, Roc=R ; x Enão: a x a x a X + a X X, Roc=R +, R A demonação é imediaa aplicando a definição e endo em cona a lineaidade do opeado inegal. ii) Delocação no empo: x X, x e X, Enão: ( ) A demonação pode faze-e ecoendo a uma mudança de vaiável: τ = - : ( ) x( ) e d x( ) e τ + τ τ dτ e = = x( τ) e dτ = e X iii) Tanlação em S (modulação): x X, Enão: e x X( ), + Re{S } iv) Ecalameno no empo: x X, Enão: ( a ) x X a a, a v) Deivada no empo: x X, Enão: dx d X, RoC coném R Noa: No cao da anfomada de Laplace unilaeal apaecem a condiçõe iniciai x( + ), poi x em início em =. dx d X + x( ) vi) Deivada em S (no domínio S): x X, Enão: dx x, d vii) Inegação no empo: x X,, RoC coném R Re> Enão: x( τ) dτ X Rogéio Lago Seúbal 999
5 Sinai e Siema - 7 viii) Convolução: : x Enão: x x X X X, RoC =R ; x X, RoC =R, RoC coném R R Noa: O ímbolo indica a opeação de convolução que e define pelo eguine inegal: = ( ) ( ) x x x τ x τ dτ ix) Valo Inicial e Valo Final: Admie-e que x=, < e que não coném impulo na oigem. x + ( ) limx lim x = Reulado do eoema do valo inicial. lim X = Reulado do eoema do valo final. Ee doi eulado ão muio úei poi, em neceidade de conhece a expeão empoal de x, pemiem abe o eu valoe iniciai e finai a pai da ua anfomada de Laplace. Ee conjuno de popiedade eá umaiado na abela abaixo: Tabela 5. Popiedade da Tanfomada de Laplace Função empoal x x; y X; Y Tanfomada de Laplace X a x + a y a X + a Y Lineaidade x(- ) x(a) exp(- )X a X a Rogéio Lago Seúbal 999 Noa Delocameno no empo > Ecalameno no empo a> e a x X(-a) Modulação n x n n d X (-) n d n>, e ineio dx d X - x Deivação n d x n X - n- x - n- x n d x (n-) Deivação X x( τ) dτ Inegação x y XY Convolução x lim X Teoema do valo inicial x lim X Teoema do valo final
6 Sinai e Siema Tanfomada invea de Laplace Já foi aá apeenada a expeão que define a anfomada invea de Laplace. Ee inegal pode e de eolução complicada. Exiem méodo expedio de obe a anfomada invea. Vamo aqui apeena um baeado na expanão em facçõe imple Méodo da expanão em facçõe imple Aume-e que a anfomada de Laplace eá epeenada po uma azão de polinómio, o que ocoe empe paa a funçõe que no ineeam no âmbio da engenhaia. m m m m N bm + bm b+ b bm + bm b+ b X = = = n n D( ) + an a+ a ( pn)( pn )...( p) Também podeíamo facoiza o numeado. Obeíamo m aíze que eiam o zeo (z i ). A aíze do polinómio denominado ão o pólo (p i ) de X e ão em númeo de n. Em geal n>m io é há mai pólo que zeo pelo que X pode e ecio como uma oma de emo em cujo denominado apena exie um pólo (facçõe imple): A A An X = A k é o eíduo de X no pólo p k. ( p) ( p) ( pn ) N p k Ak Ak = ( pk) Da abela de anfomada: Ae k D = p pk k Dea foma a inveão de cada uma da facçõe imple é imediaa. Ee eulado aplicam-e apena a iuaçõe em que o pólo ão odo difeene (p i p j e i j). Exemplo : Obe x a pai da ua anfomada de Laplace X 5+ A A A X = = + + ( + )( + )( + ) O eíduo no pólo {-;-;-} obém-e da eguine maneia: ( 5 + ) 5+ A = ( + ) = = ( + ) ( + )( + ) ( + )( + ) = ( 5 + ) 7 A = = = 7 ( + )( + ) = ( 5 + ) A = = = 6 ( + )( + ) = Enão X expandido em facçõe imple e a ua anfomada invea ão: 7 6 X == + + x = e + 7e 6 e u Pólo de odem múlipla Cao exiam pólo de odem upeio à pimeia (váio pólo iguai) apaecem no denominado da função emo do ipo (+ i ). O pocedimeno a egui apeena-e no exemplo eguine: Rogéio Lago Seúbal 999
7 Sinai e Siema - 9 Exemplo : X N A A B B... B = = ( + )( + )( + ) + + ( + ) ( + ) ( + ) O eíduo A e A Coepondem a pólo imple e obém-e da foma já via no exemplo aneio. O pólo com muliplicidade em eíduo que e calculam da eguine foma: B X ( ) N = + Noa que X( + ) = = ( + )( + ) d B = X ( + ) d = d B = X ( + ) d =... d B = X ( + ) Expeão genéica paa o eíduo.! d = ( ) Exemplo : Obe a anfomada invea de X A A B B B X = = A = = ; A = = ( + ) ( + ) ( + ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = Pólo iplo S =- X( ) B = = = ( + ) = + = ( + ) =. Aim o eíduo B, B e B viam: B B d (+ ) = = = = d + ( + ) = ( ) = d d ( + ) = = = ( + ) ( ) d d = + = ( ) ( ) ( )( ) 4 ( + ) = = Noa que = + + ( ) A expanão em facçõe imple e a anfomada invea vem: X ( ) = x( ) = ( ) ( ) ( ) e + e e u( ) Rogéio Lago Seúbal 999
8 Sinai e Siema - Noa: ) Pólo complexo conjugado ocoem em pae complexo conjugado: S S Na expanão em facçõe imple, o eíduo A e A ambém ão complexo conjugado: Exemplo: N( ) A A [ ] = + Ae + A e u( ) ( + )( ) ( ) + + ( + ) De aliena que o inal empoal ambém é eal uma vez que e aa da oma de complexo conjugado. Noa: ) Aplicação da anfomada de Laplace à eolução de equaçõe difeenciai: Tomando a equação difeencial eguine com a condiçõe iniciai dada: d x( ) dx( ) x = + + x( ) = 5u( ) d d x = Aplicando anfomada de Laplace a ambo o membo: 5 5 S X( S) Sx x + SX( S) x + X( S) = ( S + S + ) X ( S) = S + S S S S + 5 Enão: X ( S) = S( S + S + ) Paa obe a expeão empoal de x é ó calcula a anfomada invea. Rogéio Lago Seúbal 999
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