background image

 

 

Przekształcenie Laplace’a 

 
 
 

 

Zbiór funkcji 
zmiennej zespolonej
 

Zbiór funkcji 
zmiennej rzeczywistej
 

Dziedzina 

rzeczywista 

Np. czas 

t” 

0 

Pozostałe

f(t) 

f

 0 )

f(

•) 

+ 1 

+ j

Dziedzina 

zespolona 

Np. zmienna 

s = 

α

+j

ω

 

F(

)

 

F(s)

 

)]

(

[

  

  

)

(

1

)

(

       

)

(

  

  

)

(

)

(

1

0

s

F

L

t

t

f

s

F

t

f

dt

st

e

t

f

=

=

=

⎥⎦

⎢⎣

L

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

Twierdzenia 

• O Liniowości

 

Jeśli  L[f

1

(t)]= F

1

(s)  oraz  L[f

2

(t)]= F

2

(s) , to dla  

dowolnych liczb k

1

, k

2

 

L[k

f

1

(t) + k

2

 f

2

(t)] = k

1

F

1

(s) + k

2

F

2

(s) 

 
• O Zmianie Skali ( o podobieństwie ) 

Jeśli  L[f(t)]= F(s)   oraz   a

R

+

, to : 

 

L[f(at)] = a

–1

F(a

–1 

s) 

 
 

• O Przesunięciu w Dziedzinie Czasu

 

       Jeśli  L[f (t)]= F (s) , to dla 

τ

  

≥ 0 : 

 

L[f(– 

τ

) 1(– 

τ

)] = e

–s

τ 

F(s) 

 

-5

-2.5

2.5

5

7.5

-1

-0.5

0.5

1

            

-5

-2.5

2.5

5

7.5

-1

-0.5

0.5

1

 

 

• O Przesunięciu w Dziedzinie Transformat

 

       Jeśli  L[f (t) 1(t)]= F (s) , to dla 

α

 

Z

 

 

L[e

αt

 f(t) 1(t)] = F( s + 

α ) 

 

-5

-2.5

2.5

5

7.5

-1

-0.5

0.5

1

              

-5

-2.5

2.5

5

7.5

-1

-0.5

0.5

1

 

f(t)1(t)

 

e

αt

 f(t) 1(t)

f(t)1(t)

 

f(t–

τ

)1(t–

τ

)

 

τ

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

• O Transformacie Pochodnej 
      Jeśli f(t) i f

 (1)

(t) są - transformowalne , to:

 

                       

 

L[f

  (1)

(t)]= s F(s)  –  f(0

+

 

i ogólnie: 

L f

t

snF s

s

f

n

n k

k

n

k

[

( )]

( )

(

( )

( )

=

− ∑

+

− −

)

=

1

0

1

0

 

 

• O Transformacie Całki 
        Jeśli  L[f (t)]= F (s) , to: 

 

)

(

1

)

(

0

s

F

s

d

f

L

t

=



τ

τ

 

 

• O Różniczkowaniu Transformaty 
        Jeśli  L[f (t)]= F (s) , to: 

L t f t

d F s

d s

[

( )]

( )

= −

 

i ogólnie: 

L t

f t

d n F s

d ns

n

n

[

( )] (

)

( )

= −

1

 

• O Granicy Transformaty w Nieskończoności 
      Jeśli  L[f (t)]= F (s) , to: 

lim ( )

s

F s

→∞

=0

 

 

• O Wartościach Granicznych 
      Jeśli  L[f (t)]= F (s) oraz 

a) istnieje granica 

t

lim

( )

( )

f t

f

→+∞

= ∞

, to: 

lim

( )

( )

s

sF s

f

= ∞

0

 

                                                               

b) istnieje granica 

t

lim

( )

(

)

f t

f

→ +

=

+

0

0

, to:         

lim

( )

(

)

s

sF s

f

→∞

=

+

0

                                                               

 

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

Tabela podstawowych transformat Laplace’a 

f(t) – 

oryginał 

 

Wykres f(t) 

F(s) - 

transf.

 

Wykres F(s

 

Moduł                     Argument

 

 

δ(t

δ

(t)

f(t)

t

 

 

 

-1

-0.5

0

0.5

1

-1

-0.5

0

0.5

1

0

0.5

1

1.5

2

-1

-0.5

0

0.5

1

  

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-1

-0.5

0

0.5

1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

 
 

1(t

1

f(t)

t

 

 

1

s

 

 

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0

1

´ 10

1 6

2

´ 10

1 6

3

´ 10

1 6

4

´ 10

1 6

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

 

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-2

0

2

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

e

at

1(t

-1

-0.5

0.5

1

1.5

2

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

 

1

s

a

+

 

 

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

50

100

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

 

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-2

0

2

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

 

sin 

ωt 1(t

-2

2

4

6

8

10

12

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0.25

0.5

0.75

1

 

ω

ω

s

2

2

+

 

 

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

20

40

60

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

  

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-2

0

2

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

 

cos 

ω1(t

-2

2

4

6

8

10

12

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0.25

0.5

0.75

1

 

s

s

2

2

+ ω

 

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0

20

40

60

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

  

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-2

0

2

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

 

t

n

 1(t

-0.25

0.25

0.5

0.75

1

1.25

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

 

n

s

n

!

+1

 

 
 

patrz wyżej            patrz wyżej

 

 

(1– e

–at

) 1(t

2

4

6

8

10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 

(

)

a

s s

a

+

 

-1

-0.5

0

0.5

1

-1

-0.5

0

0.5

1

0

10

20

30

40

50

-1

-0.5

0

0.5

1

  

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

-2

0

2

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

a<1

a>1

n=1 

a<1

a>1 

 
 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

NP. 
 
1. 

δ τ τ

( )

( )

d

t

t

=

−∞

1

  

z tw. OTC     

L

t

L

d

s

t

[ ( )]

[

( )

]

1

1

=

=

−∞

δ τ τ

 

 

2. 

L

t

s

[ ( )]

1

1

=

     z tw. OPwDT      

L e

t

s a

at

[

( )]

=

+

1

1

 

 
3. 

        

sin

( )

( )

( )

( )

ω

ω

ω

ω

ω

t

t

e

e

j

t

e

j

t

e

j

t

j t

j t

j t

j t

=

=

1

2

1

2

1

2

1

 

L

t

s

[ ( )]

1

1

=

 

z tw. OPwDT    

L

t

t

j

L e

t

L e

t

j s

j

s

j

j

s

j

s

j

s

j

s

j

s

j t

j t

[sin

( )]

[

( )]

[

( )]

[

]

(

)

(

)

(

)(

)

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

=

=

=

+

=

+

− −

+

=

=

+

1

1

2

1

1

1

2

1

1

1

2

2

2

  

 
 

background image

 

 

4. 

L

t

s

[sin

]

ω

ω

ω

=

+

2

2

     

z tw. OTP 

 

L

t

L

d

dt

t

s

s

s

s

[cos

]

[

sin

]

sin(

)

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

=

=

+

=

=

+

+

1

1

0

2

2

2

2

 

 

ROZKŁAD WŁAŚCIWEJ FUNKCJI WYMIERNEJ  

NA UŁAMKI PROSTE

 

 

F s

L s

M s

a s

b s

s

a b

a

b

l

m

k

k

k

l

k

k

k

m

k

k

l

m

( )

( )

( )

;

,

,

;

,

;

=

=

∈ℜ

=

=

=

0

0

0

1

Ζ

< 0

               (1) 

 

Przypadek 1    

Pierwiastki wielomianu M(s) są pojedyncze (różne) 

 

M s

s

s

p s

q

s

s

k

k

m

i

i

i

m

k

k

m

i

i

i

m

( )

(

)

(

)

(

)

((

)

=

+

+

+

=

+

+

+

=

=

=

=

α

α

β

1

2

1

1

2

2

1

1

2

1

2

        

)

=

ω

                         (2) 

 

przy czym:  

m

m

m

p

p

q

i

i

i

i

i

i

i

1

2

2

0

2

4

+

=

<

=

=

,

,

,

,

   

  

=

2

  

 

β

ω

i

Wielomian M(s) ma: m

1

 - pierwiastków rzeczywistych:  {

α

1

α

2

, ..., 

α

m1

}; 

                                  m

2

 - pierwiastków zespolonych:     {-

β

1

±jω

1

, -

β

2

±jω

2

, ..., -

β

m2

±jω

m2

};    

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

 

F s

A

s

B s

C

s

p s

q

A

s

B s

D

s

k

k

k

m

i

i

i

i

i

m

k

k

k

m

i

i

i

i

i

i

m

( )

(

)

(

)

=

+

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

+

+

=

=

=

=

α

α

β

β

ω

1

2

1

1

2

2

1

1

2

1

2

       

i

ω

                          (3) 

 

przy czym: 

D

C

B

i

i

i

i

=

i

β

ω

 

Pary transformat:          

 

A

s

A e

k

k

k

t

k

+

← →

α

α

 

       

B s

C

s

p s

q

B s

D

s

e

B

t

D

t

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

t

i

i

i

i

+

+

+

=

+

+

+

+

← →

+

−β

2

2

2

(

)

(

)

(

cos

sin

β

i

)

ω

β

ω

ω

ω

 

 
Oryginał:  

 

( )

f t

A e

e

B

t

D

t

k

t

k

m

t

i

i

i

m

i

i

i

i

=

+

+

=

=

α

β

ω

ω

1

1

1

2

(

cos

sin

)

    

(4) 

 

Przypadek 2  

Wielomian M(s) ma pierwiastki wielokrotne.

 

 

„ 

r - krotny pierwiastek rzeczywisty:  s

= -

α

k

 

 

  

s + 

α

)

r

  =>  

 

 

)

(

!

)

(

)

(

1

1

1

t

f

e

t

i

A

s

A

s

F

r

t

i

r

i

ki

r

i

i

k

ki

r

k

=

⎯→

+

=

=

=

α

α

 

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

„ 

r - krotny pierwiastek zespolony:    s

= -

β

k

 

± j

ω

k

  

 

      

 (s

p

k

q

k

)

r  

= [(+

β

k

)

2

+

ω

k

2

]

r

  =>   

 

(

)

[

]

(

)

)

(

sin

cos

)

(

)

(

)

(

1

1

1

2

2

1

2

t

f

t

F

t

E

e

t

s

D

s

B

q

s

p

s

C

s

B

s

F

r

r

i

k

ki

k

ki

t

i

r

i

i

k

k

k

ki

k

ki

r

i

i

k

k

ki

ki

r

k

=

+

⎯→

+

+

+

+

=

+

+

+

=

=

=

=

ω

ω

ω

β

ω

β

β

 

 

Przykłady 

 

1).      

F s

s

s

s

s

s

A

s

A

s

A

s

( )

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

2

3

2

1

2

29

30

7

10

2

5

3

    

 

=>    

α

1

= 0,  

α

2

= –2,  

α

3

= –5 

 

A

k

F(s)(s-

α

k

)|

s=

α

k     

=>  A

1

= +3, 

                                                                   A

2

= +4, 

                                     A

3

= –6 

                 

f(t) = (3 + 4e

-2t

 -6e

-5t

) 1(t) 

 

-1

1

2

3

4

-6

-4

-2

2

4

6

 

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

2).  

 

F s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

A

s

A

s

A

s

( )

(

)(

)

(

)

=

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

+

2

3

2

2

2

1

21

22

2

2

5

13

55

75

2

5

3

5

3

5

5

       

 

 

A

s

s

s

A

s

s

s

A

A

A

A

S

S

1

2

2

3

22

2

5

1

21

22

21

2

5

5

5

2

5

3

10

1

15

3

5

25

1

=

+

+

+

=

=

+

+

+

= −

=

+

+

=>

= −

=−

=−

(

)

;

;

 

 

f(t)= [2e

-3t

 - (1+10t)e

-5t

] 1(t) 

 

-0.5

0.5

1

1.5

2

-1

-0.5

0.5

1

1.5

2

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

3).    

F s

s

s s

s

A

s

B s

C

s

s

A

s

B s

D

s

A

s

A

s

j

A

s

j

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

*

=

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

=

+

− − +

+

− − −

5

13

4

13

4

13

2

3

2

3

2

3

2

3

2

1

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

2

       =

       =

 

 

         A

1

 = + 1; 

         A

= – (1+j)/2; 

        ( B

= – 1, C

2

 = 1 => D

= 1 ;  ) 

f(t) = 1 – e

–2t

(cos

 

3– sin

 

3) = 

        = 1 – 

1

2

j

e

(–2+3j)t

 – 

1

2

− j

e

(–2–3j)t

 
 

-0.5

0.5

1

1.5

2

-1

-0.5

0.5

1

1.5

 

 
 
 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

IMMITANCJE DWÓJNIKA  

 

U(s)

I(s)

Z(s) lub Y(s)

 

 

1). Zerowe warunki początkowe ( dwójnik SLSB) 

 
      Równanie różniczkowe wiążące funkcje obwodowe dwójnika ma postać: 

b u

t

a i

t

k

k

k

m

k

k

k

l

( )

( )

( )

( )

=

=

=

0

0

                                 (1) 

 

      Po dokonaniu przekształcenia Laplace’a równania (1) dostajemy: 

b s U s

a s I s

k

k

k

m

k

k

k

l

( )

( )

=

=

=

0

0

                                  (2) 

      a stąd: 
 

              

    IMPEDANCJA                                        ADMITANCJA 

                      

Z s

U s

I s

a s

b s

k

k

k

l

k

k

k

m

( )

( )

( )

=

=

=

=

0

0

           

Y s

Z

s

I s

U s

b s

a s

k

k

k

m

k

k

k

l

( )

( )

( )

( )

=

=

=

=

=

1

0

0

 

 

⇒ Impedancja i admitancja dwójnika SLSB są funkcjami 

wymiernymi rzeczywistymi zmiennej zespolonej s 

 
     Równania operatorowe opisujące dwójnik SLSB mają postać: 

 

U s

Z s I s

I s

Y s U s

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

=

=

;               

       (4) 

 
 
 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

2). Niezerowe warunki początkowe ( dwójnik SLS)

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

 

 

   

  Po dokonaniu przekształcenia Laplace’a równania różniczkowych  

    dwójnika  dostajemy równanie: 

 

b s U s

w s

a s I s

w s

k

k

k

m

k

k

k

l

( )

( )

( )

( )

+

=

+

=

=

1

0

2

0

               (5) 

 
    gdzie w

1

(s), w

2

(s) - składniki zależne od warunków początkowych. 

   
   Po przekształceniach otrzymujemy równania operatorowe opisujące  
   dwójnik SLS: 

 

U s

Z s I s

W s

I s

Y s U s

W s

u

i

( )

( ) ( )

( )

( )

( ) ( )

( )

=

+

=

+

                                                 (6) 

 

ŹRÓDŁA W OPISIE OPERATOROWYM 

Z(s)

E(s)

I(s)

U(s)

Z(s), Y(s) - dwójniki SLSB

Równoważność:

Z s

Y s

( )

( )

=

1

 E(s)= Z(s)J(s)

 J(s)= Y(s)E(s)

Y(s)

J(s)

I(s)

U(s)

I(s)= J(s) – Y(s)U(s)

U(s)= E(s) – Z(s)I(s)

 

background image

 

 

 

OPIS OPERATOROWY ELEMENTÓW OBWODU 

 

i(t)

u(t)

R

I(s)

U(s)

R

 

L[

 

L

– 1

[

] 

                                        

u(t)= R i(t)                                                   U(s)= R I(s

 

I(s)

U(s)

u

s

( )

0

i(t)

u(t)

C

u(0)

1

Cs

 

L[

 

L

– 1

[

] 

)

0

(

)

τ

(

1

)

(

0

u

i

C

t

u

t

+

=

                                         

U s

Cs

I s

u

s

( )

( )

( )

=

+

1

0

 

 

 

i(t)

u(t)

L

i(0)

I(s)

U(s)

Ls

i

s

( )

0

 

L[

 

L

– 1

[

] 

)

0

(

)

τ

(

1

)

(

0

i

u

L

t

i

t

+

=

                                     

I s

Ls

U s

i

s

( )

( )

( )

=

+

1

0

 

 
 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

background image

 

 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE

L

1

 i

1

(0)+M

 

i

2

(0)

L

2

 i

2

(0)+M

 

i

1

(0)

I

1

(s)

U

1

(s)

L

1

s

I

2

(s)

U

2

(s)

L

2

s

Ms

i

1

(t)

u

1

(t)

L

1

i

1

(0)

i

2

(t)

u

2

(t)

L

2

i

2

(0)

M

 

 

u t

L

di

dt

M

di

dt

u t

L

di

dt

M

di

dt

1

1

1

2

2

2

2

( )

( )

=

+

=

+

1

]

)]

                                      

U s

L sI s

MsI s

L i

Mi

U

s

L sI s

MsI s

L i

Mi

1

1

1

2

1 1

2

2

2

2

1

2 2

1

0

0

0

0

( )

( )

( )

[

( )

( )

( )

( )

( )

[

( )

(

=

+

+

=

+

+

                    

                    

 

L[

 

L

– 1

[

] 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ STANU W DZIEDZINIE 

ZMIENNEJ ZESPOLONEJ „s” 

 

Równania stanu i wyjścia zapisane w dziedzinie naturalnej ( czasu ) dla 

 0:  

 

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

x

A x

B u

x

x

y

Cx

D u

=

+

=

=

+

t

t

t

t

t

t

t

;

0

0

                          (1) 

 

Dokonując L-transformacji równań (1) z dziedziny czasu ( naturalnej ) do 
dziedziny zespolonej otrzymujemy: 
 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

s

s

s

s

s

s

s

X

X

AX

BU

Y

CX

DU

=

+

=

+

0

                                  (2) 

i po przekształceniu: 
 

( ) (

)

( )

( )

[

]

( )

(

)

[

]

( )

(

)

( )

X

1 A

BU

X

Y

C 1 A

B

D U

C 1 A

X

s

s

s

s

s

s

s

=

+

=

+

+

1

1

1

0

0

              (3) 

 

Równania (3) są „prostymi” równaniami algebraicznymi. Jedyną trudnością jest 
obliczenie macierzy odwrotnej do nieosobliwej ( det(

 0 ) macierzy (s1-A). 

 

OBLICZENIE MACIERZY:  K(s)(s1-A)

–1

 

1).  Ze wzoru: 

 

( )

(

)

(

)

K

1 A

1 A

s

s

s

=

adj

det

                                                     (4) 

       gdzie adj(s1-A) - macierz dołączona macierzy (s1-A). Jej wyznaczenie  
       dla 
> 3 jest uciążliwe; 

 

2).  Ze wzoru: 

( ) (

)

(

)

K

1

A

A

1

A

s

s

s

a

s

a

j

k

k

j

k

j

n

j

n

n

=

=



=

− −

= +

=

1

1

1

0

1

1

det

;

                (5) 

 

   gdzie a

k

 - współczynniki równania charakterystycznego det(

λ

1-A) = 0  

              macierzy A. 

Dr inż. Jacek Czosnowski 

 

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE