(Created page with "AC-2 2014 P1. (a)i) <math> \begin{bmatrix} \dot{x}_1(t) \\ \dot{x}_2(t) \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -1 & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & -1 \end{bmatrix}\begin{bmatr...")
 
 
Line 80: Line 80:
 
as  \\
 
as  \\
 
t\rightarrow \infty</math>
 
t\rightarrow \infty</math>
 +
 
<math>e^{At}=\frac{1}{2}\begin{bmatrix}
 
<math>e^{At}=\frac{1}{2}\begin{bmatrix}
 
e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t}    & e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t}      \\
 
e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t}    & e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t}      \\
Line 90: Line 91:
 
\end{bmatrix}
 
\end{bmatrix}
 
</math>
 
</math>
 +
 
<math>X(t)=e^{At}X(0)+\begin{matrix} \int_{0}^{t}e^{A(t-I)}BU dI
 
<math>X(t)=e^{At}X(0)+\begin{matrix} \int_{0}^{t}e^{A(t-I)}BU dI
 
\end{matrix}
 
\end{matrix}
 
=e^{At}X(0)+\begin{matrix} \int_{0}^{t}e^{A(t-I)}dI BU
 
=e^{At}X(0)+\begin{matrix} \int_{0}^{t}e^{A(t-I)}dI BU
 
\end{matrix}</math>
 
\end{matrix}</math>
 +
 
<math>X(\infty)=e^(Atrightarrow\infty)X(0)+0Bu=X(0)=\begin{bmatrix}
 
<math>X(\infty)=e^(Atrightarrow\infty)X(0)+0Bu=X(0)=\begin{bmatrix}
 
4  \\
 
4  \\
Line 114: Line 117:
  
  
ii)
+
ii)Can’t resolve the rest of questions
Can’t resolve the rest of questions
+
  
  
Line 132: Line 134:
 
\end{bmatrix} \\
 
\end{bmatrix} \\
 
rank=2 \\
 
rank=2 \\
  not controllable
+
  not \quad controllable
 
0=\begin{bmatrix}
 
0=\begin{bmatrix}
 
C \\
 
C \\
Line 203: Line 205:
 
1  & 0 & 0  
 
1  & 0 & 0  
 
\end{bmatrix}=3  \\
 
\end{bmatrix}=3  \\
The only uncontrollable and unobservable \lambda has negative real part  \\
+
The \quad only \quad uncontrollable \quad and \quad unobservable \quad\lambda \quad has\quad negative \quad real \quad part  \\
Stablizable  and detectable
+
Stablizable  \quad and \quad detectable
 
</math>
 
</math>
  
 
<math>H(S)=C(SI-A)^{-1}B+D=(\frac{1}{S-1}-\frac{2}{(S+1)(S-1)}-\frac{8}{(S-1)(S+1)(S-2)})=\frac{S^2-3S-6}{(S-1)(S+1)(S-2)}  \\
 
<math>H(S)=C(SI-A)^{-1}B+D=(\frac{1}{S-1}-\frac{2}{(S+1)(S-1)}-\frac{8}{(S-1)(S+1)(S-2)})=\frac{S^2-3S-6}{(S-1)(S+1)(S-2)}  \\
 
</math>
 
</math>
 +
 
<math>
 
<math>
 
P_1=1  \\
 
P_1=1  \\
 
P_2=-1  \\
 
P_2=-1  \\
 
P_3=2  \\   
 
P_3=2  \\   
not all poles have neqative real parts  \\
+
not \;all\; poles \;have \;neqative\; real\; parts  \\
not BIBO stable
+
not \;BIBO\; stable\;
 
</math>
 
</math>
  
Line 225: Line 228:
 
\dot{x}_2(t)=-costx_1(t)-tx_2(t)
 
\dot{x}_2(t)=-costx_1(t)-tx_2(t)
 
</math>
 
</math>
 +
 
<math>\Phi(t)=\begin{bmatrix}
 
<math>\Phi(t)=\begin{bmatrix}
 
\Phi_1(t)  &  \Phi_2(t)  
 
\Phi_1(t)  &  \Phi_2(t)  
Line 236: Line 240:
 
X_1(0)=1  X_2(0)=0  
 
X_1(0)=1  X_2(0)=0  
 
</math>
 
</math>
 +
 
<math>X_1(t)=e^{-\int_{0}^{t}IdI}\\
 
<math>X_1(t)=e^{-\int_{0}^{t}IdI}\\
 
X_1(0)=e^{-\frac{1}{2}t^2}
 
X_1(0)=e^{-\frac{1}{2}t^2}
Line 278: Line 283:
 
\end{bmatrix}
 
\end{bmatrix}
 
</math>
 
</math>
 +
 
<math>\Phi(tI)=\Phi(t)\Phi^{-1}(I)=\begin{bmatrix}
 
<math>\Phi(tI)=\Phi(t)\Phi^{-1}(I)=\begin{bmatrix}
 
e^{-\frac{1}{2}t^2}  & 0  \\
 
e^{-\frac{1}{2}t^2}  & 0  \\

Latest revision as of 04:34, 21 May 2017

AC-2 2014

P1. (a)i) $ \begin{bmatrix} \dot{x}_1(t) \\ \dot{x}_2(t) \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -1 & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & -1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} x_1(t) \\ x_2(t) \end{bmatrix}+\begin{bmatrix} \frac{x_0(t)}{2} \\ \frac{x_3(t)}{2} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -1 & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & -1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} x_1(t) \\ x_2(t) \end{bmatrix}+\begin{bmatrix} \frac{1}{2} & 0 \\ 0 & \frac{1}{2} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} x_0(t) \\ x_3(t) \end{bmatrix} $

ii) $ A=\begin{bmatrix} -1 & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & -1 \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -1 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix}+\begin{bmatrix} 0 & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & 0 \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -1 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix}+\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} -\frac{1}{2} & 0 \\ 0 & \frac{1}{2} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix} $


$ e^A=\begin{bmatrix} e^{-1} & 0 \\ 0 & e^{-1} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} e^{-\frac{1}{2}} & 0 \\ 0 & e^\frac{1}{2} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix}=\frac{1}{2}\begin{bmatrix} e^{-\frac{3}{2}}+e^{-\frac{1}{2}} & -e^{-\frac{3}{2}}+e^{-\frac{1}{2}} \\ -e^{-\frac{3}{2}}+e^{-\frac{1}{2}} & e^{-\frac{3}{2}}+e^{-\frac{1}{2}} \end{bmatrix} $

iii) $ \lambda _1=-\frac{1}{2} \lambda _2=-\frac{3}{2}\\ stable \\ X(t)\rightarrow X(\infty) \\ as \\ t\rightarrow \infty $

$ e^{At}=\frac{1}{2}\begin{bmatrix} e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t} & e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t} \\ e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t} & e^{-\frac{3}{2}t}+e^{-\frac{1}{2}t} \end{bmatrix} t\rightarrow \infty e^{At}\rightarrow\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} $

$ X(t)=e^{At}X(0)+\begin{matrix} \int_{0}^{t}e^{A(t-I)}BU dI \end{matrix} =e^{At}X(0)+\begin{matrix} \int_{0}^{t}e^{A(t-I)}dI BU \end{matrix} $

$ X(\infty)=e^(Atrightarrow\infty)X(0)+0Bu=X(0)=\begin{bmatrix} 4 \\ 1 \end{bmatrix} $

(b)$ X(t)=\begin{bmatrix} 0 & 0 &0 \\ \frac{1}{2} & -1 & \frac{1}{2}\\ 0 & \frac{1}{2} & -1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} x_0 \\ x_1 \\ x_2 \end{bmatrix}+\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}U(t) $


ii)Can’t resolve the rest of questions


P2 $ \lambda _1=1 \\ \lambda _2=-1 \\ \lambda _3=2 \\ not stable $

$ C=\begin{bmatrix} B & AB & A^2B \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \\ 2 & 5 & 11 \end{bmatrix} \\ rank=2 \\ not \quad controllable 0=\begin{bmatrix} C \\ CA \\ CA^2 \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}\\ rank=1 \\ not observable $

For$ \lambda _1=1 \\ rank\begin{bmatrix} \lambda I-A & B \end{bmatrix}=rank\begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 1 \\ -2 & 2 & 0 & 1 \\ -5 & 4 & -1 & 2 \end{bmatrix}=3 \\ rank\begin{bmatrix} \lambda I-A \\ C \end{bmatrix}=rank\begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ -2 & 2 & 0 \\ -5 & 4 & -1 \\ 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}=3 \\ $

For$ \lambda _2=-1 \\ rank\begin{bmatrix} \lambda I-A & B \end{bmatrix}=rank\begin{bmatrix} -2 & 0 & 0 & 1 \\ -2 & 0 & 0 & 1 \\ -5 & 4 & -3 & 2 \end{bmatrix}=2 \\ uncontrollable \\ rank\begin{bmatrix} \lambda I-A \\ C \end{bmatrix}=rank\begin{bmatrix} -2 & 0 & 0 \\ -2 & 0 & 0 \\ -5 & 4 & -3 \\ 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}=2 \\ unobservable $

For$ \lambda _3=2 \\ rank\begin{bmatrix} \lambda I-A & B \end{bmatrix}=rank\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 \\ -2 & 3 & 0 & 1 \\ -5 & 4 & 0 & 2 \end{bmatrix}=3 \\ rank\begin{bmatrix} \lambda I-A \\ C \end{bmatrix}=rank\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ -2 & 3 & 0 \\ -5 & 4 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}=3 \\ The \quad only \quad uncontrollable \quad and \quad unobservable \quad\lambda \quad has\quad negative \quad real \quad part \\ Stablizable \quad and \quad detectable $

$ H(S)=C(SI-A)^{-1}B+D=(\frac{1}{S-1}-\frac{2}{(S+1)(S-1)}-\frac{8}{(S-1)(S+1)(S-2)})=\frac{S^2-3S-6}{(S-1)(S+1)(S-2)} \\ $

$ P_1=1 \\ P_2=-1 \\ P_3=2 \\ not \;all\; poles \;have \;neqative\; real\; parts \\ not \;BIBO\; stable\; $

P3 $ X(t)=\begin{bmatrix} X_1(t) \\ X_2(t) \end{bmatrix} \dot{x}_1(t)=-tx_1(t) \dot{x}_2(t)=-costx_1(t)-tx_2(t) $

$ \Phi(t)=\begin{bmatrix} \Phi_1(t) & \Phi_2(t) \end{bmatrix} for \Phi_1(t) \\ assume \\ X(0)=\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} \\ X_1(0)=1 X_2(0)=0 $

$ X_1(t)=e^{-\int_{0}^{t}IdI}\\ X_1(0)=e^{-\frac{1}{2}t^2} \dot{x}_2(t)=-coste^{-\frac{1}{2}t^2}-tx_2(t) for \Phi_2(t) \\ assume \\ X(0)=\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} \\ X_1(t)=0 \dot{x}_2(t)=-tx_2(t) x_2(t)=e^{-\frac{1}{2}t^2}x_2(0)=e^{-\frac{1}{2}t^2} \Phi_2(t)=\begin{bmatrix} 0 \\ e^{-\frac{1}{2}t^2} \end{bmatrix} \\ $


$ \Phi(t)=e^{-\int_{0}^{t}AdI}=e^{{-\int_{0}^{t}}\begin{bmatrix} -t & 0 \\ -cost & -t \end{bmatrix}}dI=e^{\begin{bmatrix} -\frac{1}{2}t^2 & 0 \\ sint & -\frac{1}{2}t^2 \end{bmatrix}}=e^{\begin{bmatrix} -\frac{1}{2}t^2 & 0 \\ 0 &-\frac{1}{2}t^2 \end{bmatrix}}e^{\begin{bmatrix} 0 & 0 \\ sint & 0 \end{bmatrix}}=\begin{bmatrix} e^{-\frac{1}{2}t^2} & 0 \\ 0 & e^{-\frac{1}{2}t^2} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ sint & 1 \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} e^{-\frac{1}{2}t^2} & 0 \\ sinte^{-\frac{1}{2}t^2} & e^{-\frac{1}{2}t^2} \end{bmatrix} $

$ \Phi(tI)=\Phi(t)\Phi^{-1}(I)=\begin{bmatrix} e^{-\frac{1}{2}t^2} & 0 \\ sinte^{-\frac{1}{2}t^2} & e^{-\frac{1}{2}t^2} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} e^{-\frac{1}{2}I^2} & 0 \\ sinIe^{-\frac{1}{2}I^2} & e^{-\frac{1}{2}I^2} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} e^{-\frac{1}{2}(t^2-I^2)} & 0 \\ (sint-sinI)e^{-\frac{1}{2}(t^2-I^2)} & e^{-\frac{1}{2}(t^2-I^2)} \end{bmatrix} $

Alumni Liaison

has a message for current ECE438 students.

Sean Hu, ECE PhD 2009