例 e 指数関数的に減衰する信号を h( a < + a a すると, それらのラプラス変換は, H ( ) { e } e インパルス応答が h( a < ( ただし a >, U( ) { } となるシステムにステップ信号 ( y( のラプラス変換 Y () は, Y ( ) H ( ) X (

Similar documents
Microsoft PowerPoint - H22制御工学I-2回.ppt

第 4 週コンボリューションその 2, 正弦波による分解 教科書 p. 16~ 目標コンボリューションの演習. 正弦波による信号の分解の考え方の理解. 正弦波の複素表現を学ぶ. 演習問題 問 1. 以下の図にならって,1 と 2 の δ 関数を図示せよ δ (t) 2

航空機の運動方程式

s とは何か 2011 年 2 月 5 日目次へ戻る 1 正弦波の微分 y=v m sin ωt を時間 t で微分します V m は正弦波の最大値です 合成関数の微分法を用い y=v m sin u u=ωt と置きますと dy dt dy du du dt d du V m sin u d dt

Microsoft PowerPoint - H22制御工学I-10回.ppt

Microsoft PowerPoint - 第3回2.ppt

Microsoft PowerPoint - 応用数学8回目.pptx

ディジタル信号処理

s と Z(s) の関係 2019 年 3 月 22 日目次へ戻る s が虚軸を含む複素平面右半面の値の時 X(s) も虚軸を含む複素平面右半面の値でなけれ ばなりません その訳を探ります 本章では 受動回路をインピーダンス Z(s) にしていま す リアクタンス回路の駆動点リアクタンス X(s)

(Microsoft Word - PLL\203f\203\202\216\221\227\277-2-\203T\203\223\203v\203\213.doc)

Microsoft PowerPoint - ce07-09b.ppt

<4D F736F F D F2095A F795AA B B A815B837D839382CC95FB92F68EAE2E646F63>

DVIOUT

Microsoft PowerPoint - ip02_01.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - CSA_B3_EX2.pptx

Microsoft PowerPoint - バスゼミ_ ppt [互換モード]

DVIOUT

Microsoft Word - thesis.doc

スライド 1

第 11 回 R, C, L で構成される回路その 3 + SPICE 演習 目標 : SPICE シミュレーションを使ってみる LR 回路の特性 C と L の両方を含む回路 共振回路 今回は講義中に SPICE シミュレーションの演習を併せて行う これまでの RC,CR 回路に加え,L と R

PowerPoint Presentation

スライド 1

Microsoft PowerPoint - 物情数学C(2012)(フーリエ前半)_up

Microsoft PowerPoint - aep_1.ppt [互換モード]

DVIOUT-SS_Ma

画像解析論(2) 講義内容

PowerPoint プレゼンテーション

以下 変数の上のドットは時間に関する微分を表わしている (ex. 2 dx d x x, x 2 dt dt ) 付録 E 非線形微分方程式の平衡点の安定性解析 E-1) 非線形方程式の線形近似特に言及してこなかったが これまでは線形微分方程式 ( x や x, x などがすべて 1 次で なおかつ

画像処理工学

DVIOUT

航空機の運動方程式

第6章 実験モード解析

<4D F736F F D B4389F D985F F4B89DB91E88250>

パソコンシミュレータの現状

重要例題113

工業数学F2-04(ウェブ用).pptx

PowerPoint プレゼンテーション

2018 年 5 月 31 日版 知能機械実験 実習 Ⅳ Ⅳ-1. 制御工学実験 1. 実験概要と目的 ロボットをはじめとするメカトロニクス機器において 高度な動作を実現している背景には 制御技術がある 制御とは 物体の運動を意図した位置や速度で動かす技術である 精度の高い制御を行うためには 正しく

Taro-F25理論 印刷原稿

学習指導要領

数学 t t t t t 加法定理 t t t 倍角公式加法定理で α=β と置く. 三角関数

2009 年 11 月 16 日版 ( 久家 ) 遠地 P 波の変位波形の作成 遠地 P 波の変位波形 ( 変位の時間関数 ) は 波線理論をもとに P U () t = S()* t E()* t P() t で近似的に計算できる * は畳み込み積分 (convolution) を表す ( 付録

DVIOUT

Microsoft Word - 知能機械実験・実習プリント_ docx

Microsoft PowerPoint - 複素数.pptx

アクティブフィルタ テスト容易化設計

Chap2

Microsoft PowerPoint - 計測2.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - 10.pptx

Microsoft PowerPoint pptx

Microsoft PowerPoint - ›žŠpfidŠÍŁÏ−·“H−w5›ñŒÚ.ppt

オペアンプの容量負荷による発振について

Microsoft PowerPoint - 配布資料・演習18.pptx

公式集 数学 Ⅱ B 頭に入っていますか? 8 和積の公式 A + B A B si A + si B si os A + B A B si A si B os si A + B A B os A + os B os os A + B A B os A os B si si 9 三角関数の合成 si

Microsoft Word - 第9章 PID制御.doc

Microsoft PowerPoint - DigitalMedia2_3b.pptx

遅延デジタルフィルタの分散型積和演算回路を用いたFPGA実装の検討

Microsoft Word - 付録1誘導機の2軸理論.doc

複素数平面への誘い

PowerPoint プレゼンテーション

Microsoft PowerPoint - spe1_handout10.ppt

<4D F736F F F696E74202D2091E6824F82518FCD E838B C68CEB82E894AD90B B2E >

航空機の運動方程式

<4D F736F F D2091E631348FCD B838A83478B C982E682E982D082B882DD946782CC89F090CD2E646F63>

3 数値解の特性 3.1 CFL 条件 を 前の章では 波動方程式 f x= x0 = f x= x0 t f c x f =0 [1] c f 0 x= x 0 x 0 f x= x0 x 2 x 2 t [2] のように差分化して数値解を求めた ここでは このようにして得られた数値解の性質を 考

<4D F736F F D2097CD8A7793FC96E582BD82ED82DD8A E6318FCD2E646F63>

相対性理論入門 1 Lorentz 変換 光がどのような座標系に対しても同一の速さ c で進むことから導かれる座標の一次変換である. (x, y, z, t ) の座標系が (x, y, z, t) の座標系に対して x 軸方向に w の速度で進んでいる場合, 座標系が一次変換で関係づけられるとする

20年度一次基礎略解

微分方程式による現象記述と解きかた

2015-2017年度 2次数学セレクション(複素数)解答解説

フィードバック ~ 様々な電子回路の性質 ~ 実験 (1) 目的実験 (1) では 非反転増幅器の増幅率や位相差が 回路を構成する抵抗値や入力信号の周波数によってどのように変わるのかを調べる 実験方法 図 1 のような自由振動回路を組み オペアンプの + 入力端子を接地したときの出力電圧 が 0 と

(Microsoft Word - 10ta320a_\220U\223\256\212w\223\301\230__6\217\315\221O\224\274\203\214\203W\203\201.docx)

喨微勃挹稉弑

Microsoft PowerPoint - chap8.ppt

1/17 平成 29 年 3 月 25 日 ( 土 ) 午前 11 時 1 分量子力学とクライン ゴルドン方程式 ( 学部 3 年次秋学期向 ) 量子力学とクライン ゴルドン方程式 素粒子の満たす場 y ( x,t) の運動方程式 : クライン ゴルドン方程式 : æ 3 ö ç å è m= 0

RLC 共振回路 概要 RLC 回路は, ラジオや通信工学, 発信器などに広く使われる. この回路の目的は, 特定の周波数のときに大きな電流を得ることである. 使い方には, 周波数を設定し外へ発する, 外部からの周波数に合わせて同調する, がある. このように, 周波数を扱うことから, 交流を考える

スライド 1

1. 線形シフト不変システムと z 変換 ここで言う システム とは? 入力数列 T[ ] 出力数列 一意変換 ( 演算子 ) 概念的には,, x 2, x 1, x 0, x 1, x 2, を入力すると, y 2, y 1, y 0, y 1, y 2, が出力される. 線形システム : 線形シ

横浜市環境科学研究所

Microsoft Word - 微分入門.doc

<4D F736F F D2094F795AA95FB92F68EAE82CC89F082AB95FB E646F63>

数学 ⅡB < 公理 > 公理を論拠に定義を用いて定理を証明する 1 大小関係の公理 順序 (a > b, a = b, a > b 1 つ成立 a > b, b > c a > c 成立 ) 順序と演算 (a > b a + c > b + c (a > b, c > 0 ac > bc) 2 図

s ss s ss = ε = = s ss s (3) と表される s の要素における s s = κ = κ, =,, (4) jωε jω s は複素比誘電率に相当する物理量であり ここで PML 媒質定数を次のように定義する すなわち κξ をPML 媒質の等価比誘電率 ξ をPML 媒質の

Microsoft Word - 1B2011.doc

<4D F736F F D A CF95AA B B82CC90CF95AA8CF68EAE2E646F63>

人間科学部研究年報平成 24 年 (1) (2) (3) (4) 式 (1) は, クーロン (Coulomb) の法則とも呼ばれる.ρは電荷密度を表し,ε 0 は真空の誘電率と呼ばれる定数である. 式 (2) は, 磁荷が存在しないことを表す式である. 式 (3) はファラデー (Faraday)

1/30 平成 29 年 3 月 24 日 ( 金 ) 午前 11 時 25 分第三章フェルミ量子場 : スピノール場 ( 次元あり ) 第三章フェルミ量子場 : スピノール場 フェルミ型 ボーズ量子場のエネルギーは 第二章ボーズ量子場 : スカラー場 の (2.18) より ˆ dp 1 1 =

Microsoft Word - NumericalComputation.docx

大気環境シミュレーション

19年度一次基礎科目計算問題略解

Microsoft PowerPoint - qcomp.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - ce07-13b.ppt

PowerPoint Presentation

フーリエ変換 ラプラス変換 - まとめ Fourr 級数展開 周期 の関数の場合 co b, b co Fourr 級数展開 周期 の関数の場合 co b, b co Fourr 変換と逆変換 フーリエ逆変換 フーリエ変換

まとめ Fourr 級数展開 周期 の関数の場合 co, co Fourr 級数展開 周期 の関数の場合 co, co Fourr 変換と逆変換 フーリエ逆変換 フーリエ変換

振動学特論火曜 1 限 TA332J 藤井康介 6 章スペクトルの平滑化 スペクトルの平滑化とはギザギザした地震波のフーリエ スペクトルやパワ スペクトルでは正確にスペクトルの山がどこにあるかはよく分からない このようなスペクトルから不純なものを取り去って 本当の性質を浮き彫

Microsoft PowerPoint - H21生物計算化学2.ppt

解析力学B - 第11回: 正準変換

Microsoft Word - 付録D_ doc

2018年度 東京大・理系数学

Transcription:

第 週ラプラス変換 教科書 p.34~ 目標ラプラス変換の定義と意味を理解する フーリエ変換や Z 変換と並ぶ 信号解析やシステム設計における重要なツール ラプラス変換は波動現象や電気回路など様々な分野で 微分方程式を解くために利用されてきた ラプラス変換を用いることで微分方程式は代数方程式に変換される また 工学上使われる主要な関数のラプラス変換は簡単な形の関数で表されるので これを ラプラス変換表 として用意しておけば 機械的な操作により微分方程式を解くことが可能になる 計測 制御システムにおいてもラプラス変換は 安定性の判定などに利用されている ラプラス変換の定義 教科書 p.35 時間信号 x( は, 次の式により, 複素数 の関数 X () に変換される { } + x X ( ) x( e ( d (-) この定義式のラプラス変換は 片側ラプラス変換 と呼ばれる. < で信号 x( として扱っている. 工学上のほとんどの応用では, この形で扱うことができる. そこで, これ以降, 特に断らない限り, 信号は < で となる片側信号とする 注意 : ラプラス変換の収束域ラプラス変換の値は, 複素平面内の全ての について有限の値に収束するわけではない. 収束域 : ラプラス変換の値が収束する複素数 の範囲 片側ラプラス変換の収束域は, 一般的には, { } > γ Re (-) という半平面になる.γ の値は, 信号 x( によって変わる. ラプラス変換の使い方 3 有用な信号の多くは複素数 の単純な関数で表わせる変換 逆変換は ラプラス変換表 を使う線形 時不変システムの入出力は比例関係になる 入力 ( x, 出力 y (, インパルス応答 h( のラプラス変換を () とすると, Y ( ) H ( ) X ( ) jω とすればフーリエ変換が求まる X, Y (), H () 4 線形システム入門講義資料 -

例 e 指数関数的に減衰する信号を h( a < + a a すると, それらのラプラス変換は, H ( ) { e } e インパルス応答が h( a < ( ただし a >, U( ) { } となるシステムにステップ信号 ( y( のラプラス変換 Y () は, Y ( ) H ( ) X ( ) + a a + a y( a + a a + a このシステムの周波数応答 a { Y ( ) } ( e ) H ( ) の を jω で置き換えると, + a Hjω) j ω + a a ), ステップ信号を で与えられる u を入力したときの出力 y ( と < 5 6 ラプラス変換では, 時間信号を e という 複素の周波数 を持つ信号に分解している, と解釈できる (Fig.- 参照 ). 指数関数やステップ関数のように過渡的に変化する信号を扱える点がフーリエ変換とは異なる. α <, ω α, ω Im{ } α + jω Re{ } α >, ω α <, ω α >, ω α, ω Fig.- 複素周波数と信号波形 フーリエ変換の拡張として理解できる X ( ω) x( e 角周波数 ω の成分 jω d 角周波数 ω ( 実数値, 数直線上の 点 ) 変数 ( 複素数, 複素平面上の 点 ) α jω ( j ) j e e α + ω e α e ω 増大または減少する角周波数 ωの正弦波信号 + とすると, ラプラス変換には逆変換がある ( 章末の解説を参照 ) - 線形システム入門講義資料

基本的な信号のラプラス変換 教科書 p.36~ 工学上重要な信号のラプラス変換を以下に示す これらのラプラス変換は複素角周波数 の簡単な関数で表される また その分母多項式がゼロになる の値が 信号の周波数や減衰率に対応している ラプラス変換の分母がゼロになる の値を極 (pole) と呼ぶ 単位ステップ関数 < 導出過程 : { } ( 収束域は, Re { } > ) (-3) Re { } > { u } e d ( e d e lim e のとき つまり α + jω, α > のとき (-4) 式の第 項は, lim α jω e lim e e α + jω のように, となる したがって,(-3) が導き出される (-4) (-5) 単位ステップ信号は 計測システムにおける被測定信号や 制御システムでの制御入力信号がステップ的な変化をする場合に現れる この信号の極は につだけ存在し 角周波数ゼロ 減衰率ゼロの信号であることがわかる δ 関数 { ( } ( e d e δ δ ( 全領域で収束 ) (-6) δ 関数のラプラス変換は 平面全体に渡って となる 3 指数関数 { } e α α ( 収束域は, { } > α α α 導出過程 : { e } e e d Re ) (-7) ( α ) ( α ) e d lim e α したがって Re { } > α なら,(-7) 式が導き出される α (-8) 指数関数的の極は α となり 減衰係数と一致する 信号の振幅は α > なら時間とともに増大 α < なら時間と共に減衰する 指数関数のラプラス変換から出発して, 幾つかの信号のラプラス変換を導き出せる. 演習問題問題 上記の導出過程を見ないで, 以下の関数のラプラス変換と収束域を示せ. ステップ関数 δ 関数 3 指数関数 線形システム入門講義資料 -3

ステップ関数 δ 関数 3 指数関数 4 複素三角関数 j e ω jω { e } ω ( 収束域は, { } - j Re > ) (-9) 一定振幅の複素三角関数の極は 平面の虚軸上に つだけ存在する 5 co ω in ω jω jω e + e jω + jω { coω} + +ω ( 収束域は, Re { } > ) (-) jω jω e e j j jω + jω { inω} ω + ω ( 収束域は, { } Re > ) (-) 実数の正弦波のラプラス変換では, 極は虚軸上に存在し, 実軸に関し対称に 個が対になる -4 線形システム入門講義資料

6 e α e α coω inω ( α + jω) ( α jω) + α e e { e coω} + α jω α + jω α (-) ( α) + ω ( α + jω) ( α jω) α e e { e inω} ω ( α) + ω j ( 収束域は, { } > α j α jω α + jω Re ) (-3) 振幅が時間とともに減衰または増大する正弦波のラプラス変換の極は 実軸に関し対称に 個が対になる 7 n 信号 x ( のラプラス変換を求めると, + { } e d e e d (-4) となり, > では第 項はゼロとなるので, n { } e d ( 収束域は, Re { } > x ( のラプラス変換は, n n n n n { } + ) (-5) e d e e d (-6) となり, 前と同様にして, n n n n n { } e d { } (-7) となる { } / n n! { } n であるから, 一般に ( 収束域は, Re { } > n+ 信号 のラプラス変換は 平面の原点に n + 重の多重極を持つ ) (-8) 8 n e α 7 と同様の過程により, n α n! { e } n+ ( 収束域は, { } α ( α) Re > ) (-9) 信号 n e α のラプラス変換は 平面の実軸上に n + 重の多重極を持つ 線形システム入門講義資料 -5

付録 A 逆ラプラス変換 教科書 p.47~ ラプラス変換には逆変換が存在し α + j e x( X ( ) d (-4) j α j π で与えられる 積分経路は Fig.- に示すように, ラプラス変換の収束領域内に存在しなければならない すなわち α > γ である α + j Im{ } Re { } α > γ Im{ } Re { } α > γ γ Re{ } Re{ } C Re { } γ α Re { } γ α j a)bromwich の経路 b) 周回積分路 Fig.- 逆ラプラス変換の積分路 逆ラプラス変換式の導出 ラプラス変換の式 (-) は 単位ステップ関数 < を使って (-5) と変形できる これに α + jω を代入すると X ( ) x( e d (-6) ( α + j ω) X ( α + jω) x( e d α jω ( e e (-7) x d α となる この式から X ( α + jω) は x( e のフーリエ変換と等しいことがわかる したがって 逆フーリエ変換の式 : j ω ω x( X ( j ) e dω ( X ( jω) は x( のフーリエ変換 ) π を利用すると π α jω ( e X ( α + jω) e dω (-8) x -6 線形システム入門講義資料

が得られる 両辺に e α を乗ずると x π ( α + j ω) ( X ( α + jω) e dω (-9) が得られる α + j ω, jd ω d とすると (-9) 式は線積分の形に表され が導かれた ( 導出終り ) α + j e x( x( X ( ) d (-3) j α j π 逆ラプラス変換の (-4) 式は Fig.- に示す Bromwich の経路に沿った積分で求められる さらに, この積分は, Jordan の補助定理 により閉路積分 x ( X ( ) e d jπ C (-3) の形に収束するので 留数定理により計算することが可能である 線形システム入門講義資料 -7

モーグ シンセサイザーアメリカの電子工学博士 ロバート モーグ (Rober Moog,934-5) が 964 年に開発したアナログ シンセサイザー 電圧制御発振器, 電圧制御フィルタ, 可変利得増幅器などのアナログ電子回路で構成されていた -8 線形システム入門講義資料 Yauaka Tamra 9