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다음의 상태방정식으로 표현되는 시스템의 상태천이 행렬은?\begin{bm 상세 페이지

1[전기기사 필기] 24년 3회차
다음의 상태방정식으로 표현되는 시스템의 상태천이 행렬은?
[ddtx1ddtx2]=[0134][x1x2]\begin{bmatrix}\frac{d}{dt}x_{1}\\ \frac{d}{dt}x_{2}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0&1\\-3&-4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_{1}\\x_{2}\end{bmatrix}
1
[1.5et0.5e4t1.5et+1.5e4t0.5et0.5e4t0.5et+1.5e4t]\begin{bmatrix}1.5e^{-t}-0.5e^{-4t}&-1.5e^{-t}+1.5e^{-4t}\\0.5e^{-t}-0.5e^{-4t}&-0.5e^{-t}+1.5e^{-4t}\end{bmatrix}
2
[1.5et0.5e3t0.5et0.5e3t1.5et+1.5e3t0.5et+1.5e3t]\begin{bmatrix}1.5e^{-t}-0.5e^{-3t}&0.5e^{-t}-0.5e^{-3t}\\-1.5e^{-t}+1.5e^{-3t}&-0.5e^{-t}+1.5e^{-3t}\end{bmatrix}
3
[1.5et0.5e3t1.5et+1.5e3t0.5et0.5e3t0.5et+1.5e3t]\begin{bmatrix}1.5e^{-t}-0.5e^{-3t}&-1.5e^{-t}+1.5e^{-3t}\\0.5e^{-t}-0.5e^{-3t}&-0.5e^{-t}+1.5e^{-3t}\end{bmatrix}
4
[1.5et0.5e4t0.5et0.5e4t1.5et+1.5e4t0.5et+1.5e4t]\begin{bmatrix}1.5e^{-t}-0.5e^{-4t}&0.5e^{-t}-0.5e^{-4t}\\-1.5e^{-t}+1.5e^{-4t}&-0.5e^{-t}+1.5e^{-4t}\end{bmatrix}
해설
상태천이행렬은 ϕ(t)=eAt=L1[(sIA)1]\phi(t)=e^{At}=\mathcal{L}^{-1}\left[(sI-A)^{-1}\right] 로 구한다. sIA=[s13s+4]sI-A=\begin{bmatrix}s&-1\\3&s+4\end{bmatrix} 이고 det(sIA)=s2+4s+3=(s+1)(s+3)\det(sI-A)=s^{2}+4s+3=(s+1)(s+3) 이므로 (sIA)1=1(s+1)(s+3)[s+413s](sI-A)^{-1}=\dfrac{1}{(s+1)(s+3)}\begin{bmatrix}s+4&1\\-3&s\end{bmatrix} 이다. 각 성분을 부분분수로 전개하면 s+4(s+1)(s+3)=1.5s+10.5s+3\dfrac{s+4}{(s+1)(s+3)}=\dfrac{1.5}{s+1}-\dfrac{0.5}{s+3}, 1(s+1)(s+3)=0.5s+10.5s+3\dfrac{1}{(s+1)(s+3)}=\dfrac{0.5}{s+1}-\dfrac{0.5}{s+3}, 3(s+1)(s+3)=1.5s+1+1.5s+3\dfrac{-3}{(s+1)(s+3)}=\dfrac{-1.5}{s+1}+\dfrac{1.5}{s+3}, s(s+1)(s+3)=0.5s+1+1.5s+3\dfrac{s}{(s+1)(s+3)}=\dfrac{-0.5}{s+1}+\dfrac{1.5}{s+3} 이므로 역라플라스 변환하면 정답은 ② [1.5et0.5e3t0.5et0.5e3t1.5et+1.5e3t0.5et+1.5e3t]\begin{bmatrix}1.5e^{-t}-0.5e^{-3t}&0.5e^{-t}-0.5e^{-3t}\\-1.5e^{-t}+1.5e^{-3t}&-0.5e^{-t}+1.5e^{-3t}\end{bmatrix} 이다. ①·④ 의 e4te^{-4t} 항은 특성방정식의 근이 s=1,3s=-1,\,-3 임을 보면 나올 수 없고, ③ 은 비대각 성분의 위치가 서로 바뀌어 있어 dϕdtt=0=A\left.\dfrac{d\phi}{dt}\right|_{t=0}=A 를 만족하지 못한다.

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