Nell'analisi dei sistemi dinamici, un sistema dinamico lineare è un sistema dinamico la cui evoluzione è governata da un'equazione lineare, e che quindi soddisfa il principio di sovrapposizione degli effetti. Le equazioni differenziali che descrivono tale classe di sistemi dinamici sono particolarmente semplici, e possono essere frequentemente risolte in modo esatto.
Un sistema dinamico è un concetto astratto che si utilizza per rappresentare il comportamento di un processo fisico nello spazio e nel tempo. Viene modellizzato con una funzione che, nel dominio del tempo, ad una sollecitazione fornisce una risposta :
I sistemi lineari sono soggetti al principio di sovrapposizione, ovvero un sistema è lineare se valgono le seguenti proprietà:
Una classe particolarmente importante di sistemi dinamici lineari è quella dei sistemi tempo-invarianti.
Indice
1Descrizione
1.1Sistemi lineari tempo-invarianti (LTI)
2Scomposizione del problema differenziale
2.1In due dimensioni
3Esempio
4Bibliografia
5Voci correlate
Descrizione
Un sistema dinamico è lineare quando dipende linearmente dalle variabili di stato e dalle variabili di ingresso . Viene descritto dalla variazione del vettore colonna di stato , ambientato in uno spazio vettoriale di dimensione detto spazio delle fasi, secondo le equazioni matriciali:
dove è l'uscita o evoluzione. Lo stato è un vettore di dimensione , l'ingresso ha dimensione , mentre ha dimensione ; sono moltiplicati per le matrici matrice di dimensione , matrice di dimensione , matrice di dimensione e matrice di dimensione .
Nel caso di un sistema dinamico a tempo discreto l'equazione ha la forma:
con .
Una tecnica utilizzata per studiare un problema non lineare nelle vicinanze di un punto di equilibrio è quella di approssimarlo ad un sistema lineare in un intorno del punto di equilibrio tramite la matrice jacobiana di . A seconda del comportamento del sistema (a seconda del determinante di ) l'equilibrio è classificato come stabile, asintoticamente stabile o instabile.
Un sistema stazionario (o tempo invariante) è un sistema i cui parametri non dipendono dal tempo. Viene descritto da un sistema di equazioni differenziali a coefficienti costanti:
Si tratta di una classe di problemi particolarmente studiata e della quale sono state sviluppate molte tecniche di analisi; molte sono ad esempio basate sulla funzione di trasferimento e sul formalismo della rappresentazione spettrale dei segnali e in spazio di stato.
Scomposizione del problema differenziale
Talvolta si sceglie di rappresentare il sistema soltanto attraverso la variazione del suo stato a partire da uno stato iniziale , ovvero con una relazione del tipo:
Se il vettore iniziale è allineato con un autovettore destro di , allora:
con la traccia e il determinante di . Le radici sono gli autovalori di , ed hanno la forma:
Si nota che e , sicché se gli autovalori hanno segno opposto ed il punto fisso è un punto di sella. Se invece gli autovalori hanno lo stesso segno, e quindi se sono entrambi positivi (ed il punto è instabile) mentre se sono entrambi negativi (ed il punto è stabile).