Diferansiyel Denklemler · 5. Ünite: Laplace Dönüşümleri

Birim Basamak (Heaviside) ve Öteleme Teoremleri

Gerçek sistemlerde zorlama çoğu zaman düzgün bir formülle değil, anahtar açıp kapayarak, vana çevirerek ya da kısa bir darbe uygulayarak gelir. Birim basamak fonksiyonu (unit step function) bu tür parçalı girdileri tek bir ifadede toplar; ikinci öteleme teoremi de zamandaki gecikmeyi $e^{-cs}$ çarpanına dönüştürür. Bu konunun sonunda parçalı bir girdiyi $u_c(t)$ ile yazabilecek, dönüşümünü ve ters dönüşümünü alabilecek, süreksiz zorlamalı bir başlangıç değer problemini çözüp sönümlü sistemin basamak ve darbe yanıtında aşımı hesaplayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Süreksiz Zorlama

  2. Birim Basamak Fonksiyonu ve Parçalı Fonksiyonlar

  3. Dönüşümler ve İkinci Öteleme Teoremi

  4. Çözümlü Örnekler

  5. Süreksiz Zorlamalı Başlangıç Değer Problemi

  6. Basamak ve Darbe Yanıtı, Aşım ve Periyodik Girdiye Giriş

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  8. Özet ve Simülasyonda Dene

Anahtar terimler

Birim basamak fonksiyonu (Heaviside)
$t<c$ için $0$, $t\ge c$ için $1$ olan $u_c(t)$; $t=c$ anında açılan bir anahtar gibi parçalı girdileri kodlar.
Kutu darbe (rectangular pulse)
$a\le t<b$ aralığında $1$, dışında $0$ olan $u_a(t)-u_b(t)$ girdisi.
Rampa girdisi (ramp)
Belirli bir sürede doğrusal yükselip sabit değere ulaşan, $(t-c)u_c-(t-c-w)u_{c+w}$ biçimindeki girdi.
İkinci öteleme teoremi
$\mathcal{L}\{u_c(t)f(t-c)\}=e^{-cs}F(s)$: zamandaki gecikme $s$-uzayında $e^{-cs}$ çarpanı olur.
Birinci öteleme teoremi
$\mathcal{L}\{e^{at}f(t)\}=F(s-a)$: üstel çarpan $s$-argümanını kaydırır.
Parçalı sürekli (piecewise continuous)
Sonlu sayıda sonlu sıçrama dışında sürekli olan ve Laplace dönüşümü alınabilen girdi.
Basamak yanıtı (step response)
Başlangıçta durgun sistemin $u_c(t)$ girdisine verdiği tepki; $q(t-c)u_c(t)$ biçimindedir.
Aşım (overshoot)
$y_{\max}/y_\infty-1$; zayıf sönümlü sistemde $e^{-\pi\zeta/\sqrt{1-\zeta^2}}$.
Sönüm oranı $\zeta$
$b/(2\omega_0)$; $0$ sönümsüz, $1$ kritik sönüm, $>1$ aşırı sönüm.

Örnek soru

$c=3$ için birim basamak fonksiyonunun Laplace dönüşümü $\mathcal{L}\{u_3(t)\}$ aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $\dfrac{e^{3s}}{s}$
  2. $\dfrac{e^{-3s}}{s}$
  3. $\dfrac{1}{s-3}$
  4. $\dfrac{e^{-3s}}{s^2}$
  5. $\dfrac{1}{s}$

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Tanımdan: $\mathcal{L}\{u_3(t)\}=\int_3^{\infty}e^{-st}\,dt$, çünkü $t<3$ için integrand sıfırdır.
2. İntegral: $\left[-\dfrac{e^{-st}}{s}\right]_3^{\infty}=\dfrac{e^{-3s}}{s}$ (için $s>0$).
Doğru cevap B.
Çeldiriciler: A üs işaretini ters alır ($e^{+cs}$ büyür, dönüşüm olamaz); C, $e^{3t}$'nin dönüşümüyle karıştırır; D rampanın $(t-3)u_3(t)$ dönüşümüdür; E gecikmeyi tamamen yok sayar ($u_0=1$'in dönüşümü).

Diferansiyel Denklemler: tüm konular