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* * 四、线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 (一) 引言 利用李雅普诺夫第二法对线性系统进行分析,有如下几个特点: (1) 都是充要条件,而非仅充分条件; (2) 渐近稳定性等价于李雅普诺夫方程的存在性; (3)渐近稳定时,必存在二次型李雅普诺夫函数 及 ; (4) 对于线性自治系统,当系统矩阵A非奇异时,仅有唯一平衡点,即 原点; (5) 渐近稳定就是大范围渐近稳定,两者完全等价。 (二) 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 考虑如下线性定常自治系统 式中, 。假设A为非奇异矩阵,则有唯一的平衡状态 ,其平衡状态的稳定性很容易通过李雅普诺夫第二法进行研究。 (9-186) 对于式(9-186)的系统,选取如下二次型李雅普诺夫函数,即 式中P为正定的实对称矩阵 沿任一轨迹的时间导数为 由于 取为正定,对于渐近稳定性,要求 为负定的,因此 必须有 式中, 为正定矩阵。 因此,对于式(9-186)的系统,其渐近稳定的充分条件是Q正定。为了判断n?n维矩阵的正定性,可采用赛尔维斯特准则,即矩阵为正定的充要条件是矩阵的所有主子行列式均为正值。 定理9-9 线性定常系统 在平衡点 处渐近稳定的充要条件是:对于 , ,满足如下李雅普诺夫方程 这里P、Q均为实对称矩阵。此时,李雅普诺夫函数为 现对该定理作以下几点说明: (1)如果 沿任一条轨迹不恒等于零,则Q可取正半定 矩阵。 (2) 如果取任意的正定矩阵Q,或者如果 沿任一轨迹不恒等于零时取任意的正半定矩阵Q,并求解矩阵方程 以确定P,则对于在平衡点 处的渐近稳定性,P为正定是充要条件。 (4) 只要选择的矩阵Q为正定的(或根据情况选为正半定的),则最终的判定结果将与矩阵Q的不同选择无关。通常取Q=I。 【例9-35】 设二阶线性定常系统的状态方程为 显然,平衡状态是原点。试确定该系统的稳定性。 [解] 不妨取李雅普诺夫函数为 此时实对称矩阵P可由下式确定 上式可写为 将矩阵方程展开,可得联立方程组为 从方程组中解出 、 、 ,可得 为了检验P的正定性,我们来校核各主子行列式 显然,P是正定的。因此,在原点处的平衡状态是大范围渐近稳定的,且李雅普诺夫函数为 且 【例9-36】 试确定如图9-27所示系统的增益K的稳定范围。 [解] 容易推得系统的状态方程为 图9-27 控制系统框图 在确定K的稳定范围时,假设输入u为零。于是上式可写为 由式(9-187)到(9-189)可发现,原点是平衡状态。假设取正半定的实对称矩阵Q为 (9-187) (9-188) (9-189) (9-190) 由于除原点外 (x)=-xTQx不恒等于零,因此可选上式的Q。为了证实这一点,注意 取 恒等于零,意味着也恒等于零。如果恒等于零,也必恒等于零,因为由式(9-189)可得 如果 恒等于零, 也恒等于零。因为由式(9-187)可得 于是 (x)只在原点处才恒等于零。因此,为了分析稳定性,可采用由式(9-190)定义的矩阵Q。 *
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