李雅普诺夫方法课件.pptVIP

第三章动态系统的稳定性及李雅普诺夫分析方法 §1 稳定性基本概念一、外部稳定性与内部稳定性1．外部稳定性考虑一个线性因果系统,在零初始条件下,如果对应于任意有界输入的输出均为有界，则称该系统是外部稳定的。系统的外部稳定性也称有界输入－有界输出（BIBO）稳定性。对于线性定常连续系统，外部稳定的充要条件是系统传递函数的全部极点具有负实部。 2．内部稳定性考虑输入量为零时的线性系统如果由非零初始状引起的系统自由运动 有界，即：并满足渐近属性，即，则称该系统是内部稳定的。它表达了在外界扰动消失后，系统由初始偏差状态恢复到原平衡状态的能力。它更深刻地揭示出系统稳定性的本质属性。二种描述都反映了稳定性的系统结构属性，在一定的条件下它们是完全等价的。内部稳定性理论主要由李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）建立，提出了分析系统稳定性的李亚普诺夫第一法和李亚普诺夫第二法， 二、李亚普诺夫稳定性基本概念（一） 系统运动及平衡状态1．自治系统自治系统是指不受任何外界影响即没有输入作用的动态系统。线性系统：2．受扰运动将自治系在初始状条件下的解称为受扰运动。就是系统的零输入响应。通常表示为。 3. 平衡状态如果存在 ，对所有的t有系统的平衡状态。成立，称状态 为上述通常情况下，一个自治系统的平衡状态不是唯一的。而对于线性定常连续系统的平衡状态有：①若A非奇异，②若A奇异，唯一的平衡状态平衡状态,非唯一对非线性系统，一般有多个平衡状态。如果平衡状态在状态空间中是彼此孤立的，则为孤立平衡状态。任何一个孤立的平衡状态都可以通过坐标系移动转换成零平衡状态，所 以 零平衡状的稳定性具有普遍意义。 （二）稳定性定义1. 稳定设 为系统的一个平衡状态，如果对任意给定的一个实数都对应地存在另一实数 ，使得由满足式子，的任一初始状出发的受扰运动都满足称平衡状是稳定的。可以将下式看成为状态空间中以 为球心，以 为半径的一个超；把上式视为以 为球心，以 为半径的一个。球域 依赖于给定的实数 和初始时间 。球体，球域记为超球体，球域记为 平衡状是稳定的几何解释：从球域都不超越球域内任一点出发的运动。对所有的一个二维状态空间中零平衡状态 是稳定的几何解释如右图 。如果 与 无关，称为是一致稳定，定常系统是一致稳定的。上述稳定保证了系统受扰运动的有界性，通常将它称为李雅普诺夫意义下的稳定，以区别于工程意义的稳定。 2. 渐近稳定不仅具有Lyapunov意义下的稳定，并且渐近性则称平衡状态 为渐近稳定。几何解释：从球域 内任一点出发的运动超越球域最终收敛于平衡状态 。对所有的，而且当不仅不时，二维状态空间中零平衡状态为渐近稳定的几何解释如右图。 若 与 无关，则为一致渐近稳定。定常系统是一致渐近稳定的。若 ，则为全局渐近稳定。不管初始值偏离平衡点多大，（状态空间中任意点）都具有渐近稳定特性。状态空间中只能有一个平衡点。满足上面两点的为全局一致渐近稳定。近定的球域 只是状态空间中的有限部分，这时称平衡状态 为局部渐近稳定，并且称 为渐近稳定吸引区，表示只有从该区域出发的受扰运动才能被“吸引”至平衡状态 。线性系统若是渐近稳定（且A非奇异），必为全局渐近稳定。非线性系统一般只能是小范围渐近稳定。渐近稳定等同于工程上稳定的概念。有界性，渐近性 3. 不稳定无论 取得多么小，也无论 取得多么大，在球域内 总存在非越出球域 ，则称平零点 ，使得由 出发的运动轨迹衡状态 为不稳定。二维状态空间中零平衡状态为不稳定的几何解释如右图。对于非线性系统，也有可能趋于以外的某个平衡点或某个极限环。 单摆是Lyapunov意义下稳定或渐近稳定的例子。 §2 李雅普诺夫稳定性分析方法一、李雅普诺夫第一法又称间接法，通过系统状态方程的解来分析系统的稳定性，比较适用于线性系统和可线性化的非线性系统。1．线性系统情况性定常平衡状为渐近稳定的充要条件是系统矩阵A的所有特征值都具有负实部。性定常离散系平 衡 状渐近稳定的充要条件是系统矩阵 的所有特征值的模都小于1。与经典控制理论的各种判据一致2．非线性系统情况对于非本质性的非线性系统，可以在一定条件下用它的近似线性化模型来研究它在平衡点的稳定性。 非线性自治系统：为n维非线性向量函数，并对各状态变量连续可微。是系统的一个平衡点。高阶导数项之和 按在邻域研究平衡点 的稳定性。即：1）A的所有特征值具有负实部，则非线性系统在渐近稳定；2）A的特征值中至少有一个具有正实部，非线性系统在不稳定；3) A的特征值的实部有一部分为0，其它均具负实部，非线性系统的稳定性不能得出明确结论，而取决于 的高阶导数在项。一般可通过其它方法（如找合适的Lyapunov函数)确定其稳定性。李雅普诺夫第一法需要求出系统的全部特征值，这对于高阶系统存在一定的困难，经典控制理论中针对线性定常