系统运动的稳定性.pptx
1外部稳定性通过系统的输入-输出关系来描述系统的稳定性。内部稳定性通过零输入下的状态运动响应来描述系统的稳定性。描述稳定性有两种方法第1页/共54页2 在研究运动的内部稳定性时，为体现出系统自身结构的特点，常限于研究没有外部输入作用时的系统。也就是说内部稳定性表现为系统的零输入响应，即在输入恒为零时，系统的状态演变的趋势。李雅普诺夫稳定性理论是确定系统稳定性的更一般性理论，不仅适用于线性定常系统，而且适用于非线性、时变系统。第2页/共54页3 利用线性系统微分方程的解来判断系统稳定性。由于间接法需要解系统微分方程，并非易事，所以间接法的应用受到了很大的限制。李雅普诺夫第一法（间接法）先利用经验和技巧来构造李亚普诺夫函数，再利用李雅普诺夫函数来判断系统稳定性。直接法不需解系统微分方程，获得广泛应用。李雅普诺夫第二法（直接法）第3页/共54页4一 外部稳定性 对于一个因果系统，假定系统的初始条件为零，如果对应于一个有界的p维输入u(t)，所产生的q维输出y(t)也是有界的，则称此系统是外部稳定的。也称为有界输入-有界输出稳定(BIBO稳定)。外部稳定性和内部稳定性5.1第4页/共54页5 线性时变系统BIBO稳定判据：对于零初始条件的线性时变系统，G(t,)为其单位脉冲响应矩阵，则系统BIBO稳定的充要条件为：存在一个有限常数k，使对于一切 ，G(t,)的每一个元均满足如下关系式：第5页/共54页6 线性定常系统BIBO稳定判据：对于零初始条件的线性定常系统，G(t)为其单位脉冲响应矩阵，G(s)为其传递函数矩阵，则系统BIBO稳定的充要条件为：存在一个有限常数k，G(t)的每一个元 均满足如下关系式：或G(s)的所有极点均具有负实部。第6页/共54页7二 内部稳定性令外界输入u=0，初始状态任意，如果零输入响应满足下列关系式：则称该系统为内部稳定，或渐近稳定。第7页/共54页8 线性时变系统内部稳定判据：对n维连续时间线性时变自治系统，系统在时刻 是内部稳定的充要条件为：状态转移矩阵对所有 为有界,并满足渐近属性即成立：第8页/共54页9 线性时不变系统内部稳定判据：对n维连续时间线性时不变自治系统，系统是内部稳定的充要条件为：系统矩阵A所有特征值均具有负实部,即成立：第9页/共54页10三 线性定常系统内部稳定性和外部稳定性的关系两种稳定性有关系吗？外部稳定性内部稳定性既能控又能观时第10页/共54页115.2 李李雅雅普普诺诺夫夫意意义义下下运运动动稳稳定定性性的的基基本本概念概念1自治系统 没有外输入作用时的系统称为自治系统，可用如下系统状态方程来描述:式中：x为n维状态向量，f(x,t)为线性或非线性、定常或时变的n维函数。具体为n个一阶微分方程：第11页/共54页122.受扰运动 假定自治系统状态方程是满足解的存在且唯一性条件的，则可将系统由t0初始时刻的初始状态x0所引起的运动（即状态方程的解）表为：则初始状态x0必满足(t0;x0,t0)=x0。由于这一运动是由初始状态的扰动引起的，因此常称其为系统的受扰运动。第12页/共54页133.平衡状态()对于所有t，满足 的状态xe称为平衡状态。p若已知系统状态方程，令 所求得的解x，就是平衡状态。p在大多数情况下，xe=0即状态空间原点为系统的一个平衡状态。此外系统也可以有非零平衡状态。p系统运动的稳定性，就是研究其平衡状态的稳定性，也即偏离平衡状态的受扰运动能否依靠系统内部的结构因素而返回到平衡状态，或者限制在它的一个有限邻域内。第13页/共54页144 李雅普诺夫意义下的稳定性 假若对于任意实数 ，都存在一个实数 ，使得从满足下式的初始状态 出发的系统的所有解都满足不等式则称该系统的平衡态是李雅普诺夫意义下稳定的。为欧几里得范数，其几何意义是空间距离的尺度。第14页/共54页15 在上述稳定的定义中，实数通常与和初始时刻t0都有关，如果只依赖于，而和t0的选取无关，则称平衡状态是一致稳定的。该定义的几何含义是：设系统初始状态x0位于以平衡状态xe为球心、为半径的闭球域S()内，即若能使系统方程的解x(t;x0,t0)在t的过程中，都位于以xe为球心，任意规定的半径为的闭球域S()内，即则称平衡状态xe在李雅普诺夫意义下是稳定的。第15页/共54页165.渐近稳定性 若系统的平衡状态xe不仅具有李雅普诺夫意义下的稳定性，且有则称此平衡状态xe是渐近稳定的。p 经典控制理论中的稳定性定义与渐近稳定性对应。p 若与t0无关，且上式的极限过程与t0无关，则称平衡状态是一致渐近稳定的。p从工程观点而言，渐近稳定更为重要。渐近稳定即为工程意义下的稳定，而李雅普诺夫意义下的稳定则是工程意义下的临界不稳定。第16页/共54页176 大范围(全局)渐近稳定性 如果对于任意初始状态x0，都能保证成立，则称系统的平衡状态xe是大范围渐近稳定的，也称为全局渐近稳定。全 局 渐 近稳 定 系 统只 能 有 一个 平 衡 状态！7 不稳定性 如果对于某个实数0和任一实数0，不管多么大,也不管有多么小，在S()内总存在着一个状态x0，使得由这一状态出发的轨迹超出S()，则平衡状态xe就称为是不稳定的。第17页/共54页18xex0 x1x2xe 李雅普诺夫意义下稳定xex0 x1x2xe 渐近稳定xex0 x1x2xe 全局渐近稳定xex0 x1x2xe 不稳定第18页/共54页195.3 李雅普诺夫第二法的主要定理李雅普诺夫第二法的主要定理 李雅普诺夫第二法直接从系统的状态方程出发，通过构造一个类似于“能量”的李亚普诺夫函数，并分析它和其一阶导数的符号特征，从而获得系统稳定性的有关信息。该方法无需求出系统状态方程的解，故又称为直接法。第19页/共54页20一基本概念回顾 设实系数二次型f(x)=xTAx，其中A是实对称方阵，如果对任何不全是零的实数 ，简记为x0，函数值f(x)0，则称f是正定的，同时也称A是正定的，记为A 0。1正定矩阵：p 单位阵是正定的：p对角阵D=diagd1,dn正定的充要条件是所有对角元素di 0。这是因为 的充要条件是di 0。第20页/共54页21p A 0的充要条件是 存在可逆实方阵C，使A=CTC。A的所有特征值全都大于0。A顺序主子式(即位于左上角的主子式)全大于0，即第21页/共54页22 p 标量函数V(x)对所有S域（域S包含状态空间的原点）中的非零状态x有V(x)0且V(0)=0，则称V(x)在S域内是正定的。p如果时变函数V(x,t)有一个正定函数作为下限，也就是说，存在一个正定函数W(x)，使得则称时变函数V(x,t)在域S（域S包含状态空间的原点）内是正定的。2正定函数：第22页/共54页233.负定函数：如果-V(x)是正定函数，则标量函数V(x)为负定函数。4.正半定函数：如果标量函数V(x)除了原点及某些状态处等于零外，在域S内的所有其它状态都是正定的，则V(x)为正半定函数。5.负半定函数：如果-V(x)是正半定函数，则标量函数V(x)称为负半定函数。6.不定函数：如果不论域S多么小，在域S内的V(x)可能是负值也可能为正值，则标量函数V(x)称为不定函数。第23页/共54页24(1)V(x,t)正定且有界；(2)负定且有界；结论5.10：对于时变系统 ，如果则系统的原点平衡状态是大范围一致渐近稳定的。(3)当|x|时，V(x,t)。存在一个对状态x和时间t具有连续一阶偏导数标量函数V(x,t),V(0,t)=0，且满足如下条件：1 大范围一致渐近稳定判别定理(时变)李雅普诺夫第二法主要定理二第24页/共54页25(1)V(x)为正定；(2)为负定；对于定常系统 ，其平衡状态则系统的原点平衡状态是大范围渐近稳定的。(3)当|x|时，V(x)xe=0，如果存在一个具有连续一阶导数的标量函数V(x),V(0)=0，并且对于状态空间中的一切非零 x 满足如下条件：2 结论5.11（定常系统大范围渐近稳定判别定理1）稳定性第25页/共54页26例5.1：设系统状态方程为试确定系统的稳定性。解：显然,原点(x1=0,x2=0)是该系统唯一的平衡状态。选取正定标量函数为:则沿任意轨线V(x)对时间的导数为:是负定的。故V(x)是系统的一个李雅普诺夫函数。由于当 时，故系统在原点处的平衡状态是大范围渐近稳定的。第26页/共54页27(1)V(x)为正定；(2)为负半定；对于定常系统 ，其平衡状态则系统的原点平衡状态是大范围渐近稳定的。(4)当|x|时，V(x)xe=0，如果存在一个具有连续一阶导数的标量函数V(x),V(0)=0，并且对于状态空间中的一切非零 x 满足如下条件：3 结论5.12（定常系统大范围渐近稳定判别定理2）(3)对任意初始状态，第27页/共54页28设系统状态方程为例例5.2 设系统状态方程为设系统状态方程为 试确定系统的稳定性。第28页/共54页29 对于定常系统，如果存在一个具有连续一阶导数的标量函数V（x），其中V（x）=0，满足：则系统平衡状态为不稳定4.结论5.19不稳定判别定理(1)V(x)为正定；(2)为正定；第29页/共54页30其中，f(0)=0,即原点是系统唯一的平衡状态。非线性定常系统：三 李亚普诺夫函数的构造方法 -克拉索夫斯基方法系统的雅可比矩阵为：第30页/共54页31 定理1：对连续非线性定常系统和围绕原点平衡态的域，若 则有：其中第31页/共54页32 定理2(克拉索夫斯基)：对连续非线性定常系统和围绕原点平衡态的域，原点为域内唯一平衡态，若 则系统原点平衡态为域内渐近稳定平衡态。且 为一个李亚普诺夫函数。第32页/共54页33 定理3：对线性定常系统 ,A为非奇异矩阵，若 则系统原点平衡态为大范围渐近稳定平衡态。第33页/共54页34结论5.22/5.23特征值判据：考虑线性定常系统u系统的每一平衡态是李亚普诺夫意义下稳定的充要条件是：系统矩阵A的所有特征值均具有非正（负或零）实部，且具有零实部的特征值为A的最小多项式的单根；一 线性时不变系统的特征值稳定判据u系统的唯一平衡态 是渐近稳定的充要条件是：系统矩阵A的所有特征值均具有负实部。5.4 连续时间线性系统的状态运动稳定性判据第34页/共54页35 对于任意一个n阶方阵A，总存在一个多项式f(s)满足f(A)=0，这样的多项式称为A的一个化零多项式。由凯莱哈密尔顿定理可知任意一个方阵A都是它的特征方程：的根，即(A)=0,故矩阵A的特征多项式是A的一个化零多项式。方阵A的化零多项式不唯一，有无穷多个，在所有化零多项式中，次数最低且最高次幂项系数为1的多项式称为A的最小多项式。最小多项式最小多项式（补充）（补充）：第35页/共54页36定理：已知设m(s)为adj(sI-A)中所有元素的首1最大公约式,则 为矩阵A的最小多项式。注：换言之，矩阵A的最小多项式就是(sI-A)-1中所有元素的最小公分母。第36页/共54页37例（补充）：判断下述线性定常系统的稳定性解：1）系统矩阵A为奇异矩阵，故系统存在无穷多个平衡状态。系统的平衡状态为 ，其中x1和x2为任意实数，即状态空间中x1x2平面上的每一个点均为平衡状态。得特征值分别为：。2）解系统的特征方程零 实 部！第37页/共54页383）故最小多项式为f(s)=s(s+1)。系统所有特征值均具有非正实部，且具有零实部的特征值是最小多项式的单根，因此系统的每一个平衡状态都是李雅普诺夫意义下稳定的。第38页/共54页39例：判断下述线性定常系统的稳定性解：系统矩阵A为非奇异，显然原点 x=0 是系统的唯一平衡状态。得特征值分别为：系统的所有特征值都具有负实部，所以系统的唯一平衡状态xe=0是渐近稳定的。解系统的特征方程第39页/共54页40作为可能的李雅普诺夫函数。现在只需保证是负定的，则根据定常系统大范围渐近稳定判别定理1，可断定系统是大范围渐近稳定的。设线性定常系统为A为非奇异矩阵。故状态空间的原点是系统的唯一平衡状态。通常可选取正定二次型函数二 线性时不变系统的李亚普诺夫稳定判据第40页/共54页41欲使 是负定函数，即要求矩阵Q是任意正定矩阵。根据定常系统大范围渐近稳定判别定理1，只要给定一个正定矩阵Q，李雅普诺夫矩阵代数方程：有正定解P，系统就是大范围渐近稳定的。推导V(x)对时间导数满足要求的条件：令：李亚普诺夫矩阵代数方程第41页/共54页42结论结论5.24 线性定常系统线性定常系统的原点平衡状态 为渐近稳定的充分必要条件是，对于任意给定的一个正定对称矩阵Q，李雅普诺夫矩阵方程有唯一正定对称矩阵解P。注意：使用中常选取Q阵为单位阵或对角阵。第42页/共54页43例例（）设线性定常连续系统状态方程为设线性定常连续系统状态方程为解：令李雅普诺夫方程为试用李雅普诺夫方程判断系统的稳定性。则有：第43页/共54页44得到3个线性方程：由于 ，故P负定，则系统不是渐近稳定的。得到：第44页/共54页45 解得特征值为：有一个特征值具有正实部，故系统不稳定。为了对比，下面用李亚普诺夫间接法判断：A是非奇异矩阵，故xe=0是系统的唯一平衡状态，且第45页/共54页46 根据系统大范围渐近稳定判别定理2可以推知，若系统任意的状态轨迹在非零状态不存在 恒为零时，Q阵可选择为正半定的，即允许Q取单位阵时主对角线上部分元素为零，而解得的P阵仍应正定。第46页/共54页47例例:设系统为设系统为试用李雅普诺夫方程确定系统渐近稳定的k值。解：根据图中定义的状态变量，得到状态方程 x1 x2 x3 u-因detA=-k0，A非奇异，故原点是系统的唯一平衡状态。-第47页/共54页48 假定Q取为正半定矩阵则 为负半定。令 ，有 表明惟有原点使 ，故可以采用正半定Q来简化稳定性分析。第48页/共54页49 令李雅普诺夫方程：得到以下6个线性方程：第49页/共54页50P为正定矩阵的充要条件是：解得：解得 0 k 6，系统渐近稳定。第50页/共54页51 据劳斯判据，确定保证系统渐近稳定的k值范围：为了比较，用间接法判断：故0 k 6时，所有特征值均具有负实部，系统稳定。是系统的唯一平衡状态，且第51页/共54页52定理（补充）对于所选择的正半定矩阵Q，在A,Q完全可观测的条件下，即系统为渐近稳定的充分必要条件是，李雅普诺夫方程有唯一正定解P。第52页/共54页53例例:设系统为设系统为试用李雅普诺夫方程确定系统渐近稳定的k值。解：根据图中定义的状态变量，得到状态方程 x1 x2 x3 u-因detA=-k0，A非奇异，故原点是系统的唯一平衡状态。第53页/共54页54感谢您的观看！第54页/共54页
