控制系统的稳定性精.ppt

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1、控制系统的稳定性第1页，本讲稿共102页在本章中，对于实际非线性系统的稳定性分析仅限于几在本章中，对于实际非线性系统的稳定性分析仅限于几种简单的情况。种简单的情况。4.3 Lyapunov稳定性分析稳定性分析4.2 Lyapunov稳定性理论稳定性理论4.1 概述概述本章结构如下本章结构如下4.4 非线性系统的稳定性分析非线性系统的稳定性分析第2页，本讲稿共102页 线性定常系统的稳定性分析方法很多。然而，对于非线性系统线性定常系统的稳定性分析方法很多。然而，对于非线性系统和线性时变系统，这些稳定性分析方法实现起来可能非常困难，甚和线性时变系统，这些稳定性分析方法实现起来可能非常困难，甚至不可

2、能。至不可能。Lyapunov稳定性分析是解决非线性系统稳定性问题的一般稳定性分析是解决非线性系统稳定性问题的一般方法。方法。4.1 概述概述Lyapunov提出了两类解决稳定性问题的方法，即Lyapunov第一法和Lyapunov第二法。第二法则是一种定性方法 它无需求解困难的非线性微分方程，转而构造一个 Lyapunov函数，研究其正定性及其对时间沿系统方程解 的全导数的负定或半负定，得到稳定性结论。第一法通过求解微分方程的解来分析运动稳定性，即通过分析非线性系统线性化方程特征值分布来判别原非 线性系统的稳定性；第3页，本讲稿共102页4.2 Lyapunov意义下的稳定性问题意义下的稳定

3、性问题则称则称 为系统的平衡状态或平衡点。为系统的平衡状态或平衡点。假设在给定初始条件下，上式有唯一解 且当 时，。于是式中 为 维状态向量，是变量 ,和t的n维向量函数。考虑如下非线性系统4.2.1 平衡状态平衡状态在上式的系统中，总存在,对所有t当A为奇异矩阵时，系统将存在无穷多个平衡状态。如果系统是线性定常的，也就是说 则当A为非奇异矩阵时，系统存在一个唯一的平衡状态第4页，本讲稿共102页对于非线性系统，则有一个或多个平衡状态，这些状态对应于系统的常值解（对所有t，总存在 ）。其平衡状态有：非线性系统非线性系统注意：由于非零平衡点可以通过坐标变换将其移到状态空间注意：由于非零平衡点可以

4、通过坐标变换将其移到状态空间 的坐标原点，本章讨论的坐标原点，本章讨论关于原点处之平衡状态的稳关于原点处之平衡状态的稳 定性问题。定性问题。稳定性是相对于平衡点而言的稳定性是相对于平衡点而言的第5页，本讲稿共102页4.2.2 预备知识预备知识1.1.范数的概念范数的概念定义：n 维状态空间中，向量X 的长度称为向量X 的范数，用符号X表示，则有向量的距离：n 维状态空间中，X-Xe 称为向量X与Xe 的距离，表示为域：n 维状态空间中，当X-Xe 限定在某一范围之内时，即 ，记 为X-Xe 的一个域。第6页，本讲稿共102页域的几何意义：表示为n 维状态空间中以 Xe为中心，为半径的一个球域

5、，记为S()。例4.0：设有如下两个向量，分别求相应的范数及向量的距离。第7页，本讲稿共102页 建立在Lyapunov第二法基础上的稳定性分析中，有一类函数起着很重要的作用，即二次型函数,每项的次数都是二次。注意，注意，这里的这里的 为实向量，为实向量，为实对称矩阵。为实对称矩阵。例如例如2、二次型函数、二次型函数第8页，本讲稿共102页3、标量函数的正定性、标量函数的正定性 如如果果对对所所有有在在域域 中中的的非非零零状状态态 ，有有 ，且且在在 处处有有 ，则则在在域域（域域 包包含含状状态态空空间间的的原原点点）内的标量函数内的标量函数 称为正定函数。称为正定函数。4、标量函数的负定

6、性、标量函数的负定性则称 是半正定（非负定）的。是负定的5、标量函数的正半定、标量函数的正半定性性6、标标量函数的负半定性量函数的负半定性是半负定（非正定）的是不定的7、标标量函数的不定性量函数的不定性第9页，本讲稿共102页例4.1 本例假设本例假设x x为二维向量。为二维向量。正定的正定的5 54 4不定的不定的负定的负定的3 32 2正半定的正半定的正定的正定的1 1二次型可用二次型可用赛尔维斯特准则赛尔维斯特准则判断。（矩阵判断。（矩阵P P为实对称矩阵。）为实对称矩阵。）以下均为充要条件以下均为充要条件(1)(1)二次型为正定的充要条件是矩阵二次型为正定的充要条件是矩阵P P 的所有

7、主子行列的所有主子行列 式均为正值，式均为正值，第10页，本讲稿共102页(2)若 ，则P负定；例4.2 试证明下列二次型是正定的。(1)(1)P P 的所有主子行列式均为正值，的所有主子行列式均为正值，(3)若 ，则P正半定（非负定）；(4)若 ，则P半负定（非正定）；第11页，本讲稿共102页例4.2 试证明下列二次型是正定的。解解 二次型二次型 可写为可写为利用赛尔维斯特准则，可得利用赛尔维斯特准则，可得因为矩阵因为矩阵P P的所有主子行列式均为正值，所以的所有主子行列式均为正值，所以 是正定的。是正定的。第12页，本讲稿共102页如果系统 对任意选定的实数 ，都对应存在实数 ，使当 时

8、，从任意初态 出发的解都满足则称平衡状态则称平衡状态 是是Lyapunov意义下稳定的。意义下稳定的。其中，实数其中，实数 与与 有关，一般也与有关，一般也与 有关。有关。如果如果 与与 无关，则称这种无关，则称这种平衡状态是一致稳定的平衡状态是一致稳定的。4.2.3 Lyapunov意义下的稳定性定义意义下的稳定性定义1、Lyapunov意义下的稳定第13页，本讲稿共102页x0如果系统 对任意选定的实数 ，都对应存在实数 ，使当 时，从任意初态 出发的解都满足第14页，本讲稿共102页第15页，本讲稿共102页2、渐近稳定、渐近稳定，而且最终收敛于 ，如果平衡状态 是稳定的，而且当t无限增

9、长时，则称这种平衡状态 是渐近稳定的。即有：轨线不仅不超出第16页，本讲稿共102页第17页，本讲稿共102页其必要条件是整个状态空间只有一个平衡点。线性系统：渐近稳定 大范围渐近稳定非线性系统：一般较小，小范围渐近稳定。3、大范围渐近稳定、大范围渐近稳定如果平衡状态是渐近稳定的，则 为大范围渐近稳定的，且渐近稳定的最大范围是整个状态空间，稳定范围：不管如何给定，相应的总不能超过某稳定范围：不管如何给定，相应的总不能超过某一个正数，则称一个正数，则称 为稳定范围，如果选得任意大，为稳定范围，如果选得任意大，使得，则称该运动是大范围稳定的。使得，则称该运动是大范围稳定的。第18页，本讲稿共102

10、页则称 为不稳定。，不管 多么小，如果对于某个实数 和任一实数由 出发的状态轨线，至少有一条轨线越过 4、不稳定、不稳定第19页，本讲稿共102页4.3 Lyapunov稳定性理论稳定性理论4.3.1 李雅普诺夫第二法李雅普诺夫第二法1 李雅普诺夫函数李雅普诺夫函数如果系统被激励，其能量不仅随着时间推移逐渐衰减，且到达平衡状态时，能量衰减到最小，这个平衡状态是渐近稳定的。反之，如果系统被激励，还不断从外界吸收能量，储能越来越 大，那么这个平衡状态就是不稳定的。如果系统被激励后，储能既不增加，也不消耗，这个平衡状态是李亚普诺夫意义下的稳定。李雅普诺夫第二法又称直接法，其基本思路是通过一个是通过一

11、个 标量函数（称为李氏函数）标量函数（称为李氏函数）对系统的平衡状态的稳定性 作出判断。李氏函数一般是状态分量 和时间 t 的标量 函数，用 表示，若与t无关，可用 表示。第20页，本讲稿共102页图4.4 曲面小球系统 小球小球B受扰动作用后，偏离受扰动作用后，偏离平衡点平衡点A到达状态到达状态C或状态或状态D(b)图中 渐近稳定性是局部的(c)图中平衡状态是不稳定的 (a)图中曲面光滑，李雅普诺夫稳定曲面有摩擦，渐近稳定实际系统有复杂性和多样性，实际系统有复杂性和多样性，难以直接找到一能量函数来难以直接找到一能量函数来描述系统的能量关系描述系统的能量关系 第21页，本讲稿共102页直观定义

12、：直观定义：定义正定有界，不妨可以看成一种定义正定有界，不妨可以看成一种“能量能量”不能等同于能量，且随着系统的不同不能等同于能量，且随着系统的不同的含义与形式不同，判断系统的稳定性，得寻找的含义与形式不同，判断系统的稳定性，得寻找一个满足的李氏函数。对于简单系统，把李亚普一个满足的李氏函数。对于简单系统，把李亚普洛夫函数取为系统的二次型函数；对于比较复杂洛夫函数取为系统的二次型函数；对于比较复杂系统，其李氏函数的构造尚无一般方法，只能根系统，其李氏函数的构造尚无一般方法，只能根据研究者的经验而试选，且实际表明李亚普洛夫据研究者的经验而试选，且实际表明李亚普洛夫函数远比二次型要复杂得多。函数远

13、比二次型要复杂得多。则为相应能量随时间的变化率。从物理上的意义则为相应能量随时间的变化率。从物理上的意义上来说，能量有限，若能量的变化率是负的，即上来说，能量有限，若能量的变化率是负的，即系统所有运动有界，并最终回到平衡点。系统所有运动有界，并最终回到平衡点。第22页，本讲稿共102页李李亚亚普普诺诺夫函数夫函数 由于李亚普诺夫函数的寻找主要靠试探，需要一定的经验和技巧，这就使得李亚普诺夫第二法的推广应用曾经受到严重的阻碍。2 李雅普诺夫第二法李雅普诺夫第二法平衡状态为 ，设系统的状态方程为 ，如果存在一个标量函数V（X），它满足：（1）V（X）对所有X都具有连续的一阶偏导数；（2）V（X）是

14、正定的对于一个给定系统，如果能找到一个正定的标量函数而连续，反映能量的变化，反映能量的分布，为为李李亚亚普普诺诺夫函数夫函数。第23页，本讲稿共102页则则 为大范围一致渐进稳定。为大范围一致渐进稳定。则则 为一致渐进稳定；为一致渐进稳定；A 为负定，为负定，（3）V（X）对时间的导数：分别满足以下条件2 李雅普诺夫第二法李雅普诺夫第二法（1）V（X）对所有X都具有连续的一阶偏导数；（2）V（X）是正定的平衡状态为 ，设系统的状态方程为 如果存在它满足：一个标量函数V（X），时，时，若当若当大范围一致渐进稳定的第一种充分条件：大范围一致渐进稳定的第一种充分条件：第24页，本讲稿共102页几点说

15、明：几点说明：1、物理意义、物理意义构造的能量函数突出两个特点：其一物理系统能量构造的能量函数突出两个特点：其一物理系统能量正值，其二能量不停消耗，能量耗尽回到平衡点；正值，其二能量不停消耗，能量耗尽回到平衡点；2、几何意义、几何意义C1C2C3第25页，本讲稿共102页3、特别说明：、特别说明：该定理给出了渐近稳定的该定理给出了渐近稳定的充分条件充分条件，即如果能找到，即如果能找到满足定理条件的满足定理条件的V（x），则系统一致渐近稳定；），则系统一致渐近稳定；但如果找不到函数但如果找不到函数V(x)，并不意味着系统不稳定，并不意味着系统不稳定，何况对于复杂系统，要想找到一个李氏函数是很何况

16、对于复杂系统，要想找到一个李氏函数是很有难度的。有难度的。例例4.34.3 考虑如下非线性系统考虑如下非线性系统试确定其稳定性。试确定其稳定性。第26页，本讲稿共102页显然原点（显然原点（，）是唯一的平衡状态。）是唯一的平衡状态。定义一个正定标量函数定义一个正定标量函数V(x),),V(x)是负定的，V(x)是Lyapunov函数。由于 随着 而变为无穷，该系统在原点处的平衡状态是大范围渐近稳定的。例例4.34.3 考虑如下非线性系统考虑如下非线性系统 试确定其稳定性。试确定其稳定性。解解:第27页，本讲稿共102页可逆分块矩阵可逆分块矩阵A的求逆公式：的求逆公式：第28页，本讲稿共102页

17、用李亚普洛夫第二方法证明系统用李亚普洛夫第二方法证明系统当当a a1 10,a0,a2 20,0,原点是大范围内渐近稳定的平衡态。原点是大范围内渐近稳定的平衡态。课堂作业课堂作业第29页，本讲稿共102页则则 为大范围渐进稳定。为大范围渐进稳定。则则 为渐近稳定；为渐近稳定；B虽然虽然 为半负定，为半负定，对对 ，若当若当 时，时，来说，除去来说，除去 外，外，但对任意初始状态但对任意初始状态不恒为零，不恒为零，（3）V（X）对时间的导数：分别满足以下条件2 李雅普诺夫第二法李雅普诺夫第二法（1）V（X）对所有X都具有连续的一阶偏导数；（2）V（X）是正定的平衡状态为 ，设系统的状态方程为 如

18、果存在它满足：一个标量函数V（X），大范围一致渐进稳定的第二种充分条件：大范围一致渐进稳定的第二种充分条件：第30页，本讲稿共102页系统轨迹将在某个曲面上，而不能收敛于原点，因此不是渐近稳定。则此时 ，（1），（2）不恒等于0，则说明轨迹在 某个时刻与曲面相交，但仍会收敛于原点，所以 是渐近稳定。说明：说明：第31页，本讲稿共102页例例4.44.4 考虑如下非线性系统考虑如下非线性系统试确定其稳定性试确定其稳定性1 1）确定系统平衡态）确定系统平衡态是系统的唯一平衡状态是系统的唯一平衡状态2 2）定义一个李雅普洛夫函数）定义一个李雅普洛夫函数V(x),),第32页，本讲稿共102页第33页

19、，本讲稿共102页不稳定不稳定 李雅普诺夫意义下的稳定李雅普诺夫意义下的稳定 渐近稳定渐近稳定第34页，本讲稿共102页例4.5 给定连续时间的定常系统 判定其稳定性。解:系统的唯一平衡状态为 。且有：现取(i)为正定；(ii)第35页，本讲稿共102页可以看出，除以下情况(a)任意，(b)任意，(iii)检查是否 以外，均有 。为半负定考察(a)：是否为系统的扰动解，由于 可导出 ，将此代入系统的方程得到这表明，除点（）外，不是系统的扰动解。第36页，本讲稿共102页考察(b):,则则 可导出可导出 将此代入系统方程矛盾矛盾不是系统的扰动解。(iV)(iV)当当 ，显然有，显然有综上，系统在

20、原点平衡状态大范围渐近稳定。综上，系统在原点平衡状态大范围渐近稳定。第37页，本讲稿共102页例例4-6 已知线性系统的状态方程，是用李氏第二法判断其稳定性。将矩阵形式的状态方程展开得到：取标量函数故原系统不稳定。故原系统不稳定。解：线性系统 ，故 是其唯一平衡点。第38页，本讲稿共102页（3）V（X）对时间的导数：分别满足以下条件2 李雅普诺夫第二法李雅普诺夫第二法（1）V（X）对所有X都具有连续的一阶偏导数；（2）V（X）是正定的平衡状态为 ，设系统的状态方程为 如果存在它满足：一个标量函数V（X），C则 是不稳定的，此为不稳定判据。为正定，不恒为零，则系统不稳定若 为正半定，对X0，系

21、统不稳定的充分条件：第39页，本讲稿共102页注意：Lyapunov第二法给出的是充分条件，而不是必要条件(1)这里仅给出了充分条件，如果能找到满足判据条件的Lyapunov函数V(x,t)便能对系统的稳定性做出肯定的结论。但如果找不到这样的Lyapunov函数，并不能给出任何结论，不能据此说该系统是不稳定的。(2)对于渐近稳定的平衡状态，则Lyapunov函数必存在。(4)对于非线性系统，通过构造某个具体的Lyapunov函数，可以证明系统在某个稳定域内是渐近稳定的，但这并不意味着稳定域外的运动是不稳定的。对于线性系统，如果存在渐近稳定的平衡状态，则它必定是大范围渐近稳定的。(3)这里给出的

22、稳定性定理，既适合于线性系统、非线性系统，也适合于定常系统、时变系统，具有极其一般的普遍意义。第40页，本讲稿共102页（1）是正定的标量函数；（2）并不是对所有的系统都能找到 来证明该系统稳定或者不稳定；（3）如果存在，一般是非唯一的，但关于稳定性的结论是一致的；（5）只是提供平衡点附近的运动情况，丝毫不能反映域外运动的任何信息；（6）构造 需要一定的技巧。（4）最简单的形式是二次型 ；强调：对李氏函数的讨论强调：对李氏函数的讨论第41页，本讲稿共102页对于式(4.3)的系统，选取如下二次型Lyapunov函数，即4.4 线性定常系统的线性定常系统的Lyapunov稳定性分析稳定性分析假设

23、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Lyapunov第二法进行研究。考虑如下线性定常自治系统(4.3)(4.3)式中 。线性定常系统渐近稳定的充要条件：线性定常系统渐近稳定的充要条件：式中P为正定对称矩阵（如果 是实向量，且A是实矩阵，则P可取为正定的实对称矩阵），存在也为正定对称矩阵。第42页，本讲稿共102页沿任一轨迹的时间导数为充分性证明：为李氏函数，P为正定对称矩阵，V（X）正定。由于 取为正定，对于渐近稳定性，要求为负定的，而有：且 Q正定知系统渐近稳定。必要性略第43页，本讲稿共102页现对该定理作以下几点说明：现对该定理作以下几点说明：以确定P，则对

24、于在平衡点 处的渐近(3)如果取任意的正定对称矩阵Q，或如果 沿任一轨迹不恒等于零时取任意的正半定矩阵正半定矩阵Q，并求解矩阵方程稳定性，P为正定对称是充要条件。（4）正定对称矩阵Q，通常取QI，以方便计算；Q可取半正定，即可取 计算更简单。实际运用中，若有则可以取Q为半正定。（1）一般先取正定对称矩阵一般先取正定对称矩阵Q，带入李氏方程，求出，带入李氏方程，求出P，判别判别P的正定对称性的正定对称性，从而判断系统的稳定性；，从而判断系统的稳定性；（2）通常取QI，以方便计算。第44页，本讲稿共102页此时实对称矩阵P可由下式确定解 不妨取Lyapunov函数 显然，平衡状态是原点。试确定该系

25、统的稳定性。例4.6 设二阶线性定常系统的状态方程为将矩阵方程展开，可得联立方程组为第45页，本讲稿共102页从方程组中解出 、，可得为了检验P的正定性，可校核各主子行列式 显然，P是正定的。原点处的平衡状态是渐近稳定的，且Lyapunov函数为 此时此时第46页，本讲稿共102页例4.7 试确定如图4.3所示系统的增益K的稳定范围。解 容易确定系统的状态方程为在确定K的稳定范围时，假设输入u为零。于是上式可写为第47页，本讲稿共102页 对P的各元素求解P成为正定矩阵和或或第48页，本讲稿共102页线性时变连续系统的线性时变连续系统的Lyapunov稳定性分析稳定性分析系统在平衡状态 ，大范

26、围渐近稳定的充要条件：对于任意给定的连续对称正定矩阵Q(t)，存在一个连续的对称正定矩阵P(t)。式中 。考虑如下线性时变连续系统时变连续系统是系统的李氏函数。第49页，本讲稿共102页证明：为李氏函数，P为正定对称矩阵，V（X）正定。取Q(t)=Q=I第50页，本讲稿共102页2 线性定常离散系统李亚普诺夫稳定性分析线性定常离散系统李亚普诺夫稳定性分析定理定理4-10：设线性定常离散系统为 x(k+1)=G x(k),x e=0式中：xn维状态向量 Gn*n常系数非奇异矩阵并且v(x)=x T(k)P x(k)是这个系统的李氏函数则系统在平衡点处x e=0大范围渐近稳定的充要条件是：对任意给

27、定的正定对称矩阵Q，存在一个正定对称矩阵P，且满足如下矩阵方程：G T P G P =-Q第51页，本讲稿共102页李氏方法判断系统稳定的一般步骤：李氏方法判断系统稳定的一般步骤：1、确定系统的平衡状态；2、选定正定对称矩阵Q，一般选Q=I，则矩阵方程为 G T P G P=I 由此解出P；3、判断P的正定性，若P正定，系统大范围渐近稳定，且 v(x)=x T(k)P x(k)是这个系统李氏函数。第52页，本讲稿共102页例：例：设离散系统的状态方程为 试确定系统在平衡点处渐近稳定的条件。解：解：选 Q=I，代入矩阵方程 G T P G P=I第53页，本讲稿共102页要使P正定对称矩阵，则要

28、求要求特征根位于单位圆内，与经典理论判定一致。第54页，本讲稿共102页例：例：设离散系统的状态方程为 试确定系统在平衡点处渐近稳定的条件。解：解：选 Q=I，代入矩阵方程 G T P G P=I第55页，本讲稿共102页第56页，本讲稿共102页对于线性定常系统，利用李亚普诺夫判据不但可以判断其原点平衡状态是否为渐近稳定，而且还可以对其自由运动趋向原点平衡状态的收敛快慢作出估计。4.5 用李亚普若夫函数估算系统动态性能用李亚普若夫函数估算系统动态性能4.5.1 衰减系数衰减系数考察线性定常自治系统 ，来表征系统自由运动的衰减性能，称为系统接近于平衡状态时的快速性指标衰减系数。当系统为渐近稳定

29、时，正定，而 为负定，因此引入如下定义的一个正实数系统的李雅普诺夫函数是系统状态的正定函数，是系统某种“能量”的度量，而 则为“能量”随时间的变化速率。第57页，本讲稿共102页一般来说，直接难以直接进行估计，一般取由此得出对(4.9)式两边积分得到 第58页，本讲稿共102页对线性定常系统，可以定出对线性定常系统，可以定出 随时间随时间 的衰减上界。的衰减上界。一旦定出一旦定出 ，则可定出，则可定出 随时间随时间 衰减上界。衰减上界。4.5.2 计算计算 的关系式的关系式的解阵P存在唯一且为正定。当系统为渐近稳定，对任意给定正定对称阵Q，李雅普诺夫方程其中 表示 的最小特征值。结论：对线性定

30、常系统,设正定对称矩阵成立：第59页，本讲稿共102页例4.6 设二阶线性定常系统的状态方程为求系统的Lyapunov函数，并求从封闭曲线v(x)=100边界上的一点到封闭曲线v(x)=0.05内一点的响应时间上限。解:显然，平衡状态是原点。不妨取Lyapunov函数 实对称矩阵P可由下式确定上式可写为第60页，本讲稿共102页将矩阵方程展开，可得联立方程组为从方程组中解出 、，可得各主子行列式均大于零,P是正定性的。第61页，本讲稿共102页第62页，本讲稿共102页基本思路是：1）将非线性系统线性化2）计算线性化方程的特征值3）根据线性化方程特征值判定原非线性系统的稳定性。将非线性函数 在

31、平衡状态 处附近展成Taylor级数，则有或写成设非线性系统的状态方程为4.6 Lyapunov第一法第一法 4.6.1 线性化法线性化法第63页，本讲稿共102页式中 为常数，(i,j=1,2,)为一次项系数，且 为余数，即所有高次项之和。由于 ，故线性化方程为为Jacobian矩阵。其中第64页，本讲稿共102页 现在我们把问题的范围缩小，只考虑 的稳定性问题，并提出在什么条件下，可用线性化系统代替原非线性系统？然而这样做是否正确？我们知道，线性(化)系统与非线性系统具有根本的区别，关于线性化系统的解和有关结论是不能随意推广到原来的非线性的。线性化方程(忽略高阶小量)是一种重要且广泛使用的

32、近似分析方法。注意：在工程技术中，很多系统实质上都是非线性的，而非线性系统求解十分困难，所以经常使用线性化系统近似它。第65页，本讲稿共102页定理4.1(Lyapunov)如果线性化系统的系统矩阵A的所有特征值都具有负实部，则原非线性系统的平衡状态 总是渐近稳定的，而且系统的稳定性与高阶导数项无关。定理4.2(Lyapunov)如果线性化系统的系统矩阵A的特征值中，至少有一个具有正实部，则不论高阶导数项的情况如何，原非线性系统的平衡状态 是不稳定的。定理4.3(Lyapunov)如果线性化系统的系统矩阵A有实部为零的特征值，而其余特征值实部均为负，则在此临界情况下，原非线性系统平衡状态 的稳

33、定性决定于高阶导数项，即可能不稳定，也可能稳定。此时不能再用线性化方程来表征原非线性系统的稳定性了。第66页，本讲稿共102页某非线性系统的状态方程为 试分析此系统在平衡状态处的稳定性。课堂练习：课堂练习：解：解：由题意可知，此非线性系统有两个平衡状态 首先在处将其线性化 第67页，本讲稿共102页特征值 非线性系统在处是不稳定的处将其线性化 此系统处于临界稳定 不能由的特征值符号来确定系统在处的稳定性。这种情况需要应用李亚普诺夫第二法进行判定。第68页，本讲稿共102页非线性系统方程为已知系统平衡状态为坐标原点xe=0，即f(xe)=0,且f(x)对xi处是可微的，系统的雅可比矩阵为4.6.

34、2 李氏第二法在非线性系统中的应用李氏第二法在非线性系统中的应用1、克拉索夫斯基法、克拉索夫斯基法则系统在xe=0处是渐近稳定的充分条件是：下列矩阵第69页，本讲稿共102页则系统在xe=0处是渐近稳定的充分条件是：下列矩阵在所有在所有x下都是负定的，下都是负定的，而且而且是一个李亚普诺夫（是一个李亚普诺夫（Lyapunov）函数。函数。对任意n维状态向量x，有第70页，本讲稿共102页外，处处不为零。，而且，其行列式除点时，00)(0=xxFx第71页，本讲稿共102页第72页，本讲稿共102页例：设系统的状态方程为试用克拉索夫基法确定系统在平衡状态的 xe=0 稳定性.解：第73页，本讲稿

35、共102页由塞尔维斯特准则有第74页，本讲稿共102页课堂习题：课堂习题：如下非线性系统试讨论其在原点的稳定性条件如下非线性系统试讨论其在原点的稳定性条件解：解：第75页，本讲稿共102页关于定理的几点说明：（1）该定理对非线性系统的原点平衡状态原点平衡状态只给出了稳定的充分条件，若 不是负定的，则不能给出任何结论。（2）使 为负定的必要条件是，F(x)主对角线上的所有元素不为零，即：（3）线性系统是非线性系统的特例，该定理也适应于线性 定常系统。第76页，本讲稿共102页(4)克拉索夫斯基方法主要适用于针对可线性化表示的函数，即（a）非线性特性可用解析表达式表示的单值函数；（b）非线性函数

36、对 是可微的；（c）。李亚普诺夫函数为xAAxxxxVTTT)()(=&若A为非奇异，则当 为负定时，系统的平衡状态稳定。第77页，本讲稿共102页2、变量梯度法变量梯度法1 梯度的概念梯度的概念一个多元函数 v(x1,x2,xn)存在对 n 个变量 xi 的偏导数 。在控制问题中，偏导数是指n维空间中的运动质点运动 到达某一位置时沿各个坐标方向的变化率。把反映运动质点沿各个把反映运动质点沿各个坐标方向变化率的各偏坐标方向变化率的各偏导数导数作为分量，构成一个n维向量，称该向量为函数v(x1,x2,xn)的梯度。习惯上用符号“V”表示。第78页，本讲稿共102页2 向量的曲线积分向量的曲线积分

37、变力做功问题：变力F沿着给定路径L所做的功可用曲线积分来计算。积分的结果与积分路径的选择无关。第79页，本讲稿共102页3 旋度方程旋度方程 如果一个向量的曲线积分与积分路径选择无关，则向量的旋度必为零。由向量的旋度为零可得出由 所组成的雅可比矩阵必为对称矩阵。第80页，本讲稿共102页4 变量梯度法求李氏函数变量梯度法求李氏函数式中 为 维状态向量，是变量 ,和t 的 n 维向量函数。设非线性系统方程为设系统的平衡状态是状态空间的原点，即xe=0,若要寻找的李氏函数为v(x)=v(x1,x2,xn)第81页，本讲稿共102页李氏函数的求取变成求一个合适的梯度向量李氏函数的求取变成求一个合适的

38、梯度向量 V。求取求取 V利利用了以下两个条件：用了以下两个条件：1）由于V是一个向量，则n维广义旋度为0，故V必须满足以下旋度方程：2）由V计算出来的v(x)和 必须满足李氏函数稳定性的要求。总结上述分析，如果非线性系统的平衡状态xe是渐近稳定，变量梯度法确定李氏函数的步骤概括如下：第82页，本讲稿共102页总结上述分析，如果非线性系统的平衡状态xe是渐近稳定，变量梯度法确定李氏函数的步骤概括如下：1）假定V是一个任意列向量，即：式中：aij(i,j=1,2,n)为待定系数,可以是常数，也可以是时间 t 的函数或状态变量的函数，通常 aij 选为常数或 t 的函数。2）由V写出 ，即：第83

39、页，本讲稿共102页3）限定 是负定的或至少是负半定的负定的或至少是负半定的，并用n(n-1)/2个旋度方程确定待定系数确定待定系数aij。4）将得出的 重新校验负定性校验负定性，因为旋度方程确定系数可能会使它改变。5）由V 的线积分求出 ，积分路径按式（4-44）给出。6）确定在平衡点处的渐近稳定性范围。注意：注意：用这种方法不能构造出一个合适的李氏函数时，并不意味着平衡状态是不稳定的。第84页，本讲稿共102页例：设非线性系统方程为利用变量梯度法构造李氏函数，并分析系统的稳定性。解：（1）假定v(x)的梯度为（2）写出 的形式第85页，本讲稿共102页第86页，本讲稿共102页（4）求出李

40、氏函数满足旋度方程条件，于是有可见，李氏函数是正定的。第87页，本讲稿共102页作业4-44-54-64-8(1)4-9第88页，本讲稿共102页本本 章章 小小 结结基本要求基本要求（1）熟悉李亚普诺夫稳定性的定义与基本定理；）熟悉李亚普诺夫稳定性的定义与基本定理；（2）掌握寻求系统李亚普诺夫函数判断系统稳定性的方法；）掌握寻求系统李亚普诺夫函数判断系统稳定性的方法；（4）熟悉掌握线性定常连续系统和离散系统的李亚普诺夫分析法；）熟悉掌握线性定常连续系统和离散系统的李亚普诺夫分析法；（5）熟悉用克拉索夫斯基方法、变量梯度法分析）熟悉用克拉索夫斯基方法、变量梯度法分析 非线性系统的稳定性。非线性

41、系统的稳定性。（3）熟练掌握李亚普诺夫第二法；）熟练掌握李亚普诺夫第二法；第89页，本讲稿共102页基于基于Matlab李亚普诺夫稳定性分析李亚普诺夫稳定性分析针对线性定常连续系统和线性定常离散系统进行稳定性分析 设线性定常连续系统的状态矩阵为 试利用李亚普诺夫稳定性分析方法分析系统的稳定性 A=-2 1 1；0 -1 0；1 1 -2；Q=1 0 0；0 1 0；0 0 1；P=lyap(A,Q)K=（A*P+P*A）第90页，本讲稿共102页第91页，本讲稿共102页设线性定常离散系统的状态矩阵为 试利用李亚普诺夫稳定性分析方法分析系统的稳定性。第92页，本讲稿共102页 Matlab环境

42、下的能控性与能观测性分析环境下的能控性与能观测性分析（1）能控性判别）能控性判别产生能控性矩阵的Matlab函数为ctrb.m，调用格式为系统是状态完全可控的（2）能观测性判据）能观测性判据产生能观测性矩阵的Matlab函数为 调用格式为系统是状态完全可观测的。第93页，本讲稿共102页例例 证明系统的能控性和能观测性Rank_pc=rank_Q=3第94页，本讲稿共102页能控性结构分解和能观性结构分解能控性结构分解和能观性结构分解能控性结构分解能控性结构分解能观性结构分解能观性结构分解第95页，本讲稿共102页作业作业4-104-114-12第96页，本讲稿共102页系统的描述 主要解决系

43、统的建模、各种数学模型(时域、频域、内部、外部描述)之间的相互转换等；系统的分析主要研究系统的定量变化规律(如状态方程的解，即系统的运动分析等)和定性行为(如能控性、能观测性、稳定性等)。综合与设计问题已知系统结构和参数(被控系统数学模型)的基础上，寻求控制规律，使系统具有某种期望的性能。5.1 线性反馈控制系统的基本结构及其特性线性反馈控制系统的基本结构及其特性5.2 极点配置问题极点配置问题5.3 状态观测器状态观测器5.4 利用状态观测器实现状态反馈利用状态观测器实现状态反馈第五章第五章 状态反馈和状态观测器状态反馈和状态观测器第97页，本讲稿共102页5.1 线性反馈控制系统的基本结构

44、及其特性线性反馈控制系统的基本结构及其特性反馈的两种基本形式状态反馈输出反馈5.1.1 状态反馈状态反馈状态反馈方框图如图所示：受控系统：通常，D0，则记为第98页，本讲稿共102页代入原系统方程得闭环系统的状态空间表达式若D0，则为：记为：闭环传递函数阵为：特性：状态反馈并没有增加系统的维数，通过改变特性：状态反馈并没有增加系统的维数，通过改变K，可以选择系统地特征值，使系统获得所要求的性能。可以选择系统地特征值，使系统获得所要求的性能。第99页，本讲稿共102页HB5.1.2 输出反馈输出反馈输出反馈结构图如下：受控系统：代入受控系统：第100页，本讲稿共102页若D0，则则还有以下关系式成立：闭环系统传递函数：若受控系统传递函数为：第101页，本讲稿共102页特性：特性：H：rm维；维；K：rn维，由于维，由于mn，故，故H的可供选择的自的可供选择的自由度比由度比K小，所以输出反馈效果不如状态反馈，但是比较小，所以输出反馈效果不如状态反馈，但是比较容易实现。容易实现。5.1.3 闭环系统的能控性和能观性闭环系统的能控性和能观性的能控性，但不保证系统的能观性不变。的能控性，但不保证系统的能观性不变。定理定理1：状态反馈不改变受控系统：状态反馈不改变受控系统的能控性与能观性。的能控性与能观性。定理定理2：输出反馈不改变受控系统：输出反馈不改变受控系统第102页，本讲稿共102页