线性系统理论系统的运动稳定性幻灯片.ppt
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1、线性系统理论系统的运动稳定性第1页,共58页,编辑于2022年,星期一5.1 Lyapunov5.1 Lyapunov意义下的运动稳定性意义下的运动稳定性 5.1.1 5.1.1 系统的运动与平衡系统的运动与平衡系统系统:,如果存在如果存在某个状态某个状态 ,满足满足:则称则称 为系统的一个平衡点或平衡状态。为系统的一个平衡点或平衡状态。令令则则 为系统的平衡点的集合。为系统的平衡点的集合。中的孤立中的孤立点称为系统的孤立平衡点。点称为系统的孤立平衡点。第2页,共58页,编辑于2022年,星期一例例5.1.1 考考虑虑下述定常下述定常线线性系性系统统容易求得其平衡点集容易求得其平衡点集为为显显
2、然,然,即即为为三三维维空空间间中的中的超平面,是一个稠密集。超平面,是一个稠密集。第3页,共58页,编辑于2022年,星期一5.1.2 Lyapunov5.1.2 Lyapunov意义下的运动稳定性定义意义下的运动稳定性定义的任一初的任一初态态 为为Lyapunov意意 义义下下稳稳定的,如果定的,如果对给对给定的任一定的任一实实数数定义定义5.1.1 (Lyapunov意义下的稳定性)意义下的稳定性)设设:为为系系统统 的一个平衡状的一个平衡状态态,称,称都都对应对应地存在一个地存在一个实实数数使得由使得由满满足不等式足不等式 出出发发的受的受扰扰运运动动都都满满足不足不等式等式 第4页,
3、共58页,编辑于2022年,星期一第5页,共58页,编辑于2022年,星期一 的的稳稳定等价于定等价于一致一致稳稳定,但定,但对时变对时变系系统统,出出现现的受的受扰扰运运动动都是都是Lyapunov意意义义下下为为稳稳定的。定的。的的稳稳定并不定并不意味着其意味着其为为一致一致稳稳定,而且,从定,而且,从实际实际的角度而的角度而言,常要求一致言,常要求一致稳稳定,以便在任一初始定,以便在任一初始时时刻刻定义定义5.1.2(Lyapunov意义下的一致稳定性)意义下的一致稳定性)在上述在上述Lyapunov意义下的稳定性定义中,意义下的稳定性定义中,如果如果的的选选取无关,取无关,则进则进一步
4、称平衡状一步称平衡状态态是一致是一致稳稳定的。定的。对对于定常系于定常系统统,的的选选取只依取只依赖赖于于而与初始而与初始时时刻刻 第6页,共58页,编辑于2022年,星期一第7页,共58页,编辑于2022年,星期一1、是是Lyapunov意意义义下下为稳为稳定的,即定的,即满满足上足上 述关于述关于稳稳定的定定的定义义。定义定义5.1.3(Lyapunov意义下的渐近稳定性)意义下的渐近稳定性)动力学系统动力学系统:的一个平衡状的一个平衡状态态2、对对 出出发发的受的受扰扰运运动动都同都同时满时满足不等式足不等式 称称为为是是渐渐近近稳稳定的,如果定的,如果和任意和任意给给定的定的实实数数对
5、应对应地存在地存在实实数数使得由使得由满满足不等式足不等式 的任一初的任一初态态第8页,共58页,编辑于2022年,星期一第9页,共58页,编辑于2022年,星期一和和定义定义5.1.4 (Lyapunov意义下的一致渐近意义下的一致渐近稳定性)稳定性)如果在上述如果在上述LyapunovLyapunov意义下的渐意义下的渐近稳定性定义中,实数近稳定性定义中,实数依依赖赖于初始于初始时时刻刻,那么称平衡状,那么称平衡状态态是一致是一致渐渐近近稳稳定的。定的。的大小都不的大小都不第10页,共58页,编辑于2022年,星期一第11页,共58页,编辑于2022年,星期一的一个平衡状的一个平衡状态态,
6、如果以状,如果以状态态空空间间中的任一中的任一有限点有限点定义定义5.1.5 (LyapunovLyapunov意义下的大范围渐近意义下的大范围渐近稳定性)稳定性)设设都是有界的,且成立都是有界的,且成立 则则称系称系统统的平衡状的平衡状态态为为系系统统为为初始状初始状态态的受的受扰扰运运动动是大范是大范围渐围渐近近稳稳定的。定的。第12页,共58页,编辑于2022年,星期一定义定义5.1.6 (Lyapunov意义下的不稳定定义)意义下的不稳定定义)设设 的任一初的任一初态态出出发发的运的运动满动满足不等式足不等式的一个平衡状的一个平衡状态态,如果,如果对对于不管取多么大的于不管取多么大的有
7、限有限实实数数为为系系统统,都不可能找到相,都不可能找到相应应的的实实数数,使得由,使得由满满足不等式足不等式则则称平衡状称平衡状态态为为不不稳稳定的。定的。第13页,共58页,编辑于2022年,星期一第14页,共58页,编辑于2022年,星期一定义定义5.1.7 (指数稳定的定义)设(指数稳定的定义)设的一个平衡状的一个平衡状态态,如果,如果对对于任意的有限于任意的有限实实数数使得由使得由满满足不等式足不等式 的任一初的任一初态态出出发发的运的运动满动满足不等式足不等式为为系系统统,都存在相都存在相应应的的实实数数和和 则则称平衡状称平衡状态态为为指数指数稳稳定的。定的。第15页,共58页,
8、编辑于2022年,星期一定义定义5.1.8 (全局指数稳定的定义)(全局指数稳定的定义)设设的一个平衡状的一个平衡状态态,如果,如果对对于任意的有限于任意的有限实实数数 的任一初的任一初态态出出发发的运的运动满动满足不等式足不等式为为系系统统,都存在相,都存在相应应的的实实数数和和使得由使得由满满足不等式足不等式 则则称平衡状称平衡状态态为为全局指数全局指数稳稳定的。定的。第16页,共58页,编辑于2022年,星期一5.1.3 5.1.3 关于稳定性定义的几点说明关于稳定性定义的几点说明1.1.稳定性的主体稳定性的主体-平衡点平衡点 稳稳定定性性是是动动力力学学系系统统的的性性质质,稳稳定定性
9、性是是针针对对系系统统的的平平衡衡状状态态而而言言的的,只只有有对对于于具具有有惟惟一一平平衡衡点点或或者者是是其其所所有有平平衡衡状状态态为为同同时时稳稳定定或或不不稳稳定定的的系系统统言言及及系系统统稳定与否才有意义稳定与否才有意义.2.2.稳定性定义中的初始时刻稳定性定义中的初始时刻-一致性问题一致性问题 初初始始时时刻刻的的影影响响决决定定了了稳稳定定性性是是否否一致的问题一致的问题.第17页,共58页,编辑于2022年,星期一3.3.稳定性定义中的吸收域稳定性定义中的吸收域 在渐近稳定性的定义中在渐近稳定性的定义中 表表征征了了稳稳定定平平衡衡状状态态所所允允许许的的初初值值扰扰动动
10、范范围围,称称为为平平衡衡状状态态的的吸吸收收域域。它它决决定定了了渐渐近近稳稳定定性性的的全全局局性性和和局局部部性性,即即当当 可可取取为为整整个个 维维空空间间时时,相相应应的的稳稳定定性性便便是是全全局局稳稳定定的的,否则为局部渐近稳定的。否则为局部渐近稳定的。第18页,共58页,编辑于2022年,星期一4.4.几种稳定性之间的关系几种稳定性之间的关系5.Lyapunov5.Lyapunov稳定性稳定性 与微分方程解关于初值与微分方程解关于初值的连续性依赖性的连续性依赖性 在微分方程理论中在微分方程理论中,解的适定性解的适定性,即解的即解的存在性存在性,惟一性及它对初值的连续依赖性惟一
11、性及它对初值的连续依赖性,是一个非常重要的内容是一个非常重要的内容.第19页,共58页,编辑于2022年,星期一5.1.4 Lyapunov5.1.4 Lyapunov第二方法的主要定理第二方法的主要定理 LyapunovLyapunov把把动动力力学学系系统统稳稳定定性性的的方方法法归归纳纳为为本本质质不不同同的的两两种种方方法法,分分别别称称为为LyapunovLyapunov第第一一方方法法(间间接接法法:通通过过对对线线性性化化方方程程的的稳稳定定性性分分析析给给出出原原非非线线性性系系统统在在小小范范围围内内稳稳定定性性的的信信息息)和和第第二二方方法法(直直接接法法:通通过过构构造
12、造一一类类似似于于“能能量量”函函数数,分分析析它它及及其其一一次次导导数数的的定定号号性性而而获获得得系系统统稳稳定定性性的有关信息的有关信息)第20页,共58页,编辑于2022年,星期一均具有一均具有一阶连续阶连续偏偏导导数。数。中包含原点中包含原点1.2.3.定义定义5.1.9 设设为为是定是定义义在在的一个封闭有限区域;的一个封闭有限区域;上的一个上的一个标标量函数。如果量函数。如果 关于关于和和有界正定,即存在两个有界正定,即存在两个连续连续的的和和满满足足 非减标量函数非减标量函数并使得并使得对对任何任何和和有有:第21页,共58页,编辑于2022年,星期一则则称称上的一个上的一个
13、(时变)正定函数。进一步,如果(时变)正定函数。进一步,如果 具有无具有无穷穷大性大性质质。是定是定义义在在,则则称正定函数称正定函数第22页,共58页,编辑于2022年,星期一1.2.3.对对于任何于任何上的一个上的一个时时不不变变正定函数。正定函数。定义定义5.1.10 设设为为中包含中包含为为定定义义在在上的一个上的一个标标量函数。如果量函数。如果原点的一个区域;原点的一个区域;对对于向量于向量的所有分量均有的所有分量均有连续连续偏导数。偏导数。有有,则则称称为为定定义义在在进进一步,如果一步,如果,则则称正定函数称正定函数具有无具有无穷穷大性大性质质。第23页,共58页,编辑于2022
14、年,星期一定理定理5.1.1 如果存在包含原点的某邻域如果存在包含原点的某邻域有界正定函数有界正定函数的全的全导导数在数在上上为为有界半有界半负负定的(或定的(或负负定的),定的),则该则该系系统统的零平衡状的零平衡状态态是一致是一致稳稳定的(或一定的(或一致致渐渐近近稳稳定的)。定的)。和定和定义义在在上的一个上的一个,它沿着系,它沿着系统统第24页,共58页,编辑于2022年,星期一上的一个有界正定函数上的一个有界正定函数定理定理5.1.2 如果存在一个具有无穷大性质如果存在一个具有无穷大性质的定义在的定义在,它沿着系,它沿着系统统 的的导导数数在在上一致有界一致上一致有界一致负负定,定,
15、则该则该系系统统的零平的零平衡点衡点为为全局一致全局一致渐渐近近稳稳定的。定的。第25页,共58页,编辑于2022年,星期一 内内为为半半负负定定的的(或或负负定定的的),则则该该系系统统的的零零平平衡衡点点为为局局部部稳稳定定(或或渐渐近近稳稳定)的。定)的。定理定理5.1.3 如果在原点的某邻域如果在原点的某邻域内存在一个正定函数内存在一个正定函数,它沿着系,它沿着系统统的全的全导导数在数在第26页,共58页,编辑于2022年,星期一定理定理5.1.4 如果在原点的某邻域如果在原点的某邻域内存在一个正定函数内存在一个正定函数,它沿着系,它沿着系统统的全的全导导数数在在内内为为半半负负定的,
16、但在定的,但在内内在系在系统统的非零解上非零,的非零解上非零,则该则该系系统统的零平衡点的零平衡点为渐为渐近近稳稳定。定。第27页,共58页,编辑于2022年,星期一定理定理5.1.5 如果在如果在 上存在一个具上存在一个具有无有无穷穷大性大性质质的正定函数的正定函数 ,它,它沿着系沿着系统统的全的全导导数数在在 内内为为负负定定的的,则则该该系系统统的的零零平平衡衡点点为为全全局局渐渐近近稳稳定定 的。的。第28页,共58页,编辑于2022年,星期一定理定理5.1.6 如果在原点的某邻域如果在原点的某邻域 内内为为正定,正定,则则该该系系统统的零解的零解为为不不稳稳定的。定的。内存在一个正定
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