系统运动的稳定性

第5章李雅普诺夫稳定性分析1稳定的现象稳定的摆不稳定的摆稳定性是系统的重要特性，是系统正常工作的必要条件。第5章李雅普诺夫稳定性分析2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5章李雅普诺夫稳定性分析3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5章李雅普诺夫稳定性分析4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5章李雅普诺夫稳定性分析5一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5章李雅普诺夫稳定性分析6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,τ)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,τ)的每一个元均满足如下关系式：)p,,1j;q,1i(),t(gij],[tt0ttij0kd),t(g第5章李雅普诺夫稳定性分析7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：tij0g(t)dtk)p,,1j;q,1i()t(gij或G(s)的所有极点均具有负实部。第5章李雅普诺夫稳定性分析8二内部稳定性]t,t[tu,)t(Dx)t(Cyx)t(x,u)t(Bx)t(Ax000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。0tlim()0uxt第5章李雅普诺夫稳定性分析9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：],[tt00lim(,)0ttt0t第5章李雅普诺夫稳定性分析10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：Re{()}0,1,2,,iAin第5章李雅普诺夫稳定性分析11三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5章李雅普诺夫稳定性分析125.2李雅普诺夫意义下运动稳定性的基本概念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:(,)ftxx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：nitxxxfxnii,,2,1),,,,(21；第5章李雅普诺夫稳定性分析132.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：(,)ftxx000()(,),[,]ttttt0uxx；则初始状态x0必满足φ(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5章李雅普诺夫稳定性分析143.平衡状态(※)对于所有t，满足的状态xe称为平衡状态。(,)ft0eexx若已知系统状态方程，令所求得的解x，就是平衡状态。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。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。(,)ft0xx第5章李雅普诺夫稳定性分析154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00)t,(0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。0x)t,(||xx||0e000e0||(t;x,t)x||,tt为欧几里得范数，其几何意义是空间距离的尺度。第5章李雅普诺夫稳定性分析16在上述稳定的定义中，实数δ通常与ε和初始时刻t0都有关，如果δ只依赖于ε，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、δ为半径的闭球域S(δ)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ε的闭球域S(ε)内，即00||||(,)etxx000||(;,)||,ettttxx则称平衡状态xe在李雅普诺夫意义下是稳定的。第5章李雅普诺夫稳定性分析175.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。00lim||(;,)||0etttxx经典控制理论中的稳定性定义与渐近稳定性对应。若δ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。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5章李雅普诺夫稳定性分析186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。00lim||(;,)||0etttxx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ε0和任一实数δ0，不管ε多么大,也不管δ有多么小，在S(δ)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(ε)，则平衡状态xe就称为是不稳定的。第5章李雅普诺夫稳定性分析19)(Sxex0x1x2)(Sxe李雅普诺夫意义下稳定)(Sxex0x1x2)(Sxe渐近稳定xex0x1x2xe全局渐近稳定)(Sxex0x1x2)(Sxe不稳定第5章李雅普诺夫稳定性分析205.3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5章李雅普诺夫稳定性分析21一．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x≠0，函数值f(x)0，则称f是正定的，同时也称A是正定的，记为A0。1．正定矩阵：1,,nxx单位阵是正定的：221TnnxIxxx对角阵D=diag{d1,…,dn}正定的充要条件是所有对角元素di0。这是因为的充要条件是di0。2211()0TnnfxxDxdxdx第5章李雅普诺夫稳定性分析22A0的充要条件是①存在可逆实方阵C，使A=CTC。②A的所有特征值全都大于0。③A顺序主子式(即位于左上角的主子式)全大于0，即11111121112212210,0,,0nnnnnaaaaaaaaa第5章李雅普诺夫稳定性分析23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。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。0(,)(),(,)0,VtWVtttxx02．正定函数：第5章李雅普诺夫稳定性分析243.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5章李雅普诺夫稳定性分析25(1)V(x,t)正定且有界；(2)负定且有界；)tx,(V结论5.10：对于时变系统，如果0t)tx,(xtf，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5章李雅普诺夫稳定性分析26(1)V(x)为正定；(2)为负定；)x(V对于定常系统，其平衡状态0)x(xtf，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5章李雅普诺夫稳定性分析27例5.1：设系统状态方程为试确定系统的稳定性。22121122221212()()xxxxxxxxxx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:2212()Vxxx则沿任意轨线V(x)对时间的导数为:1122222222222121121221212()2222()22()2()Vxxxxxxxxxxxxxxxxx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。x()Vx第5章李雅普诺夫稳定性分析28(1)V(x)为正定；(2)为负半定；)x(V对于定常系统，其平衡状态0)x(xtf，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，0((,0))0Vtx；；第5章李雅普诺夫稳定性分析29设系统状态方程为例5.2设系统状态方程为试确定系统的稳定性。第5章李雅普诺夫稳定性分析30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；)x(V第5章李雅普诺夫稳定性分析31Tnxfxf)()()x(f10)x(xtf，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：nn1nn111Tx)x(fx)x(fx)x(fx)x(fx)x(f)x(F第5章李雅普诺夫稳定性分析32定理1：对连续非线性定常系统和围绕原点平衡态的域Ω，若0)x(xtf，TF(x)F(x)0,x0则有：V(x)0其中)x(f)x(f)x(VT第5章李雅普诺夫稳定性分析33定理2(克拉索夫斯基)：对连续非线性定常系统和围绕原点