李雅普诺夫稳定性理论

第三章 李雅普诺夫稳定性理论 3 1稳定性基本概念 3 2李雅普诺夫意义下的稳定性 3 3李雅普诺夫第一法 3 4李雅普诺夫第二法 3 5线性定常系统渐进稳定性判别法 1 正确理解稳定性基本概念和李雅普洛夫意义稳定性概念2 熟练掌握李氏第一法 李氏第二法3 掌握线性系统渐近稳定性分析和离散系统渐近稳定性分析方法重点内容 李雅普诺夫第一 第二法的主要定义与定理 李雅普诺夫函数的构造线性定常系统与非线性系统稳定性定理与判别李雅普诺夫方程 渐近稳定性的分析与判别 教学要求 研究的目的和意义 稳定性是自动控制系统正常工作的必要条件 是一个重要特征 要求 在受到外界扰动后 虽然其原平衡状态被打破 但在扰动消失后 仍然能恢复到原来的平衡状态 或者趋于另一平衡状态继续工作 稳定性 系统在受到小的外界扰动后 系统状态方程解的收敛性 而与输入作用无关 经典控制理论稳定性判别方法 代数判据 奈魁斯特判据 对数判据 根轨迹判据非线性系统 相平面法 适用于一 二阶非线性系统 1982年 俄国学者李雅普诺夫提出的稳定性定理采用了状态向量来描述 适用于单变量 线性 非线性 定常 时变 多变量等系统 应用 自适应 最优控制 非线性控制等 主要内容 李氏第一法 间接法 求解特征方程的特征值李氏第二法 直接法 利用经验和技巧来构造李氏函数 3 1稳定性基本概念1 自治系统 输入为0的系统 Ax Bu u 0 2 初态 f x t 的解为初态3 平衡状态 系统的平衡状态a 线性系统A非奇异 A奇异 有无穷多个 b 非线性系统可能有多个eg 令 孤立的平衡状态 在某一平衡状态的充分小的领域内不存在别的平衡状态 对于孤立的平衡状态 总可以经过适当的坐标变换 把它变换到状态空间的原点 3 2李雅普诺夫意义下的稳定1 李氏意义下的稳定如果对每个实数都对应存在另一个实数满足 的任意初始态出发的运动轨迹 在都满足 则称是李雅普诺夫意义下稳定的 时变 与有关定常系统 与无关 是一致稳定的 注意 向量范数 表示空间距离 欧几里得范数 2 渐近稳定1 是李氏意义下的稳定2 一致渐进稳定3 大范围内渐进稳定性对都有 初始条件扩展到整个空间 且是渐进稳定性 线性系统 严格 如果它是渐进稳定的 必是有大范围渐进稳定性 线性系统稳定性与初始条件的大小无关 非线性系统 只能在小范围一致稳定 由状态空间出发的轨迹都收敛或其附近 当与无关大范围一致渐进稳定 必要条件 在整个状态空间中只有一个平衡状态不稳定性 不管 有多小 只要内由出发的轨迹超出以外 则称此平衡状态是不稳定的 线性系统的平衡状态不稳定表征系统不稳定 非线性系统的平衡状态不稳定只说明存在局发散的轨迹 至于是否趋于无穷远域外是否存在其它平衡状态 若存在极限环 则系统仍是李雅普诺夫意义下的稳定性 3 3李雅普诺夫第一法 间接法 利用状态方程解的特性来判断系统稳定性 线性定常系统稳定性的特征值判据 1 李氏稳定的充要条件 即系统矩阵A的全部特征值位于复平面左半部 非线性系统的稳定性分析 假定非线性系统在平衡状态附近可展开成台劳级数 可用线性化系统的特征值判据判断非线性系统的平衡状态处的稳定性 设非线性系统状态方程 在平衡状态附近存在各阶偏导数 于是 非线性函数 其中 级数展开式中二阶以上各项之和 上式为向量函数的雅可比矩阵 令则线性化系统方程为 结论 若 则非线性系统在处是渐进稳定的 与无关 若则不稳定 若 稳定性与有关 则是李雅普诺夫意义下的稳定性 3 4李雅普诺夫第二法 直接法 稳定性定理 设系统状态方程 其平衡状态满足 假定状态空间原点作为平衡状态 并设在原点领域存在对x的连续的一阶偏导数 定理1 若 1 正定 2 负定 则原点是渐进稳定的 说明 负定能量随时间连续单调衰减 定理2 若 1 正定 2 负半定 3 在非零状态不恒为零 则原点是渐进稳定的 说明 不存在 经历能量等于恒定 但不维持在该状态 定理3 若 1 正定 2 负半定 3 在非零状态存在恒为零 则原点是李雅普诺夫意义下稳定的 说明 系统维持等能量水平运动 使维持在非零状态而不运行至原点 定理4 若 1 正定 2 正定则原点是不稳定的 说明 正定能量函数随时间增大 在处发散 线性系统不稳定非线性系统不一定推论1 当正定 正半定 且在非零状态不恒为零时 则原点不稳定 推论2 正定 正半定 若 则原点是李雅普诺夫意义下稳定 同定理3 原点不稳定 几点说明 选取不唯一 但没有通用办法 选取不当 会导致不定的结果 这仅仅是充分条件 单调衰减 实际上是衰减振荡 李氏第二法的步骤 构造一个二次型 求 并代入状态方程 判断的定号性 判断非零情况下 是否为零 渐进稳定 李氏稳定 不稳定 令若成立李氏意义下稳定若仅成立渐进稳定 例1 已知非线性系统的状态方程为 试用李雅普诺夫第二法判断其稳定性 解 令 原点是唯一平衡点 设则 负定 原点是渐进稳定的 只有一个平衡状态 该系统是大范围渐进稳定 由于V x 与t无关 又是大范围一致渐进稳定 定理1 几何意义 等能量轨迹 整个平面 例2 试判断下列线性系统平衡状态的稳定性 解 1 令 即原点是平衡状态 设 则 其它 负半定 令 只有全零解 非零状态时 原点是渐进稳定 且是大范围一致渐进稳定 定理2 例3 试判断下列线性系统平衡状态的稳定性 解 由于设则故系统是李雅普诺夫意义下的稳定 则原点是平衡状态 定理3 例4 试判断下列线性系统平衡状态的稳定性 解 即设则可见与无关 故非零状态 如 有 而对其余任意状态有 故正半定 令即非零状态时 不恒为零 则原点不稳定即系统不稳定 推论1 3 5线性定常系统渐进稳定性判别法 设系统状态方程为 为唯一平衡状态 设选取如下的正定二次型函数为李氏函数则 非奇异矩阵 将代入 令由渐进稳定性定理1 只要Q正定 即负定 则系统是大范围一致渐进稳定 定理 系统大范围渐进稳定的充要条件为 给定一正交实对称矩阵Q 存在唯一的正定实对称矩阵P使成立 则为系统的一个李氏函数 方法1 给定PQV x 选取不定Q不定 给定正定QPQ单位阵p的定号性方法2 Q取正半定 定理2 允许单位矩阵主对角线上部分元素为零负半定 例1 解 选取