非线性系统稳定性问题的判定方法和发展趋势

1、6非线性系统的概念及稳定性问题的判定方法和发展趋势学号：0006线性系统理论自20世纪50年代以来不仅已在理论上逐步完善， 也已成功的 应用于各种国防和工业控制问题。随着现代工业对控制系统性能的要求不断提 高，传统的线性反馈控制已很难满足各种实际需要。 这是因为大多数实际控制系 统往往是非线性的，采用近似的线性模型虽然可以使我们更全面和容易的分析系 统的各种特性，但是却很难刻画出系统的非线性本质，线性系统的动态特性已不 足以解释许多常见的实际非线性现象。 另一方面，计算机及传感器技术的飞速发 展，也为我们实现各种复杂非线性控制算法奠定了硬件基础。因此自20世纪80年代以来，非线性系统的控制问题

2、受到了国内外控制界的普遍关注。非线性科学是当今世界科学的前沿与热点，涉及自然科学和人文社会科学的 众多领域，具有重大的科学价值和深刻的哲学方法论意义。 但迄今为止，对非线 性的概念、非线性的性质，并没有清晰的、完整的认识，对其哲学意义也没有充 分地开掘。一、 非线性的概念非线性是相对于线性而言的，对线性的否定，线性是非线性的特例。所以要 弄清非线性的概念，明确什么是非线性，首先必须明确什么是线性；其次对非线 性的界定必须从数学表述和物理意义两个方面阐述，才能较完整地理解非线性的 概念。一般是从相互关联的两个角度来进行的。 其一：叠加原理成 是两个那么a1 +P2也是它的一个解，换言之，两个态的

3、对线性的界定， 立“如果1，2”原理成立意味着所考查系统的子系统间没有非线性相互作叠加仍然是一个态。用。其二，物理变量间的函数关系是直线，变量间的变化率是恒量，这意味着函 数的斜率在其定义域内处处存在且相等，量间的比例关系在变量的整个定义域内 是对称的。在明确了线性的含义后，相应地非线性概念就易于界定。其一：“定义非线 性算符N（）为对一些a，b或，普不满足L（a+b警）=aL（）+bL（普）的算 符 即叠加原理不成立。”这意味着与屮之间存在藕合，对a+b甲的操作，等 于分别对，普操作外，再加上对与屮的交叉项（耦合项）操作，或者、甲 是不连续有突变或断裂、不可微有折点的。其二：作为等价的另一种

4、表述，我们 可以从另一个角度来理解非线性在用于描述一个系统的一套确定的物理变量中， 一个系统的一个变量最初的变化所造成的此变量或其它变量的相应变化是不成 比例的。换言之：变量间的变化率不是恒量，函数的斜率在其定义域中有不存在 或不相等的地方。概括地说：物理变量间的一级增量关系在变量的定义域内是不 对称的。可以说，这种对称破缺是非线性关系的最基本的体现， 也是非线性系统 复杂性的根源。对非线性的这两种表述实际上是等价的，其一叠加原理不成立必将导致其二物 理变量关系不对称；反之，如果物理变量关系不对称，那么叠加原理将不成立。 之所以采用了两种表述，是因为在不同的场合，对于不同的对象，两种表述有各

5、自的方便之处，如前者对于考察系统中整体与部分的关系、微分方程的性质是方 便的，后者对于考察特定的变量间的关系包括变量的时间行为将是方便的。关于非线性概念需要强调的是，线性或非线性的提法是相对于物理变量而言 的，也就是说：物理变量的关系才是判断是否是非线性的根据， 非物理变量的关 系不能成为非线性与否的判据。这所说的物理变量是指那些可以观测的、 人们感 兴趣的、对人类有意义的变量。非线性系统稳定性问题的判定方法任何一个实际系统总是在各种偶然和持续的干扰下运动或工作的。所以，当系统承受干扰之后，能否稳妥地保持预订的运动轨迹或者工作状态，即系统的稳定性是首要考虑的。一个系统的稳定性，包括平衡态的稳定

6、性问题和任一运动的 稳定性问题。而对于给定运动的稳定性可以变换成关于平衡点的稳定性问题。对平衡点的稳定性进行分析可将平衡点的稳定性定义为 李雅普诺夫稳定、一 致稳定、渐进稳定、一致渐近稳定、按指数渐进稳定和全局渐进稳定，除了全局 渐进稳定，其他都是局部的概念。非线性系统的数学模型不满足叠加原理或其中包含非线性环节。 包括非本质 非线性（能够用小偏差线性化方法进行线性化处理的非线性） 和本质非线性（用 小偏差线性化方法不能解决的非线性）。它与线性系统有以下主要区别：1. 线性控制系统只能有一个平衡点或无穷多的平衡点。但非线性系统可以 有一个、二个、多个、以至无穷多个平衡点。非线性系统与线性定常系

7、统明显不 同，其稳定性是针对各个平衡点而言的。 通常不能说系统的稳定性如何，而应说 那个平衡点是稳定的或不稳定的。2. 在线性系统中，系统的稳定性只与系统的结构和参数有关，而与外作用 及初始条件无关。非线性系统的稳定性除了与系统的结构和参数有关外，还与 外作用及初始条件有关。由于非线性控制系统与线性控制系统有很大的差异， 因此，不能直接用线性 理论去分析它，否则会导致错误的结论。对非线性控制系统的分析，还没有一种 像线性控制系统那么普遍的分析、设计方法。现代广泛应用于非线性系统上的分析方法有基于频率域分析的描述函数法 和波夫超稳定性，还有基于时间域分析的相平面法和李雅普诺夫稳定性理论等。 这些

8、方法分别在一定的假设条件下，能提供关于系统稳定性或过渡过程的信息。而计算机技术的迅速发展为分析和设计复杂的非线性系统提供了有利的条件。另外，在工程上还经常遇到一类弱非线性系统， 即特性和运动模式与线性系统相差 很小的系统。对于这类系统通常以线性系统模型作为一阶近似，得出结果后再根 据系统的弱非线性加以修正，以便得到较精确的结果。摄动方法是处理这类系统 的常用工具。而对于本质非线性系统，则需要用分段线性化法等非线性理论和方 法来处理。目前分析非线性控制系统的常用方法如下：1、线性化方法采用线性化模型来近似分析非线性系统。这种近似一般只限于在工作点附近的小信号情况下才是正确的。这种线性化近似，只是

9、对具有弱非线性（或称非本质非线性）的系统。常用线性化方法，有正切近似法和最小二乘法。此外，对一些物理系统的非线性特性比较显著， 甚至在工作点附件的小范围 内也是非线性的，并且不能用一条简单的直线来代表整个非线性系统特性的系 统，可采用分段线性化方法。2、相平面法相平面法是一种基于时域的分析方法， 一种用图解法求解一、二阶非线性常 微分方程的方法。该方法通过图解法将一阶和二阶系统的运动过程转化为位置和速度平面上 的相轨迹，从而比较直观、准确地反映系统的稳定性、平衡状态和稳态精度以及 初始条件及参数对系统运动的影响。相轨迹的绘制方法步骤简单、计算量小，特 别适用于分析常见非线性特性和一阶、二阶线性

10、环节组合而成的非线性系统用n条分界线（开关线，转换线）将相平面分成 n个线性区域; 分别写出各个线性区域的微分方程；求出各线性区的奇点位置并画出相平面图；将各相邻区的相轨迹联成连续曲线-非线性系统的相轨迹。对于分段线性的非线性系统来说，相平面分析法的步骤为：（1）（2）（3）（4）根据绘制出的：-X相轨迹图，去研究非线性系统的稳定性和动态性能。 这种 方法只适用于一、二阶系统和由阶跃或斜坡输入信号激励的情况。3、描述函数法又称为谐波线性化法描述函数法是一种基于频率域的分析方法，一种工程近似方法。在一定的条件下，用非线性元件输出的基波信号代替在正弦作用下的非正弦 输出，使非线性元件近似于一个线性

11、元件，从而可以应用乃奎斯特稳定判据对系 统的稳定性进行判别。这种方法主要用于研究非线性系统的稳定性和自振荡问题。如系统产生自振 荡，如何求出其振荡的频率和幅值，以及寻求消除自振荡的方法等。但不能直接给出有关暂态响应方面的可靠信息。4、李雅普诺夫第一法李雅普诺夫第一法又称间接法，它是研究动态系统的一次近似数学模型（线性 化模型）稳定性的方法。它的基本思路是：首先求系统的平衡状态（非线性系统 有多个平衡点）；将状态方程在平衡点附近进行线性化 （包括不同的平衡点）；求 出线性化后状态方程的特征值，根据全部特征值在复平面上的分布情况来判定系 统在零输入情况下的稳定性。若出现特征值为 0的情形需要用到中

12、心流形定理。李雅普诺夫第一方法与经典控制理论中稳定性判据的思路一致，需求解线性化状态方程或线性状态方程的特征值，根据特征值在复平面的分布来分析稳定 性。但它具有局限性，李雅普诺夫第一方法只讨论了系统状态的稳定性问题，而没有讨论经典控制理论中的输出稳定性问题； 由于李雅普诺夫第一法需要求解线 性化后系统的特征值，因此该方法也仅能适用于非线性定常系统或线性定常系统，而不能推广至时变系统；仅适用于分析弱非线性问题。5、李雅普诺夫第二法考虑到李雅普诺夫第一法的局限性提出了李雅普若夫第二法。李雅普诺夫第二法又称为直接法，它是一种对线性系统和非线性系统、 定常系统和时变系统都 适用的方法。它是在用能量观点

13、分析稳定性的基础上建立起来的。基于这样的观点，只要能找出一个能合理描述动态系统的 n维状态的某种形式的能量正性函数， 通过考察该函数随时间推移是否衰减，就可判断系统平衡态的稳定性。根据非线 性系统动态方程的特征，用相关的方法求出李雅普诺夫函数 V（x），然后根据V（x）寻找李雅普诺夫函数的方法:（1）（2）（3）（4）和V（X）的性质去判别非线性系统的稳定性。特殊类型自治系统的Lyapunov函数：首次积分组合法、分离变量法 雅克比矩阵法又称克拉索夫斯基方法变量梯度法递推设计的Lyapunov函数非线性系统稳定性问题的发展趋势对非线性控制系统的研究，到本世纪四十年代，已取得一些明显的进展。主

14、要的分析方法有：相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等。非线性系统稳定性 的早期研究都是针对一些个别或特殊类型开展的。例如，Poincare于1885年提出的相平面法是一种求解非线性常微分方程的图解方法，虽然能够获得系统的全部特征，如稳定性、过渡过程等，但仅适用于二阶及简单的三阶系统。Lyapunov 稳定性理论是分析和研究非线性控制系统稳定性的重要理论，多年来被大家广泛 采用。Lyapunov方法具有一般性，但要构造出合适的 Lyapunov函数却并非易 事。除一些特殊类型的非线性系统外，尚无构造 Lyapunov函数的通用方法。所 以，虽然这些方法都已经被广泛用来解决实际的非线性系统问题， 但是这些方法 都有一定的局限性，都不能成为分析非线性系统的通用方法。这些年来，国内外有不少学者一直在这方面进行研究， 也研究出一些新的方 法，如频率域的波波夫判据，广义圆判据，输入输出稳定性理论等。但总的来说， 非线性控制系统理论目前仍处于发展阶段， 远非完善，很多问题都还有待研究解 决，领域十分宽广。非线性控制理论作为很有前途的控制理论， 将成为二十一世 纪的控制理论的主旋律，将为我们人类社会提供更先进的控制系统， 使自动化水 平有更大的飞越。最后，诚如周老师所言非线性是一门比较抽象、 艰涩的课程，而且在教学要 求里还是一门双语课，无论是对于老