李雅普诺夫稳定性理论

1、 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v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。v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

2、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。v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。v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v非线性系统：相平面法(适用于一，二阶非线性系统)v1982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。v应用：自适应，最优控制，非线性控制等。主要内容：n李氏第一法（间接法）：求解特征方程 的特征值n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

3、+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x x 00( ;, )x t x t0000),(xtxtx0),(txfxeeexAxx nRx00eexAx 0eAxexb.非线性系统 可能有多个 eg. 令 0),(txfxeex3221211xxxxxx01x 02x 001ex102ex103exn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。n 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

4、实数 都对应存在另一个实数 满足00),(0t),(00txxe的任意初始态 出发的运动轨迹0 x00( ;, )x t x t，在 都满足：t000( ;, ) , ex t x txtt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。exex0t0t 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00lim( ;, )0etx t x tx无关与0t)(0sx 00lim( ;, )0etx t x txx ( ),s 大范围稳定exex初始条件扩展到整个空间，且是渐

5、进稳定性。v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)。v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。v当 与 无关 大范围一致渐进稳定。v必要条件：在整个状态空间中只有一个平衡状态 v 不稳定性：不管 ， 有多小，只要 v 内由 出发的轨迹超出 以外，则称此平衡状态是不稳定的。0tex)(s0 x)(s 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。)(s3

6、.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。Axx 0)0(xx0tRe()0ini, 2 , 1n非线性系统的稳定性分析：n 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。n 设非线性系统状态方程：n 在平衡状态 附近存在各阶偏导数，于是：n )(xfx )(xf-非线性函数0ex()()( )eeeTx xfxf xxxg xx其中：)(xg-级数展开式中二阶以上各项之和)nnnnnTxfxfxfxf

7、xfxfxf2112111n上式为向量函数的雅可比矩阵。 令 则线性化系统方程为： Tnffff21Tnxxxx21()exxf x exxxexxTxfAxA x 结论：n 若 ，则非线性系统在 处是渐进稳定的，与n 无关。n 若 n 则不稳定。n 若 ，稳定性与 有关， n n 则是李雅普诺夫意义下的稳定性。 Re()0ini, 2 , 1ex)(xgRe()0iRe()0jnji, 1Re()0i)(xg0)(xg3.4 李雅普诺夫第二法(直接法)v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。),(

8、txfx 0), 0(tf0ex),(txVn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。),(txV),(.txV),(.txV),(txV),(.txV.0 ( ;, ), V x t x t t说明：不存在 ， 经历能量等于恒定，但不维持在该状态。 v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。 0),(.txV00( ;, )0 x t x t),(txV),(.txV.0

9、( ;, ), V x t x t t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。v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。0),(.txV0 x00( ;, )x t x t),(txV),(.txV),(.txV00( ;, )x t x tex 线性系统不稳定 非线性系统不一定v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。v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),(txV),(.txV.0 ( ;, ), V x t x t

10、t),(txV),(.txV0 x0),(.txV几点说明：n 选取不唯一，但没有通用办法，n 选取不当，会导致 不定的结果。n 这仅仅是充分条件。1) -单调衰减(实际上是衰减振荡),(txV),(.txV),(txV),(.txV李氏第二法的步骤：n构造一个 二次型；n求 ，并代入状态方程；n判断 的定号性；1)判断非零情况下， 是否为零。),(txV),(.txV),(.txV.0 ( ;, ), V x t x t t渐进稳定李氏稳定不稳定n令 若 成立 李氏意义 下稳定 若仅 成立 渐进稳定 0),(.txV0),(.txV0),(.txV0,x 0,x 例1：已知非线性系统的状态方

11、程为： 试用李雅普诺夫第二法判断其稳定性。解：)(2221121.xxxxx)(2221212.xxxxx令01.x02.x01x02x原点是唯一平衡点 设则2221)(xxxV2.21.1.22)(xxxxxV22221.)(2)(xxxV0)( 0.xVx0)( 0.xVx)(.xV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1n几何意义：)()(22212221ccxxxV等能量轨迹(整个平面)1c2c),(2010 xx2x1x例2：试判断下列线性系统平衡状态的稳定性。解：1) 21.xx 212.xxx令02

12、.x01x02x01.x即原点是平衡状态。2221)(xxxV22.2)(xxV设则：0)( 0 , 0.21xVxx0)( .xV)(.xV其它负半定令0)(.xV01x02x只有全零解0 x非零状态时0)(.xV原点 是渐进稳定，且是大范围一致渐进稳定。0ex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。 )0( 21.kkxx 12.xx 02.1. xx 021 xx则原点是平衡状态2221)(kxxxV.1212( )220V xkx xkx x定理3( )V x 正（负）半定例4：试判断下列线性系统平衡状态的稳定性。解: 即 设

13、则 可见 与 无关，故非零状态(如 )有 ，而对其余任意状态 有212.21. xxxxx0 2.1. xx0 21 xx0ex2221)(xxxV22.2)(xxV)(.xV1x01x02x0)(.xV0)(.xV 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。)(.xV0, 00)(12.xxxV)(.xV推论13.5 线性定常系统渐进稳定性判别法n 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：Axx .A-非奇异矩阵0ex)(xV( )TV xx Px将 代入：Axx .( )()TTTTV xx Pxx P xxA PPA

14、x 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。 TA PPAQ QxxxVT)(.)(.xVAxx .TA PPAQ ( )Tx PxV x方法1：给定P Q V(x)选取不定 Q不定。 给定正定Q P Q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。 ( )Tx PxV x)(.xV例1：解：选取xx1110.0ex( )TV xx PxTA PPAQ 11121112122212220101 11111001pppppppp 1212 p0221211ppp1222212 pp121212322121211pppp02311p0121212322121211ppppP正定 是大范围一致渐进稳定ex2211221(322)02TVx Pxxx xx)(2221.xxVn 线性定常离散系统渐进稳定性判别n 设系统状态方程：n 其中 -非奇异阵， 是平衡状态。n 设)() 1(kxkx0ex ( )( )( )TV x kxk Px k ( ) (1) ( )(1