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1、现代控制理论,第五章 李雅谱诺夫稳定性分析,2019/6/21,控制科学与工程系,2,5.1李雅谱诺夫意义下稳定性的基本概念,1平衡状态,则称xe为系统的平衡状态。对线性定常系统，则有,2李雅谱诺夫意义下的稳定性,xe为球心，k为半径的球域,初始状态域,状态轨迹域,如果对应于每一个状态的闭球域,，总存在着一个初始状态的闭球域,使得当t无限增加时，从,出发的轨迹不离开,，系统平衡状态,在李雅谱诺夫意义下称为稳定的。,2019/6/21,控制科学与工程系,3,李雅谱诺夫意义下的稳定,3渐近稳定性,如果平衡状态,在李雅谱诺夫意义下稳定，且满足,渐近稳定,2019/6/21,控制科学与工程系,4,4大
2、范围渐近稳定性,对所有的状态（状态空间的所有各点），如果由这些状态出发的轨迹都保持渐近稳定性，那么平衡状态就叫做在大范围内渐近稳定的。,5不稳定性,如果对于某个实数,和任意一个实数,，不管这二个实数有多么小,内总存在着一个状态,，使得由这一状态出发的轨迹脱离开,那么平衡状态,就称为不稳定的。,在,，,以上所述稳定性概念，若与t0无关，即状态的具体初始时刻与平衡态是否稳定无关，所涉及的稳定性则为一致稳定性。如一致李雅谱诺夫意义下的稳定、一致渐进稳定及一致大范围渐进稳定等。,2019/6/21,控制科学与工程系,5,6.2 李雅谱诺夫稳定性判别方法,1李雅谱诺夫第一方法 基本思路：求出系统的状态方
3、程，根据状态方程的解判别系统的稳定性。对于线性定常系统，只要求出系统的特征值就可判别其稳定性对于非线性系统，必须首先将系统的状态方程线性化，然后用线性化方程(即一次近似式)的特征值来判别系统的稳定性。,2019/6/21,控制科学与工程系,6,2.李雅谱诺夫第二方法,李雅谱诺夫第二方法的基本思想是用能量变化的观点分析系统的稳定性。若系统储存的能量在运动过程中随着时间的推移逐渐减少，则系统就能稳定；反之，若系统在运动的过程中，不断地从外界吸收能量，使其储存的能量越来越大，则系统就不能稳定。例如日常生活中的单摆，当考虑空气的阻尼，系统就是稳定的；如果在理想真空中，甚至于因势能给它不断补充能量，系统
4、就不能稳定。,2019/6/21,控制科学与工程系,7,（1） 标量函数的符号,标量函数的正定性 如果对所有在域中的非零状态x，有V(x)0，而且在x=0处有V(0)=0，那么在域（域包含状态空间的原点）内的标量函数V(x)称为是正定的。,标量函数的正半定性 如果对所有在域中的非零状态x，有V(x)0，而且在x=0处有V(0)=0，那么在域（域包含状态空间的原点）内的标量函数V(x)称为是正半定的。,2019/6/21,控制科学与工程系,8,标量函数的负定性 如果对所有在域中的非零状态x，有V(x)0，而且在x=0处有V(0)=0，那么在域（域包含状态空间的原点）内的标量函数V(x)称为是负定
5、的。,标量函数的负半定性 如果对所有在域中的非零状态x，有V(x)0，而且在x=0处有V(0)=0，那么在域（域包含状态空间的原点）内的标量函数V(x)称为是负定的。,标量函数的不定性 如果对所有在域中的非零状态x，V(x)即可为正值又可为负值，那么在域（域包含状态空间的原点）内的标量函数V(x)称为是不定的。,2019/6/21,控制科学与工程系,9,（2） 矩阵（二次型）的符号,实对称矩阵,矩阵的正定性,矩阵的负定性,负正相间,矩阵的不定性,2019/6/21,控制科学与工程系,10,（3）李雅谱诺夫稳定性定理,假设系统的状态方程为,如果存在一个具有连续的一阶导数的标量函数V(x) 0.,
6、a若,则系统是渐近稳定的（如果随着,，有,，则系统是大范围渐近稳定的）。,，则系统是不稳定的。,，但,不恒等于零（除了,则系统是渐近稳定的；但是，若,b若,c若,以外），,恒等于零则按照,李雅谱诺夫关于稳定性的定义，系统是稳定的。但不是,渐近稳定的。,示例,2019/6/21,控制科学与工程系,11,3 李雅谱诺夫第二方法在线性定常系统中应用,(1) 线性定常连续系统的李雅谱诺夫稳定性分析,假设A是非奇异矩阵，那么唯一的平衡状态是在原点x = 0处。,P0, PT=P,李雅谱诺夫方程,P0, PT=P,Q0,Q0, QT=Q,P0,2019/6/21,控制科学与工程系,12,定理 设描述系统的
7、方程为：,上式中，x为n维状态向量；A为nxn维常系数非奇异矩阵。平衡状态xe=0在大范围内渐近稳定的充要条件为：给定一个正定对称的矩阵Q，则存在着一个正定对称的矩阵P，使得,Q0, QT=Q,P0,是系统的一个李雅谱诺夫函数。,2019/6/21,控制科学与工程系,13,几点注意,如果,沿任意一条轨迹不恒等于零，那么Q可取为,正半定的。,如果我们取一个任意的正定矩阵（或者，如果,不恒等于零，则可取一个任意的正半定矩阵Q），并解矩阵方程,沿任一轨迹,确定P。对于平衡状态x=0的渐近稳定性，P的正定性是充要条件。,只要特殊的矩阵Q选成是正定的（或根据情况选为正半定的），那么最终结果与矩阵Q选择无
8、关。,在确定是不是存在一个正定的赫米特或实对称矩阵P时，取Q = I是很方便的，其中I是单位矩阵。于是，P的各元素可按下式确定：,而后检验矩阵P是不是正定的。,示例,2019/6/21,控制科学与工程系,14,(2) 线性定常离散系统的李雅谱诺夫稳定性分析,设离散线性定常系统的状态方程为,式中，x为n维状态向量；G为n x n常系数非奇异矩阵。原点xe= 0是平衡状态。,假设取一个正定的二次型函数（李雅谱诺夫函数）为,P0, PT=P,在离散系统中，我们采用Vx(k+1)和Vx(k)之差来代替,，即,2019/6/21,控制科学与工程系,15,定理 设描述系统的方程为：,上式中，x为n维状态向量；G为nxn维常系数非奇异矩阵。平衡状态xe=0在大范围内渐近稳定的充要条件为：给定一个正定对称的矩阵Q，则存在着一个正定对称的矩阵P，使得,Q0, QT=Q,P0,是系统的一个李雅谱诺夫函数。,示例,2019/6/21,控制科学与工程系,16,（3）利用李氏第二方法进行状态反馈设计,利用李氏第二方法还可以对线性定常系统做结构稳定设计，以及选择状态反馈矩阵使闭环系统渐近稳定。,系统状态方程为：,选取李氏函数为：,P0, PT=P,V(x)的变化率为：,若选取Q为正定，为使,示例,
