李雅普諾夫穩(wěn)定性分析.ppt

4 1概述4 2李亞普諾夫第二法的概述4 3李亞普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)4 4線性定常系統(tǒng)的李亞普諾夫穩(wěn)定性分析小結(jié) 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 是指系統(tǒng)在零輸入條件下通過其內(nèi)部狀態(tài)變化所定義的內(nèi)部穩(wěn)定性 即狀態(tài)穩(wěn)定 內(nèi)部穩(wěn)定性不但適用于線性系統(tǒng) 而且也適用于非線性系統(tǒng) 對(duì)于同一個(gè)線性系統(tǒng) 只有在滿足一定的條件下兩種定義才具有等價(jià)性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性 只和系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān) 與輸入 輸出無關(guān) 4 1引言 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)能否正常工作的前提條件 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性通常有兩種定義方式 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 外部穩(wěn)定性 是指系統(tǒng)在零初始條件下通過其外部狀態(tài) 即由系統(tǒng)的輸入和輸出兩者關(guān)系所定義的外部穩(wěn)定性 即有界輸入有界輸出穩(wěn)定 外部穩(wěn)定性只適用于線性系統(tǒng) 內(nèi)部穩(wěn)定性 研究系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法 李亞普諾夫第一法 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 李亞普諾夫第一法又稱間接法 它的基本思路是通過系統(tǒng)狀態(tài)方程的解來判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性 對(duì)于線性定常系統(tǒng) 只需解出特征方程的根即可作出穩(wěn)定性判斷 對(duì)于非線性不很嚴(yán)重的系統(tǒng) 則可通過線性化處理 取其一次近似得到線性化方程 然后再根據(jù)其特征根來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性 以上討論的都是指系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定性 或稱內(nèi)部穩(wěn)定性 但從工程意義上看 更重視系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 線性定常系統(tǒng)平衡狀態(tài)漸進(jìn)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)矩陣A的所有特征值均具有負(fù)實(shí)部 線性系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定性判據(jù) 1 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù) 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 線性定常系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的充要條件是其傳遞函數(shù)的極點(diǎn)全部位于s的左半平面 線性系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性判據(jù) 如果系統(tǒng)對(duì)于有界輸入u所引起的輸出y是有界的 則稱系統(tǒng)為輸出穩(wěn)定 例題4 1 系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述為試分析系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定性與輸出穩(wěn)定性 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 解 1 由A陣的特征方程可得特征值 故系統(tǒng)的狀態(tài)不是漸近穩(wěn)定的 2 由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可見傳遞函數(shù)的極點(diǎn)位于s的左半平面 故系統(tǒng)輸出穩(wěn)定 這是因?yàn)榫哂姓龑?shí)部的特征值被系統(tǒng)的零點(diǎn)對(duì)消了 所以在系統(tǒng)的輸入輸出特性中沒被表現(xiàn)出來 由此可見 只有當(dāng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)W s 不出現(xiàn)零 極點(diǎn)對(duì)消現(xiàn)象 并且矩陣A的特征值與系統(tǒng)傳遞函數(shù)W s 的極點(diǎn)相同 此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定性才與其輸出穩(wěn)定性一致 李亞普諾夫第二法 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 李亞普諾夫第二方法又稱直接法 它的基本思想不是通過求解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程 而是借助了一個(gè)李亞普諾夫函數(shù)來直接對(duì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性做出判斷 它是從能量觀點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析的 如果一個(gè)系統(tǒng)被激勵(lì)后 其儲(chǔ)存的能量隨著時(shí)間的推移逐漸衰減 到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí) 能量將達(dá)最小值 那么 這個(gè)平衡狀態(tài)是漸近穩(wěn)定的 反之 如果系統(tǒng)不斷地從外界吸收能量 儲(chǔ)能越來越大 那么這個(gè)平衡狀態(tài)就是不穩(wěn)定的 如果系統(tǒng)的儲(chǔ)能既不增加 也不消耗 那么這個(gè)平衡狀態(tài)就是李亞普諾夫意義下的穩(wěn)定 4 2李亞普諾夫第二法的概述 1892年俄國(guó)學(xué)者李亞普諾夫發(fā)表了 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性一般問題 最早建立了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般理論 并把分析常微分方程組穩(wěn)定性的全部方法歸納為兩類 第一類方法先求出常微分方程組的解 而后分析其解運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性 稱為間接方法 第二類方法不必求解常微分方程組 而是提供出解運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的信息 稱為直接方法 它是從能量觀點(diǎn)提供了判別所有系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾后 平衡狀態(tài)被破壞 但當(dāng)干擾去掉后 系統(tǒng)仍能自動(dòng)地回到平衡狀態(tài)下繼續(xù)工作 具有穩(wěn)定性的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng) 不具有穩(wěn)定性的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng) 1 穩(wěn)定性 一 物理基礎(chǔ) 穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身固有的屬性 線性自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 系統(tǒng)特征方程的全部根是負(fù)實(shí)部或?qū)嵅繛樨?fù)的復(fù)數(shù) 即全部根在復(fù)平面的左半平面 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 2 系統(tǒng)的平衡狀態(tài) 設(shè)系統(tǒng)為 其中 則 對(duì)于該系統(tǒng) 如果存在對(duì)所有時(shí)間t都滿足的狀態(tài) 即 則把叫做系統(tǒng)的平衡狀態(tài) 對(duì)于線性定常系統(tǒng)而言 其平衡狀態(tài)滿足 若A是非奇異矩陣 則只有 即對(duì)線性系統(tǒng)而言平衡狀態(tài)只有一個(gè) 在坐標(biāo)原點(diǎn) 反之 則有無限多個(gè)平衡狀態(tài) 對(duì)于非線性系統(tǒng)而言 平衡狀態(tài)不只一個(gè) 李亞普諾夫第二法建立在這樣一個(gè)直觀的物理事實(shí)上 如果一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)平衡狀態(tài)是漸近穩(wěn)定的 即 那么隨著系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 其儲(chǔ)存的能量將時(shí)間的增長(zhǎng)而衰減 直至趨于平衡狀態(tài)而能量趨于極小值 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 3 李亞普諾夫第二法 對(duì)于系統(tǒng)建立一個(gè)能量函數(shù) 即對(duì)于任意時(shí) 而 且僅當(dāng)時(shí) 才有 則系統(tǒng)是穩(wěn)定的 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 由此 李亞普諾夫第二法可歸結(jié)為 在不直接求解的前提下 通過李亞普諾夫函數(shù)及其對(duì)時(shí)間的一次導(dǎo)數(shù)的定號(hào)性 就可以給出系統(tǒng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性的信息 因此 應(yīng)用李亞普諾夫第二法的關(guān)鍵在于能否找到一個(gè)合適的李亞普諾夫函數(shù) 即能量函數(shù) 4 能量函數(shù) 廣義能量函數(shù)稱為李亞普諾夫函數(shù) 如果其不顯含時(shí)間t 就記成 設(shè)為任一標(biāo)量函數(shù) 其中X為系統(tǒng)的狀態(tài)變量 如果具有以下性質(zhì) 是連續(xù)的 是正定的 3 當(dāng)時(shí) 那么函數(shù)稱為李亞普諾夫函數(shù) 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 能量函數(shù)的定義 李亞普諾夫函數(shù)的選取不唯一 多數(shù)情況下可取為二次型 因此二次型及其定號(hào)性是該理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 1 二次型函數(shù)的定義及其表達(dá)式 二 二次型及其定號(hào)性 1 二次型函數(shù)的定義 在代數(shù)式中我們常見一種多項(xiàng)式函數(shù)如下其中每項(xiàng)的次數(shù)都是二次的 這樣的多項(xiàng)式稱為二次齊次多項(xiàng)式或二次型 以上只是對(duì)含有2個(gè)變量x y的二次函數(shù)來說的 如果將變量個(gè)數(shù)擴(kuò)展到n 仍具有相同的含義 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 n個(gè)變量的二次其次多項(xiàng)式為稱為二次型函數(shù) 即二次型 式中為二次型系數(shù) 二次型的定義 由二次型函數(shù)的定義可寫成 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 2 二次型函數(shù)的矩陣表達(dá)式 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 其中 P稱為二次型的矩陣 即P為對(duì)稱矩陣 顯然二次型完全由矩陣P確定且P的秩稱為二次型的秩 例題4 2 V X 是向量X的標(biāo)量函數(shù) 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 2 標(biāo)量函數(shù)V X 的定號(hào)性 如果對(duì)任意非零向量 恒有 且僅當(dāng)時(shí) 則稱為正定的 即 1 正定性 例題4 3 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 所以 V X 是正定的 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 如果對(duì)任意非零向量 恒有 0 且僅當(dāng)時(shí) 則稱為正半定的 即 0 2 正半定性 準(zhǔn)正定 例題4 4 當(dāng)時(shí) 當(dāng)?shù)珪r(shí) 所以 V X 是正半定的 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 3 負(fù)定性 例題4 5 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 0 所以 V X 是負(fù)定的 如果對(duì)任意非零向量 恒有 0 且僅當(dāng)時(shí) 則稱為正定的 即 0 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 如果對(duì)任意非零向量 恒有 0 且僅當(dāng)時(shí) 則稱為負(fù)半定的 即 0 4 負(fù)半定性 準(zhǔn)負(fù)定 例題4 6 當(dāng)時(shí) 當(dāng)?shù)珪r(shí) 所以 V X 是負(fù)半定的 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 如果在某個(gè)鄰域內(nèi) 即可為正值也可為負(fù)值 則稱為不定的 5 不定性 例題4 7 若 則 如果a b V X 0 b a V X 0 所以 V X 是不定的 對(duì)于P為實(shí)對(duì)稱矩陣的二次型函數(shù)V X 的定號(hào)性 可用關(guān)于矩陣定號(hào)性的賽爾維斯特定理來判定 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 3 二次型標(biāo)量函數(shù)定號(hào)性判別準(zhǔn)則 1 實(shí)對(duì)稱矩陣P為正定的充要條件是P的各階主子行列式均大于0 即 賽爾維斯特定理 這個(gè)定理稱為賽爾維斯特定理 定理4 2對(duì)稱矩陣為正定的充分必要條件是 的各階主子式為正 即 對(duì)稱矩陣為負(fù)定的充分必要條件是 奇數(shù)階主子式為負(fù) 而偶數(shù)階主子式為正 即 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 正定矩陣具有以下一些簡(jiǎn)單性質(zhì) 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 解 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 4 1李亞普諾夫關(guān)于穩(wěn)定性的定義 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 例4 6系統(tǒng)方程為試確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性 解 原點(diǎn)為平衡狀態(tài) 選取李氏函數(shù) 在任意x值上均可保持為零 則系統(tǒng)在原點(diǎn)處是李亞普諾夫意義下的穩(wěn)定 但不是漸近穩(wěn)定的 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 4 4線性定常系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析 討論 選擇二次型函數(shù)為李氏函數(shù) 目的 將李氏第二法定理來分析線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性 負(fù)定 正定 由上一節(jié)討論的判據(jù)知道系統(tǒng)漸近穩(wěn)定 故有以下判據(jù) 一 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 且標(biāo)量函數(shù)就是系統(tǒng)的一個(gè)李氏函數(shù) 判據(jù) 線性連續(xù)定常系統(tǒng) 在平衡狀態(tài)處漸近穩(wěn)定的充要條件是 給定一個(gè)正定對(duì)稱矩陣Q 存在一個(gè)正定實(shí)對(duì)稱矩陣P 使?jié)M足 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 1 因?yàn)檎▽?duì)稱矩陣Q的形式可任意給定 且最終判斷結(jié)果和Q的不同形式選擇無關(guān) 所以通常取 2 該定理闡述的條件 是充分且必要的 說明 3 如果除了在時(shí)有外 不恒等于零 則由上一節(jié)判據(jù)可知 Q可取做半正定 為計(jì)算簡(jiǎn)單 此時(shí)Q可取作如下矩陣 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 應(yīng)用定理判穩(wěn)步驟 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 例 用李氏第二法 求使下列系統(tǒng)穩(wěn)定的K值 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 狀態(tài)空間描述為 2 用李氏第二法判穩(wěn) 令u 0 1 Q能不能取做半正定 2 計(jì)算使實(shí)對(duì)稱矩陣P為正定的k值范圍 由判據(jù)4得 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 注意 P為正定實(shí)對(duì)稱矩陣 解得 根據(jù)賽爾維斯特法則 如果P正定 則12 2k 0 且k 0所以系統(tǒng)穩(wěn)定的k值范圍為0 k 6 現(xiàn)代控制理論 第4章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 二 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 判據(jù) 線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程為則系統(tǒng)在平衡點(diǎn)Xe 0處漸近穩(wěn)定的充要條件是 對(duì)于任意給定的對(duì)稱正定矩陣Q 都存