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1.1892年A.m.Lyapunov发表的《运动稳定性的一般问题》提出了稳定性的一般概念和方法. 2.Lyapunov方法可适用于线性系统,非线性系统,时变或非时变系统,连续时间系统或离散时间系统. 3.本节研究的内容是基于常微分方程描述的动力学系统,并分为两种分析方法. (1)Lyapunov第一方法: 也称间接法,属于小范围稳定性分析方法。 基本思路是:将非线性自治系统运动方程在足够小的邻域内进行泰勒展开导出一次近似线性系统.再根据线性系统特征值在复平面上分布,推断非线性系统在邻域内的稳定性. 在Lyapunov第一法中,有一个基础性的问题,即将非线性方程线性化的问题. 实际上其方法的主要数学工具是泰勒展开式,即对函数f(x)在 邻域内展开后 仅取线性项,忽略高阶次项 称上式为f(x)非线性函数在 邻域内的线性函数表达. 故而 必须要足够小,其变化 应在 的小邻域内进行,即运动是非常小的,因为运动亦可称为一种扰动,因此上述方法常称为小扰动线性化. 例子:一个系统的描述输入输出的模型为 其中 x:输入, y:输出. 设 是平衡点,即满足 由于 均为常数,则 从而有 令 则方程左边是 将方程右边在 点处,用泰勒展开,并取到一次项,忽略高次项,故有 从而有 显然 代入后,得到 两边进行拉氏变换得(初始状态 ),则 则有 故线性模型G(s)描述了非线性方程在 处 和 的运动特性,而Laypunov第一方法,则是根据G(s)的特征值来分析其在小扰动范围内运动稳定性. (2)李雅普诺夫第二方法 也称直接法,属于直接根据系统结构判断内部稳定性的方法. 该方法直接面对非线性系统,基于引入具有广义能量属性的Lyapunov函数和分析李氏函数的定量性, 建立判断稳定性的相应结论. 因此直接法也是一般性方法----Lyapunov第二法更具有一般性. (3)用李氏方法分析的必要性 以一个例子说明:用特征值来判断线性时变系统一般稳定性是会失效的. 其中特征值为 -1,-1. 但由于其解为 当 时,若 则必有 故平衡状态是不稳定的,即系统的实际表现是不收敛和发散的.从而采用特征值判断失效. 一.系统运动稳定性的性质. 运动稳定性的实质,归结为系统平衡状态的稳定性. 平衡状态的稳定性问题实际就是:偏离平衡状态的受扰运动能否只依靠系统内部的结构因素,或者使之限制在平衡状态的有限临域内,或者使之同时返回平衡状态. 从而要讨论三个重要概念: 1.自治系统. 2.平衡状态. 3.受扰运动. 1.自治系统 定义地:自治系统定义为不受外部影响即没有输入作用的一类系统. 一般情形的系统描述: 线性时变系统的描述: 线性时不变的描述: 2.平衡状态 定义:对连续时间非线性时变系统,自治系统 的平衡状态定义为状态空间满足属性 的一个状态. 下面对平衡状态的说明: (1).平衡状态的直观含义,平衡状态 直观上为系统处于平衡时可能具有一类状态,系统平衡的基本特征 . (2).平衡状态的形式.平衡状态 可由方程定出,对二维自治系统, 的形式包括状态空间中的点和线段. (3).不唯一性.平衡状态 一般不唯一. 对定常线性系统而言,平衡状态 为方程 的解. 若矩阵A非奇,则有唯一解 若矩阵A奇异,则解 不唯一. (4).孤立平衡状态,该状态是指状态空间彼此分隔的孤立点形式的平衡状态,孤立平衡状态的重要特征是:通过坐标移动可将其转换为状态空间的原点. (5).对平衡状态的约定:Lyapunov第二法中,对稳定性的分析主要针对孤立平衡状态,从而在研究中可把平衡状态设为空间原点. 3.受扰运动. 定义:受扰运动定义为其自治系统由初始扰动 引起的一类状态运动. 也就是零输入响应,在稳定性分析中,可将非零初始状态 看成为相对于零平衡状态 的一个状态扰动. 二.Lyapunov意义下的稳定性(实际上只刻划稳定性或描述) 自治系统受扰后,其状态自平衡状态发生偏离,随后在所有时间内系统的响应可能出现下列情况. (
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