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04 稳定性与李雅普诺夫整理
* * * * * * * * * * * * * 李雅普诺夫第二法判别非线性系统稳定性示例(1) 3)结论:渐进稳定 1)确定系统平衡状态 2)构造李雅普诺夫函数 课堂练习: 李雅普诺夫第二法判别非线性系统稳定性示练习(2) 3)结论:a0时,渐进稳定 2)构造李雅普诺夫函数 分析a满足什么条件下面系统的稳定性 1)确定系统平衡状态 4.4 李雅普诺夫方法在线性系统中的应用 4.4.1 线性定常连续系统渐进稳定判据 命题4.1 矩阵 的所有特征根均具有负实部,即 ,等价于存在对称矩阵 ,使得 证明 必要性证明 设对称矩阵 令 显然 李氏第一法,如何判断? P.61 矩阵指数函数的性质五:微分 根据 ,则 因此 充分性证明: 因为A的特征根有可能是复数,不妨在复数域上讨论,在Cn中定义新的内积 为A的对应 的特征向量,即 则 又存在 由于 ,所以 即 。证毕。 线性定常连续系统稳定性判据 线性定常连续系统在平衡状态xe = 0全局渐进稳定的充要条件:对于任意给定的正定实对称矩阵Q,若存在正定的实对称矩阵P,满足李雅普诺夫方程: 则可取为 ,为系统的李雅普诺夫函数。 欲使系统在原点渐进稳定,则要求 必须为负定 则,要求 为正定的。 判据应用注意事项 (1)判别过程 判据应用注意事项 (2)Q的选取:尽量简单,常取Q=I; (3)若 沿任一轨迹不恒等于零,那么Q可取半正定。 (4)上述判据所确定的条件与矩阵A的特征值具有负实部的条件等价,因而判据是 充要条件。 李雅普诺夫方法判别线性系统稳定性示例(1) 已知系统状态方程如下,试分析系统平衡点的稳定性。 解 设 ,Q=I 带入李雅普诺夫方程 将上式展开,对应元素相等,解得 根据希尔维斯特判据 P是正定的,因而系统的平衡点是大范围渐进稳定。 李雅普诺夫方法判别线性系统稳定性示例(2) 已知系统状态方程如下,试确定系统增益K的稳定范围。 解 因detA≠0,故原点是系统唯一的平衡状态。 为了说明Q选取的正确,需要证明 沿任意轨迹应不恒等于零。 显然 的条件是 ,此时 , ,这表明只有在平衡状态 ,才能保证 ,而 沿任一轨线不会恒等于零。 取半正定的实对称矩阵Q为 求解李雅普诺夫方程 解得 为使P为正定矩阵的充要条件是: 12 – 2K 0 和K 0 即0 K 6 综合上述,当0 K 6系统在平衡状态原点大范围渐进稳定。 1) 取 Q = I 2) 令对称矩阵 3)将Q、P带入李雅普诺夫方程 4) 解得 P的特征值为1.12, 10.55, 75.33 P正定 课堂练习:第二法判断线性系统的稳定性(1) 1) 取Q=I 2) 令对称矩阵 3)将Q、P带入李雅普诺夫方程 4) 解得 a=1.5 b=1 c=0.5 5)判断P是否正定? 课堂练习:第二法判断线性系统的稳定性(2) a)特征值 b)各阶顺序主子式 --特征方程? 1) 取Q=I 2) 令对称矩阵 3)将Q、P带入李雅普诺夫方程 4) 解得 a=7/6 b=1/6 c=1/6 5)判断P是否正定? 课堂练习:第二法判断线性系统的稳定性(3) a)特征值 b)各阶顺序主子式 --特征方程? 4.5 李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用 4.5.1 雅可比(Jacobian)矩阵法――克拉索夫斯基(Krasovski)法 设非线性系统的状态方程为 式中,x为n维状态矢量;f为与x同维的非线性矢量函数。 假设原点xe=0是平衡状态,f(x)对 可微,系统的雅可比矩阵为: 第一法如何判断非线性系统的稳定性? 则系统在原点渐进稳定的充要条件是:对于任意正定实对称阵P,使下列矩阵 为正定的;并且 是系统的一个李雅普诺夫函数。 如果当 时,还有 ,则系统在xe=0是大范围渐进稳定。 证明:选取二次型函数 为李雅普诺夫函数,其中P为对称正定矩阵,因而 正定。 考虑到 是x的显函数,不是时间t的显函数,因而有下列关系 将 沿状态轨迹对t求全导,可得 上式表明,要使系统渐进稳定, 必须是负定的,因此 必须是正定的。 若
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