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系统的稳定性
系统能在实际生活中应用的必要条件是系统要稳定。分析系统稳定性
是经典控制理论的重要组成部分。经典控制理论对于判定一个线性定
常系统是否稳定提供了多种方法。
一、系统稳定性的初步了解
了解不稳定现象发生的原因,对于建立系统的数学模型的建立稳
定性概念是很有帮助的。线性系统的不稳定现象有如下几点值得注
意。
首先,线性系统不稳定现象发生与否,取决于系统内部条件,而与输
入无关。其次,系统发生不稳定现象必有适当的反馈作用。再次,控
制理论中所讨论的稳定性其实都是指自由振荡下的稳定性,也就是
说,是讨论输入为零,系统仅存在与有初始状态不为零时的稳定性,
即讨论自由振荡是收敛的还是发散的,也可以说是讨论系统初始状态
为零时,系统脉冲响应是收敛还是发散的。
二、稳定的定义和条件
若系统在初始状态下(不论是无输入时的初态,还是输入引起的初态,
还是这两者之和)的影响下,由它所引起的系统的时间响应随着时间
的推移,逐渐衰减并趋向于零(回到平衡位置),则称该系统为稳定
的;反之,若在初始状态影响下,由它所引起的系统的时间随时间的
推移而发散(即偏离平衡位置越来越远),则称系统为不稳定的。
系统稳定的充要条件为:系统的全部特性根都具有负实部;反正
若特征根中只要有一个或一个以上具有正实部,则系统必不稳定。
三、关于稳定性的一些提法
1、李亚普诺夫意义下的稳定性
指对系统平衡状态为稳定或不稳定所规定的标准。主要涉及稳定、渐
近稳定、大范围渐近稳定和不稳定。
①稳定
用S(ε)表示状态空间中以原点为球心以ε为半径的一个
球域,S(δ)表示另一个半径为δ的球域。如果对于任意选定
的每一个域S(ε),必然存在相应的一个域S(δ),其中δε,
使得在所考虑的整个时间区间内,从域S(δ)内任一点x0出发
的受扰运动φ(t;x0,t0)的轨线都不越出域S(ε),那么称原
点平衡状态xe=0是李雅普诺夫意义下稳定的。
②渐近稳定
如果原点平衡状态是李雅普诺夫意义下稳定的,而且在时间
t趋于无穷大时受扰运动φ(t;x0,t0)收敛到平衡状态xe=0,
且此过程中,都不脱离S(ε),则称系统平衡状态是渐近稳定
的。从实用观点看,渐近稳定比稳定重要。在应用中,确定渐近
稳定性的最大范围是十分必要的,它能决定受扰运动为渐近稳定
前提下初始扰动x0的最大允许范围。
③大范围渐近稳定
又称全局渐近稳定,是指当状态空间中的一切非零点取为初
始扰动x0时,受扰运动φ(t;x0,t0)都为渐近稳定的一种情
况。在控制工程中总是希望系统具有大范围渐近稳定的特性。系
统为全局渐近稳定的必要条件是它在状态空间中只有一个平衡
状态。
④不稳定
如果存在一个选定的球域S(ε),不管把域S(δ)的半径
取得多么小,在S(δ)内总存在至少一个点x0,使由这一状
态出发的受扰运动轨线脱离域S(ε),则称系统原点平衡状
态xe=0是不稳定的。
2渐进稳定性
渐进稳定性就是对线性系统定义的稳定性,它要求由初态引
起的响应最终衰减到零。
3、“小偏差”稳定性
“小偏差”稳定性又称“小偏差”或“局部稳定性”。由于
实际系统往往存在非线性,因此,系统的动力学往往是建立在“小
偏差”线性变化的基础上的。
四、一些稳定判据
1、Routh(劳斯)稳定判据
它是根据系统特征方程式来判断特征根在S平面的位置,
从而决定系统的稳定性.由于不必求解方程,为系统的稳定性
的判断带来了极大的便利。
2、Nyquist(乃奎斯特)稳定判据
设G(s)为系统开环传递函数,在G(s)中取s=jω得到系统开环
频率响应G(jω)。当参变量ω由0变化到+∞时,
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