1
A,线性时不变系统的稳定性分析
§ 7-2,7-3的部分内容或用复数域表示系统方程为
(A-1)的解
CxyBuAxx (A-1)




t
0
)t(AAt
t
0
)t(AAt
d)(BuCe)0(xCe)t(y
d)(Bue)0(xe)t(x
(A-2)
)s(Bu)AsI(C)0(x)AsI(C)s(y
)s(Bu)AsI()0(x)AsI()s(x
11
11



(A-3)
2
由 (A-2)可见 x (t),y (t)由四部分组成,因此稳定性分析要对这四部分进行,显然只有这四项都有界时系统才能正常工作。因此,对系统采用状态空间的描述方式时,带来了新的稳定性概念。这些稳定性概念又和系统可控性、可观测性密切相关。
(A-1) 式中 A阵的特征值称为模态,ni重特征值 λ
对应的运动形式可能有,它们均称为系统的运动模式 。 但对应于 λ的这些模式并非全部都出现,究竟出现多少项取决于 λ的几何结构 。 例如下面不同的若当形结构对应有不同的运动模式:
tntt ettee i 1,,,
一,运动模式及其收敛、发散、有界的条件
3?


t2
t2t2
t22t2t2
tA
3
t2
t2
t2t2
tA
2
e
tee
et
2
1
tee
e
2
12
12
A
e
e
tee
e
2
2
12
A
3
2

t2
t2
t2
tA
1
e
e
e
e
2
2
2
A 1
例题 A-1
4
(3) Reλ=0,分两种情况:若 λ对应的若当块全是一阶块,
这时 λ的代数重数与几何重数一致,不会发生发散现象,运动模式也不收敛,运动模式是有界的;当 λ的几何重数小于代数重数,λ对应的若当块一定有二阶或二阶以上的出现,这时运动模式发散,但发散是按时间的幂函数的规律。因此当零实部重根出现时,
(1) Reλ< 0,λ对应的所有运动模式收敛,即随着时间趋于无穷而趋于零 。
(2) Reλ>0,λ对应的所有运动模式发散,即随着时间趋于无穷而趋于无穷,并且是按指数规律发散 。
5
一定要研究它的几何重数后,才可对运动模式的形态作出结论。只要将 例题 A-1中的特征值 2换为零,就可证实。

100
010
0t1
e
000
000
010
A tA2 2

100
010
001
e
000
000
000
A tA1 1
6
如果对动态方程 (A-1)进行等价变换,不会改变运动模式的性质,因而也不会改变 (A-2)式中四项的有界性,即等价变换不改变稳定性 。
稳定性问题是 A的特征值问题,但在 (A-2)式中以四项形式出现,也就是与 B,C阵密切相关,即与系统的可控性、可观测性密切相关。

100
t10
t
2
1
t1
e
000
100
010
A
2
tA
3
3
7
二,李雅普诺夫意义下的稳定,渐近稳定首先研究齐次方程
Axx (A-4)
它的解为 eA tx (0),这是 (A-2)式中的第一项,也是 u=0
时 x (t)的表达式。当 x(0)=0时,(A-4)有解,x=0,它称为 (A-4)的零解。
定义 对任意的 x(0),均有 x(t)有界,则称 (A-4)的零解是李雅普略夫意义下稳定的;
若对任意的 x(0),均有,则称 (A-4)的零解为渐近稳定。 0)(lim txt
8
说明:这里一个时间函数 x(t) 称为有界的,是指 存在与 t无关的常数 K,使得当 t∈ (0,∞),均有 |x(t)|<K
成立。
定理 A-1 对方程 (A-4) 零解的稳定性有下列充分必要条件成立:
(1)李雅普略夫意义下稳定 A的实部为零的特征值对应的若当块是一阶块,其余特征值均具有负实部;
(2) 渐近稳定 A 的特征值均具有负实部;
(3) 不稳定 A或有正实部特征值;或实部为零的特征值有非一阶若当块。
9
例题 A-2 下面给出的三个系统矩阵A,分别对应于稳定,渐近稳定,不稳定的情况 。 对于同属于不稳定情况的第三,四个矩阵,发散的情况有所不同,前者按 t
规律发散,后者按指数规律 (e t ) 发散 。



1
3
5
1
0
10
5
1
1
0
1
11
j
j
三,有界输入、有界状态( BIBS)稳定本节研究 (A-2)式中的第二项,并综合研究第一、二项。
10
定义 若 x (0)=0,及在任意有界输入 u(t)作用下,均有
x(t)有界,则称系统 (A-1)BIBS稳定 。
若对任意的 x(0),及在任意有界输入 u(t)作用下,
均有 x(t)有界,则称系统 (A-1)BIBS 全稳定。
定理 A-2 系统 (A-1)BIBS稳定 系统 (A-1)全体可控模式收敛,
系统 (A-1)BIBS 全稳定 系统 (A-1)全体可控模式 收敛,全体不可控模式 无发散 。
定理 A-2 可以用可控性分解式来说明,不妨假定,
(A-1)式中的矩阵 A,B具有可控性分解形式。这时有
11



0
)(
)0(
)0(
)(
0
1
)(
2
1
1
4
1
t
tA
tA
tA
duBe
x
x
e
e
tx

当 x(0)=0时,x(t)的表达式中只有第二项,这项与不可控模式无关,而


0
1
0
1
)( 11 )( dtBeKduBe tA
t
tA
这里 K是 u(t)的界,上式若有界当且仅当 A1的特征值均具有负实部。当考虑全稳定时,A的所有模式均要计及,故需加上 | |有界的条件,而这个条件就是 A4李氏稳定的条件。
tAe4
12
从复数域的表达式 (A-3)来看,BIBS稳定的条件就是 (sI-A)-1B的极点均具有负实部,因为不可控模均已消去,故只要对可控模态提出要求即可。
李氏稳定条件加上了 BIBS稳定条件就是 BIBS全稳定的条件。
四,有界输入、有界输出( BIBO)稳定本节研究 (A-2)式中的第四项,并综合研究第三、四项。
定义 若 x (0)=0,及在任意有界输入 u(t)作用下,均有
y(t)有界,则称系统 (A-1)BIBO稳定。
若对任意的 x(0),及在任意有界输入 u(t)作用下,
均有 y(t)有界,则称系统 (A-1)BIBO全稳定。
13
定理 A-3 系统 (A-1)BIBO稳定 系统 (A-1)全体可控可观模式收敛,
系统 (A-1) BIBO 全稳定 系统 (A-1)全体可控可观模式收敛,全体可观不可控模式无发散。
BIBO稳定研究 的极点是否具有负实部,这正是经典控制理论中研究的稳定性。判别 G(s)的极点是否全在左半面,可用劳斯及古尔维茨判据。
)s(GB)AsI(C 1
定理 A-2,A-3明显地表明 BIBS稳定,BIBO稳定与系统可控性、可观性密切相关。
14
定义 若对任意的 x (0),及在任意有界输入 u(t) 作用下,
均有 x(t),y(t)有界,则称系统 (A-1) 总体稳定一个用状态方程描述的系统,要能够正常工作,
总体稳定是先决条件;总体稳定包含了 BIBO全稳定和
BIBS全稳定;而 BIBS全稳定的系统一定 BIBO 全稳定,
所以总体稳定的充分必要条件是 BIBS全稳定。
容易验证以下结论成立:
六,稳定性之间的关系五,总体稳定 (T稳定 )
15
(6-1) 若(A、C)可观,则有
BIBO稳定 BIBS稳定
(6-2) 若(A,B)可控,则有
BIBS稳定 Reλi(A)<0
(6-3) 若 ( A,B,C ) 可观,可控,则有
BIBO稳定 Reλi(A)<0
(6-4)
BIBS全稳定 BIBS稳定,A 李氏稳定
(6-5) 若(A、C)可观,则有
BIBO全稳定 BIBO稳定,A李氏稳定
16
(6-1) 若(A、C)可观,则有
BIBO稳定 BIBS稳定证明:,,显然,下面证,,
)s(
B)s(H
)s(
B)s(CH
极点在左半面,要证 极点在左半面反证法。若 BIBS不稳定,存在不稳定的?0,使
(?0)=0,H (?0)B?0,这一个?0也一定使 CH (?0)B?0 *,
因而也是 G(s) 的极点,与 BIBO稳定矛盾。
*若 CH (?0)B=0,由定理 3-12的推导可得 V H (?0)B=0,
这里 V是可观性矩阵。由可观性假定可得 H (?0)B=0,
矛盾
17
(6-2) 若(A,B)可控,则有
BIBS稳定 Reλi(A)<0
证明:只需要证 BIBS稳定 Reλi(A)<0
)s(
B)s(HB)AsI( 1

(A,B)可控 无零、极对消。
否则有?(?0)=0,H (?0)B=0,由定理 3-12的推导可得
H (?0) [B AB A2B … A n-1B]=0,与公因子为 1相矛盾。
BIBS稳定,?(s)的零点均在左半面,所以| sI-A|
零点也在左半面 (二者数值一样,只是重数不同 ) 。
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BIBS全 稳定
BIBO全 稳定
BIBO稳定
+ A 稳定BIBO全 稳定可观 (6-1)
可观
(6-5)
BIBS稳定
+ A 稳定BIBS全 稳定
(6-4)
可观(6-1,5)
(6-1) 若(A、C)可观,则有
BIBO稳定 BIBS稳定
(6-5) 若(A、C)可观,则有
I 全稳定 IBO稳定,A李氏稳定若(A、C)可观,则有
BIBO全稳定 BIBS全稳定
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定理 A-4 若(A,B、C)可观、可控,以下事实等价
1,BIBO稳定 ;
2,BIBS稳定 ;
3,A渐近稳定 ;
4,A特征值具有负实部 ;
5,传函阵极点具有负实部 ;
6,总体稳定
20
定理 A-4
总体稳定传函阵极点负实部
A特征值负实部
A渐近稳定 BIBS稳定 BIBO稳定可观可控可观可控
6-16-2
(6-3) 若 ( A,B,C ) 可观,可控,则有 BIBO稳定 Reλi(A)<0
21
总体稳定传函阵极点负实部
A特征值负实部
A渐近稳定 BIBS稳定 BIBO稳定可观可控可观可控
A 稳定
22
时不变系统判断各种意义下的稳定性,一般要求出 A的特征值,再对这些特征值的可控、可观性进行研究,再根据定理作判断。因为系统的可控性、
可观性与传函阵零、极点对消(或约去模态)有联系,因此可以不去判别各特征值的可控、可观性,
直接计算
(sI-A)-1B C(sI-A)-1 C(sI-A)-1B
由计算的结果判别。
23
例题 多变量系统结构图如下图所示,其中 K1,和
K2都是非零常数,v1,v2是输入量,y1,y2是输出量。
试给出系统总体稳定时参数 K1,K2应满足的条件(只要给出不等式,不要求解出不等式)。
1s
2
2s
3
v1 x1 y1
v2 u2 x2
K2
_
y2
u1
_
_
K1
24
解 根据图中所给出的关系,列出方程组如下
2121111222
112222221111
xuy,yvu,)ux(vu
xy,uK3x2x,)uKuK(2xx


消去中间变量 u1,u2,得到下列系统的状态方程与输出方程







2
1
2
1
2
1
2
1
22
221
2
1
22
221
2
1
v
v
01
00
x
x
11
01
y
y
v
v
K3K3
K2K2K2
x
x
K32K3
K2K2K21
x
x
25
B,C 矩阵的秩均为 2,系统可控、可观测,故总体稳定等价于渐近稳定,于是
)KK6K7K42(s)K5K23(s
K32sK3
K2K2K21s
212121
2
22
221



上面的多项式的根均在左半面的充要条件为
0KK6K7K42
0K5K23
2121
21


26
例题 系统状态方程和输出方程如下
u
b
x
aa
x

1
0
0
100
000
21
xby 01
其中 a1,a2和 b均为实常数,试分别给出满足下列条件时,a1,a2和 b的取值范围
(1) 李亚普诺夫意义下稳定;
(2) 有界输入、有界输出 (BIBO)稳定。
27

(1) 李氏稳定:
1)
特征值一个为 0,两个有负实部
01?a 02?a
2),
特征值两个为 0,一个有负实部 。 零特征值几何重数与代数重数相同,初等因子为一次
01?a 02?a
3)
一个零特征值,一对共轭零实部特征值
01?a 02?a
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(2) BIBO稳定:
)asas(s
)asa(b
asas
bs
s
b)s(G
12
2
12
12
2


0)s(G0a0a0b,2
0)s(G0b,1
21

此外不会 BIBO稳定。