3李雅普诺夫稳定性与正实函数
第5章李雅普诺夫稳定性分析
第5章 李雅普诺夫稳定性分析
第五章 李雅普诺夫稳定性分析
5.1 李雅普诺夫意义下的稳定性 5.2 李雅普诺夫第一法(间接法) 5.3 李雅普诺夫第二法(直接法) 5.4 线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析
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第5章 李雅普诺夫稳定性分析
5.1 李雅普诺夫意义下的稳定性
1．自治系统
没有外输入作用时的系统称为自治系统，可 用如下系统状态方程来描述:
如果时变函数V(x,t)有一个正定函数作为下限， 也就是说，存在一个正定函数W(x) ，使得
V ( x ,t) W ( x), V (0,t) 0, t t0
则称时变函数V(x,t)在域S（域S包含状态空间的 原点）内是正定的。
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第5章 李雅普诺夫稳定性分析
3. 负定函数：如果-V(x)是正定函数，则标量函数 V(x)为负定函数。
则称平衡状态xe在李雅普诺夫意义下是稳定的。
在上述稳定的定义中，实数δ通常与ε和初始时
刻t0都有关，如果δ只依赖于ε ，而和t0的选取无关，
则称平衡状态是一致稳定的。
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第5章 李雅普诺夫稳定性分析
5. 渐近稳定性
若系统的平衡状态xe不仅具有李雅普诺夫意 义下的稳定性，且有
lim
t
||
x(t;
x0 ,
(s)
则 m(s) 为矩阵A的最小多项式。
注：换言之，矩阵A的最小多项式就是(sI-A)-1
中所有元素的最小公分母。
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第5章 李雅普诺夫稳定性分析
例5-1（补充）：判断下述线性定常系统的稳定性
0 0 0
x 0 0
0
x
0 0 1
解：1）系统矩阵A为奇异矩阵，故系统存在无穷
04第四章-李雅普诺夫稳定性理论
几何意义：
当t t0时,系统受扰动,平衡状态受破坏,产生对应初始状态 x0,当t t0后, 运动状态x(t)会发生变化。
若无论多么小球域S( ),总存在一个球域S( ),当
x0 S( )时, x(t)轨线不会超出S( ),则平衡点xe为
Lyapunov意义下稳定。 实际上，工程中的李氏 稳定是临界不稳定
说明：
J P1AP A~J 考察eJt即可看出 e At的有界性
例：
0 0 J1 0 -1
李氏稳定
0 1 J2 0 0
不稳定
0 0 J3 0 0
李氏稳定
0 0 A J1 0 -1
e At
1
0
0
e-t
x(t)
e At x0
1 0
0 e-t
x10
x20
x10
e-t x20
f1
xn
令
x x xe ,
A
f xT
f 2
xe
x1
f2 x2
f2
xn
xe
f
n
fn
fn
x1 x2 xn
则
.
x
x
( xe常数)
判定法：
.
x Ax
(1) A的所有特征值均有负实部,则xe是渐近稳定的, 与R(x)无关. (2) A的特征值至少有一个有正实部,则xe是不稳定的, 与R(x)无关. (3) A的特征值至少有一个实部为0,则xe的稳定性 与R( x)有关, 不能由A来决定.
P为实对称矩阵 , pij p ji
第二节 李雅普诺夫间接法
李氏间接法利用系统矩阵A的特征值 1, 2,, n 或者说系统极点来判断系统稳定性。
04第四章李雅普诺夫稳定性理论汇总
04第四章李雅普诺夫稳定性理论汇总李雅普诺夫稳定性理论是数学中一项重要的稳定性理论，对于研究动力系统的稳定性具有重要的指导意义。
该理论由俄罗斯数学家李雅普诺夫于19世纪末和20世纪初提出，后经实践证明，被广泛应用于不同领域的研究中。
李雅普诺夫稳定性理论的核心思想是通过构造李雅普诺夫函数来分析系统的稳定性。
李雅普诺夫函数是一个满足一定条件的实数函数，它能够度量系统中各个状态的变化情况，并通过数学分析得出系统状态的稳定性。
在李雅普诺夫稳定性理论中，一般使用正定函数来构造李雅普诺夫函数。
对于一个动力系统，假设其状态空间为n维实数向量，系统的演化过程可以表示为一个关于状态变量的微分方程。
为了判断系统在其中一状态的稳定性，需要构造一个函数V(x)，其中x表示状态变量。
如果函数V(x)满足以下两个条件：1.V(x)是正定函数，即对于所有的x，都有V(x)>0，且只有在x=0时，V(x)=0成立。
2.对于系统中任意两个状态x1和x2，如果V(x2)>V(x1)，则在系统演化的过程中，x2的状态比x1更不稳定。
那么，可以推导出系统在状态x=0附近的稳定性。
如果对于所有的状态x，有V(x)>V(x=0)，那么系统就是在x=0处的稳定点。
如果只有在x=0附近，存在一个圆盘区域，使得对于所有的状态x，有V(x)>V(x=0)，那么系统就是局部稳定的。
通过构造李雅普诺夫函数，可以得出系统的稳定性信息。
对于局部稳定性，可以通过计算雅普诺夫函数的导数来得到更详细的信息。
如果导数小于零，则系统是渐进稳定的；如果导数等于零，则系统是边界稳定的；如果导数大于零，则系统是不稳定的。
李雅普诺夫稳定性理论不仅适用于连续系统，也适用于离散系统。
对于离散系统，李雅普诺夫函数的构造和分析方式与连续系统类似，只是微分方程变为差分方程。
总结起来，李雅普诺夫稳定性理论是一种基于构造李雅普诺夫函数来分析系统稳定性的方法。
通过构造正定函数，可以得出系统的稳定性信息，并通过李雅普诺夫函数的导数来得到更详细的稳定性判断。
第4章 李雅普诺夫稳定性分析
这表明， 当且仅当‖eAt‖≤ k ＜∞ 时，对任给的一个实数ε > 0，都对应存在和初始时 刻无关的一个实数 δ(ε)= ε /k，使得由满足不等式 ||x0 — xe|| ≤ δ(ε) (4-391) 的任一初态x0出发的受扰运动都满足不等式 xt; x0 ,0 xe e At x0 xe k , t 0 (4 392)
S ( ) x0
xe
xe
xe
x1
x1
x1
(a) 李雅普诺夫意义下的稳定性
(b) 渐近稳定性
(c) 不稳定性
4.2 李雅普诺夫第一法(间接法)
间 接 法：利用状态方程解的特性来判断系统稳定性的方法。 适应范围：线性定常系统、线性时变系统、非线性函数可线性化的系统。
定理4-9 对于线性定常系统
f ( x, t ) x
(4 382)
式中，x为n维状态向量，且显含时间变量t；f(x，t)为线性或非线性、定常或 时变的n维函数，其展开式为
i x
f
i
( x1 , x2 ,...,xn , t ); i 1,2,...,n
(4 383)
假定方程的解为x(t；x0，t0)，式中x0和t0分别为初始状态向量和初始时刻， 则初始条件x0必满足 x(t0 ；x0，t0) = x0 。 1 平衡状态 李雅普诺夫关于稳定性的研究均针对平衡状态而言。对于所有t，满足
t e
i
Hale Waihona Puke i t j i tˆ ) A , i ji i ( A i
(4 394)
2）结论2）证明
由式(4-390)可知，当且仅当‖eAt‖ 对一切 t≥0为有界，且当t→0时 ‖eAt‖ →0，零平衡状态 xe= 0 为渐近稳定。如上所证，当且仅当 A 的所有特征 值均具有负或零实部时，‖eÂt‖有界。又根据式(4-393)和式(4-394)可知 当且 t j t 0 t→0时‖eAt‖→0，这就等价于A的特征值均具 仅当t→∞时 t e ，可保证 有负实部。结论2）证毕。
第五章李雅普诺夫稳定性分析
从定义可知，平衡状态的各分量相对于时间不再发生变化。
线性定常系统：x = Ax
A非奇异：Axe = 0 xe = 0 是唯一零解 A奇异：Axe = 0 xe 有无穷多个解
非线性系统：x = f (x,t)
x = f (xe , t) = 0 xe 可能有一个也可能有多个平衡状态
5-2 李雅普诺夫稳定性的基本概念
一、 平衡状态
系统x = f (x,t) ，X为n 维状态向量，且显含时间变量t，x = f (x,t)为线性或
非线性、定常或时变的n
维向量函数，假定方程的解为
x(t;
x
0
,
t 0
)
，式中
x
0
和 t0 分别为初始状态和初始时刻。
定义：系统 x = f (x,t) 的平衡状态是使x = 0的那一类状态，并用 xe 表示，
1 2
Mx22
，
若用标量函数 V (x) 表示系统的能量。则
V
(x)
=
1 2
Kx12
+
1 2
Mx22
V (x) = Kx1x1 + Mx2x2
=
Kx1x2
+ Mx2 (−
K M
x1
−
f M
x2 )
= − fx22 0
结论：坐标原点处的平衡状态是渐近稳定的。
一、标量函数及其定号性
1．标量函数 V (x) 的符号和性质
+ ... +
a1
+
a0
=
0
如何判断系统的渐近稳定性？
5-4 李雅普诺夫第二方法
李雅普诺夫第二方法，建立在用能量观点分析稳定性的基础上： 若系统的某个平衡状态是渐近稳定的，则系统储存的能量将随时
4.3 李雅普诺夫稳定判据
4.3.1 预备知识
1.标量函数的正定性
标量函数的正定性定义如下： V(x) 0 则称 V ( x ) 是 V(x) 0 ；当 x 0 时， 1）当 x 0 时， 正定的； 2）若 V ( x ) 除原点和某些状态下为零，而其余部分都 大于零，则称 V ( x ) 为半正定的； 3）若 V ( x ) 是正定的，则称 V (x) 是负定的； 4）若 V ( x ) 是半正定的，则称 V (x) 是半负定的； 5）若 V ( x ) 既可以是正值, 也可以是负值,则称 V ( x ) 是 不定的。
P11 P21 n Pn1
P12 P22 Pn 2
P1n P2 n Pnn
( 4.33)
二次型标量函数 V ( x ) 为正定的充要条件是矩阵P的所 有主子行列式为正，即:
1 0
2 0
……
n 0
(4.34)
二次型标量函数 V ( x ) 为负定的充要条件是矩 阵P的各阶主子式满足：
No Image
当 为负定时,平衡状态是渐近稳定的； ( x) ,V ( x ) 当 V 为负定，且 x 时，平衡状态 是大范围渐近稳定的； ( x ) 为半负定时，平衡状态是李氏意义下 当 V 稳定的； ( x) ( x ) 是半负定的， V 当 V 不恒等于0时，平 衡状态是大范围渐近稳定的； ( x ) 为正定时，则平衡状态是不稳定的。 当 V 标量函数称为李雅普诺夫函数。
i
=
0 0
i为偶数 i为奇数
(4.35)
4.3.2 李雅普诺夫稳定判据
若非线性连续系统的状态方程为:
x f ( x , t )
李雅普诺夫方法
pn1 pn2
pnn
的1～n阶顺序主子式，则P定号性的充要条件为：
为实对称矩阵 P
① 若 i 0 (i 1, 2, , n，) P为正定；
②若
i i
0 0
i为偶数时 i为奇数时
(i 1, 2, ，, n)P为负定；
③若 ④若
i 0 （i 1, 2, i 0 (i n)
，n ，1)P为正半定；
二、李雅普诺夫第二法
又称直接法。它受启示于“一个自治系统在运动过程中伴随着 能量的变化”这样一个物理事实。不需要求解系统的运动方程， 直接分析、判断系统的稳定性能。具有很强的普适性。
不能对任何系统都能找到能量函数来描述系统的能量关系。于 是，李雅普诺夫引入一个 “广义能量”函数，它具备能量函数的基 本属性—正的标量函数，它又能给出随着系统运动发生变化的信 息，把这样的“广义能量”函数称为李雅普诺夫函数。更具一般性。
i 0 i 0 i 0
i为偶数 i为奇数 (i n)
，P为负半定。
（二）李雅普诺夫第二法稳定性判据
1．渐近稳定基本判定定理 ：
x = f (x,t)
设系统的状态方程为
，且其平衡状态为
x，e 如0 果存在
一个具有连续一阶偏导数的标量函数
，并且V (满x,足t) 条件：
（1）V ( x,t) 为正定；
平衡状态 x是e 稳定的几何解释：
从球域 S(内) 任一点出发的运动 都不超越球域 S( )。
一个二维状态空间中零平衡 状态 xe 0 是稳定的几何解释 如右图 。
如果 与 t0无关，称为是
一致稳定，定常系统是一致 稳定的。
上述稳定保证了系统受扰运动的有 界性，通常将它称为李雅普诺夫意义 下的稳定，以区别于工程意义的稳定。
李雅普诺夫
4.3 李雅普诺夫第二法
李雅普诺夫第二法又称直接法。它的基本思路不是通过求解系统的运动 方程，而是借助于一个李雅普诺夫函数来直接对系统平衡状态的稳定性做出 判断。它是从能量观点进行稳定性分析的。
4.3.1 预备知识 1.标量函数的符号性质
设 为由 维矢量 所定义的标量函数，
有
。
所有在域 中的任何非零矢量 ，如果：
4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义
4.1.1 系统状态的运动及平衡状态 设所研究系统的齐次状态方程为
（1）
式中， 为 各元素 数。如果不显含
维状态矢量； 为与 同维的矢量函数，它是工的 和时间 的函数。一般地，为时变的非线性函
，则为定常的非线性系统。
设方程式(1)在给定初始条件
下，有唯一解：
式中，
一的，例如对线性定常系统：
（4）
当A为非奇异矩阵时，满足
的解
是系统唯一存在的一个
平衡状态。而当A为奇异矩阵时，则系统将有无穷多个平衡状态。
对非线性系统，通常可有一个或多个平衡状态。它们是由方程式(3)所 确定的常值解．例如系统：
就有三个平衡状态：
由于任意一个已知的平衡状态，都可以通过坐标变换将其 移到坐标原点 处。所以今后将只讨论系统在坐标原点处的稳定性就可以了。
42李雅普诺夫第一法41李雅普诺夫关于稳定性的定义43李雅普诺夫第二法44李雅普诺夫方法在线性系统中的应用45李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用41李雅普诺夫关于稳定性的定义411系统状态的运动及平衡状态设所研究系统的齐次状态方程为1式中为维状态矢量
4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义 4.2 李雅普诺夫第一法 4.3 李雅普诺夫第二法 4.4 李雅普诺夫方法在线性系统中的应用 4.5 李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用
常微分方程的李雅普诺夫函数
常微分方程的李雅普诺夫函数李雅普诺夫函数（Lyapunov function）是研究常微分方程稳定性的重要工具。
它能够通过引入一个函数来刻画系统稳定性的特点，对于分析系统的稳定性和发展趋势具有重要意义。
本文将介绍李雅普诺夫函数的定义、性质及应用，以及在常微分方程中的具体应用案例。
一、李雅普诺夫函数的定义李雅普诺夫函数是一个实数函数V(x)，其中x表示系统的状态变量。
若对于任意一个系统状态x(t)，满足以下条件，那么函数V(x)称为李雅普诺夫函数：1. V(x)是正定函数：对于所有的x≠0，V(x)>0；对于x=0，V(x)=0。
2. V(x)是可微函数：V(x)在定义域内可导。
3. V(x)是递减函数：对于系统状态的演化轨迹x(t)，有dV(x(t))/dt ≤ 0。
二、李雅普诺夫函数的性质1. 李雅普诺夫函数的存在性：对于一类稳定系统，通常可以找到一个李雅普诺夫函数来描述其稳定性。
2. 李雅普诺夫函数的唯一性：对于稳定系统，可能存在多个满足条件的李雅普诺夫函数，但它们在系统稳定性的刻画上是等价的。
3. 李雅普诺夫函数的偏导数性质：对于李雅普诺夫函数V(x)，其偏导数∂V/∂x的性质与系统的稳定性密切相关。
- 若∂V/∂x < 0，则系统是渐进稳定的。
- 若∂V/∂x > 0，则系统是不稳定的。
- 若∂V/∂x = 0，则系统的稳定性无法确定。
三、李雅普诺夫函数的应用李雅普诺夫函数在常微分方程的研究中具有广泛应用，下面介绍几个常见的应用案例。
1. 稳定性分析：李雅普诺夫函数可以用于判断系统状态的稳定性。
通过构造合适的李雅普诺夫函数，可以确定系统的稳定性以及稳定点的性质（渐进稳定、有界稳定等）。
2. 极限周期分析：对于周期系统，李雅普诺夫函数可以用于分析系统周期解的性质。
通过求解李雅普诺夫方程，可以判断周期解的稳定性以及极限周期的存在性。
3. 可解性判定：对于非线性系统，通过构造适当的李雅普诺夫函数，可以从数学上证明系统的可解性，为求解提供理论基础。
第八章 李雅普诺夫稳定性
第八章 李雅普诺夫稳定性我们已经学过判别系统稳定性的几种方法：劳斯-胡尔维兹判据、奈魁斯特判据等，这些方法主要适用于线性定常系统。
本章将介绍适用于一般非线性系统（当然也包括线性定常系统）的李雅普诺夫稳定性判据。
§1 基本概念 1. 系统的分类),()()(t t x f xx f xx A x Ax x ==== 非线性线性非定常定常系统按是否满足迭加原理分为：线性、非线性；按是否显含时间变量分为：定常（自主、时不变）、非定常（非自主、时变）。
线性定常系统最简单，非线性时变系统最复杂。
2. 标量函数的定号性标量函数)(x V 称为正定的（半正定的）若0)(=0V ，且当0≠x 时，0)(>x V （0)(≥x V ）。
标量函数)(x V 称为负定的（半负定的）若)(x V -是正定的（半正定的）。
例如：若⎥⎦⎤⎢⎣⎡=21x x x ，则 2221x x + 正定；21x 半正定；22211x x + 都不是。
⏹ 请特别注意，0)(≥x V 与0)(>x V 的区别（见上面第二例），更要注意0)(=0V 是定号性的必要条件（见上面第三例）。
⏹ 二次型函数Ax x T 的定号性同矩阵A （实对称）的定号性。
⏹ 在不引起混淆时，可直接用0)(>x V 表示正定，其余类推。
3. 运动和平衡状态考虑不受外部作用的系统),(t x f x= ，其状态轨线，即方程的解),;()(00t t t x x φ=称作系统的运动。
满足0=x 的状态e x ，也就是0=),(t e x f 的解（零解），称作系统的平衡状态。
是一种“静止”的运动。
平衡态可能不止一个，甚至无穷多个。
若某一平衡态附近足够小的邻域内没有别的平衡态，则称它为孤立的平衡状态。
经过适当的坐标变换，孤立平衡状态总可以变换到状态空间的原点。
4. 平衡状态的稳定性稳定：对孤立平衡状态e x ，若任给0>ε，存在0)(>εδ，使得由)(0εδ≤-e x x 内任意0x 出发的运动，恒有ε≤-e x x 。