非线性方程解的稳定性 ppt课件

定理 (1) 若矩阵A的全部特征值都具有负实部,则系统 (6.12)的零解是渐近稳定的;
(2) 若矩阵A的全部特征值中至少有一个具有正实部,则系统 (6.12)的零解是不稳定的.
定理(Hurwitz准则) 实系数 n 次代数方程
的所有根具有负实部(包括负实根)的充分必要条件是:
定理 若特征方程
没有零根或零实部的根，则非
就有
则称系统(6.3)的零解
是渐近稳定的; 区域
称为
吸引域;如果吸引域是全空间,则称
是全局渐近
稳定的
. (3) 若
都
与
使
但
则称
是不稳定的。
6.3 相平面
现在讨论二阶微分方程组
（6.5）
它的解
（6.6）
如果把时间t当做参数，仅考虑x，y为坐标的（欧氏）空间， 此空间成为方程组（6.5）的相平面（若方程组是高阶的，则称为 相空间）。在相平面（相空间）中方程组的曲线称为轨线。对一般 的方程组（6.5）在相平面上一个点可能有不止一条轨线经过。但 如果方程组（6.5）是驻定方程组，即其右端函数不显含时间t的情 形，此时（6.5）式变成：
为研究（6.1）的特解
邻近的解的性态，通常先利用
变换: 把方程（6.1）化为：
(6.28) （6.3）
其中 此时显然有：
（6.4）
6.2 稳定性的基本概念
定义6.1 设
是系统(6.3)适合初值条件
的解
(1) 若
使得只要
对一切
恒有
则称系统(6.3)的零解
是稳定的。
(2) 若 1)
是稳定的;
2)
使得只要
）趋近于它时，称此极限圈为
稳定的。如果轨线是负向（即

状态空间法
通过建立和求解状态方程，分析系统的动态 行为和稳定性。
05
非线性电路的仿真 技术
电路仿真软件介绍
Multisim
一款功能强大的电路仿真软件， 适用于模拟和数字电路的仿真， 特别适合非线性电路的仿真。
PSPICE
由MicroSim公司开发的一款电路 仿真软件，适用于模拟和混合信 号电路的仿真。
LTSpice
一款专门用于模拟电路仿真的软 件，具有强大的分析功能和直观 的用户界面。
仿真步骤与技巧
建立电路模型
根据非线性电路的原理图，在仿真软件中建立相应的电路模型。
设置仿真参数
根据需要，设置适当的仿真参数，如时间步长、仿真类型（稳态或瞬态）等。
运行仿真
设置好参数后，运行仿真，观察仿真结果。
分析仿真数据
04
非线性电路的稳定 性分析
稳定性定义
稳定性定义
一个电路在受到扰动后能够回到原来的平衡状态，则称该电路是 稳定的。
平衡状态
电路中各元件的电压、电流和功率达到一种相对静止的状态。
扰动
任何能使电路状态发生变化的外部作用，如电源电压波动、元件参 数变化等。
稳定性判据
1 2
劳斯稳定判据
通过计算系统的传递函数，确定系统稳定性的判 据。
非线性电路在各领域的应用前景
在通信领域，非线性电路可用于信号 处理、调制解调和光通信等方面，提 高通信系统的性能和稳定性。
在生物医学领域，非线性电路可用于 生理信号处理、医学影像和生物信息 等方面，为生物医学研究和临床应用 提供新的工具和方法。
在能源领域，非线性电路可用于电力 电子、电机控制和可再生能源转换等 方面，提高能源利用效率和系统稳定 性。

法求解有困难时，可用图解法绘制。
▪ 对于式（9.2-1）xf(x,x)，令 x1x、 x2x ，
▪
有 x 2f(x1、 x2)，所以 可得 dx2 f (x1、x2)
d d x t2d dx x1 2d d x t1x2d dx x1 2f(x1、 x2)
（9.2-5）
▪
dx1
x2
式（9.2-5）是关于
y
-b 0
k
x
b
a.
b.
图9.1-4 齿轮传动及其间隙特性
y(x)k[xs g x)n b](|y/kx|b y (x)0、 y(x)C |y/kx|b
▪ 系统中若有间隙特性元件，不仅会使系统的输出产生相位滞后，导致 系统稳定裕量的减小，使动态性能恶化，容易产生自振；而且间隙区 会降低定位精度、增大非系线统性控静制差系统。的分析课件
▪ 由于相平面只能表示 x(t ) 和 x(t ) 两个独立变量，所以相 平面法只能用来研究一、二阶线性或非线性系统。
▪ 2）相轨迹的绘制方法
▪ （1）二阶线性系统的相轨迹 ▪ （2）相轨迹的绘制
非线性控制系统的分析课件
j
[s]
2 1
0
a.
j 1 [s]
0
2
d.
x2
j
x2
1
[s]
x1
0
0
0
稳定 节点
x
(
t
)
和 x (t ) 的一阶微分方程，即二阶非线性
系统的相轨迹方程。
▪
由式（9.2-5），令
dx2 f (x1,x2)
dx1
x2
，即有
▪
f (x1, x2 )
（9.2-6）

定理6.1 (稳定性的Liapunov判别法) 设有定义在 D Rn
上的定正(定负)函数 V (x), dV dt
(6.2)
表示 V (x) 沿系统(6.2)的轨线
的全导数
dV (1) 若 dt (6.2)
dV (2) 若 dt (6.2)
在 D 上是常负(常正)的,则 x 0 是稳定的; 在 D 上是定负(定正)的,则 x 0 是渐近稳定的;
称为 x 0 吸引域;如果吸引域是全空间,则称 x 0 是全局渐近
稳定的.
(3) 若 0 0, 0, 都 x0 与 t1 t0 , 使 x0 ,
但 x(t;t0, x0 , 则称 x 0 是不稳定的;
例如, 微分方程 dx ax
dt
满足初值条件 x(t0 ) x0 ,
(a)
(b)
又知,对任意常数,函数x cos(t ), y sin(t ), 也是方程组的解,它的积分曲线是经过(,1, 0)的螺旋
线,但是它们与解x cos t, y sin t有同一条轨线 x2 y2 1.
同是,我们也可以看出, x cos(t ), y sin(t )
(6.1)称为非自治系统, (6.2)称为自治系统,
6.1.1 非自治系统与自治系统的主要区别
自治系统不论是在相空间还是增广相空间,轨线匀不相交. 而非自
治系统在增广相空间积分曲线不相交,但在相空间轨线可能相交.
定义6.1 若存在 x* D 使 f (x*) 0, 则点 x* 称为系统(6.2)
的解为
x x0ea(tt0 ) .
6.3 判定稳定性的Liapunov函数法
定义6.3 设 D x x H Rn,V C(1) (D).

四、李雅普诺夫第二方法
讨论如何应用函数来确定非线性微分方程组的稳定性态
问题，为简单起见，我们只考虑非线性自治微分方程组
其中
dx f (x) dt
（7）
x1
x
x2
xn
f1(x1, x2 ,
f
(x)
f2 (x1,
x2 ,
fn (x1, x2 ,
, xn )
xn
)
xn
)
假设f (0) 0 且 f (x) 在某域G : x A ( A为正常数)内连续的偏导 数，因而方程组（7）的由初始条件x(t0 ) x0 所确定的解在原 点的某个邻域内存在且唯一。显然 x 0 是其特解。
时是定负的。
定理3 如果对微分方程组（7）可以找到一个定正函V数(x) ，其通过（7）
的全导数dV 为常负函数或恒等于零，则方程组（7）的零解为稳定
dt
的。如果有定正函V数(x) ，其通过（7）的全导数dV 为定负的，则方 dt
程组（7）的零解为渐近稳定的。
定理4 （零解稳定判别定理） 对系统
dx F (x), x Rn dt
• 3.线性问题是非线性问题的基础,在一定条件 • 下，非线性问题在局部可以转化为线性问题 • 来讨论。非线性问题的大范围分析仍然是一 • 个难题。
19世纪末20世纪初
Poincare(法国) 创立微分方程定性理论 Liapunov(俄国) 创立微分方程稳定性理论
Logistic方程 Logistic方程
的。
五、结论
本文简述了非线性系统，根据非线性稳定性定理对方 程解的稳定性作了分析，非线性系统主要采用李雅普诺夫 第二方法进行稳定性判断。李雅普诺夫第一方法是将非线 性方程线性化，然后根据线性化后的方程的稳定性就可以 知道原非线性方程在定点邻域内的稳定性。李雅普诺夫第 二方法是构造李雅普诺夫函数不求解方程，用类似能量函 数直接做出判断。

t → +∞
{
}
定义3: 定义3: 若 ∃ε 0 > 0 对 ∀δ > 0 ，∃ x 0尽管 x0 ≤ δ ， 但由初始条件 x (t0 ) = x0 确定的解 x (t ) ,总存在某 个时刻 t1 > t0 使得
x (t1 ) ≥ ε 0
则称（3）式的零解 x = 0是不稳定的。 是不稳定的。 则称（
(a)
A > 0, B > 0
t
0
ε
y′ > 0
(b )
A < 0, B < 0
二、相平面
本节主要讨论二阶线性方程
dx dt = ax + by dy = cx + dy dt
的奇点及其分类
a b ≠0 c d
一般二阶微分方程组的相关概念和性质
dx = X (t; x , y ) dt dy = Y (t; x , y ) dt
0
则称（3）式的零解 x = 0 是稳定的。 是稳定的。 则称（ 若（3）式的零解稳定,且 ∃δ0 >0 使得当 x0 ≤ δ 0时, 式的零解稳定, 由 x (t0 ) = x0 确定的解 x ( t )有 则称零解 x = 0 是渐近稳定的. 是渐近稳定的.
t → +∞
lim x ( t ) = 0
x = y − ϕ (t ) ɺ ɺ ɺ ⇒ x = y − ϕ (t ) = g (t ; y ) − g (t ;ϕ (t )) =g (t ; x + ϕ (t )) − g (t ;ϕ (t )) ≡: f (t ; x )
ɺ x = f (t ; x )
f (t ;0) = 0

10
二、非线性系统的运动特点
(二)系统的零输入响应形式
某些非线性
e态有关。 0
t
11
二、非线性系统的运动特点
(三)极限环（自激振荡）
非线性系统，在初始状态 的激励下，可以产生固定振幅 和固定频率的周期振荡，这种 周期振荡称为非线性系统的自 激振荡或极限环。
❖ 计算机仿真(Computer simulation)
16
§8.2 相平面图
相平面法(Phase-plane technique) 是庞卡莱(H. Poincare)提出来的一种 用图解法求解一阶、二阶微分方程 的方法，它实质上属于状态空间分 析法在二维空间中的应用，该方法 适合于研究二阶系统。
非线性特性千差万别，对于非线性系统，目前还没有统一的且普遍适用的处 理方法。线性系统是非线性系统的特例，线性系统分析和设计方法在非线性9 控制 系统的研究中仍将发挥非常重要的作用
二、非线性系统的运动特点
(一)稳定性
与系统的结构和参数及系统的输入信 号和初始条件有关。
研究时应注意： 1、系统的初始条件； 2、系统的平衡状态。
第八章 非线性控制系统
Nonlinear Control System
1
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
2
内容提要
§8.1 概述 §8.2 相平面图 §8.3 奇点和极限环 §8.4 非线性系统的相平面图分析 §8.5 非线性特性的描述函数 §8.6 用描述函数分析非线性系统
-M
(d) 8
当系统中含有一个或多个具有非线性特性的元件时， 该系统称为非 线性系统。一般地，非线性系统的数学模型可以表示为

非线性规划的优化目标是找到使目标函数达到最大值或最小值的最优解。这些目标可以是经济、社会或 科学领域中的实际问题。
非线性规划的约束条件
非线性规划的约束条件是指限制问题解的一组方程或不等式。这些约束条件可以包括物理限制、资源约 束和行为限制等。
非线性规划的求解方法
线性化方法
将非线性问题转化为等价的 线性问题，然后使用线性规 划方法求解。
牛顿法
使用牛顿迭代法逐步逼近最 优解。
拟牛顿法
使用近似Hessian矩阵的方法 优化牛顿法。
变尺度法、全局优化方法
1
变尺度法
通过改变尺度，将问题转化为更易求解的形式。
2
全局优化方法
使用启发式算法寻找全局最优解。
非线性规划的应用领域
生产计划问题
优化生产计划，提高效率和利润。
交通运输问题
优化交通网络和运输流程。
优化电力系统
使电力系统运行更加高效和可靠。
决策支持系统
为决策者提供优化建议和决策支持。
医资源分配和治疗方案。
非线性规划的挑战
复杂的问题结构和求解困难。
未来的研究方向
未来的研究方向包括改进算法性能、适用于大规模问题的方法和考虑不确定性的优化模型等。
《非线性规划》PPT课件
在这个《非线性规划》PPT课件中，我们将深入探讨非线性规划的各个方面， 并介绍其在不同领域的应用。让我们一起开启这个激动人心的学习之旅！
什么是非线性规划？
非线性规划是一种在优化问题中寻找最优解的数学方法。它处理的是有非线 性约束条件和目标函数的优化问题。
非线性规划的优化目标

根据扰动类型
分为线性稳定性和非线性稳定性。线 性稳定性主要关注线性系统的稳定性 ，而非线性稳定性则关注非线性系统 的稳定性。
02
CATALOGUE
线性稳定性模型
线性稳定性模型的原理
01
线性稳定性模型是一种数学模型，用于描述系统的 动态行为和稳定性。
02
它基于线性微分方程或差分方程，通过分析系统的 平衡点和稳定性来预测系统的长期行为。
稳定性模型的重要性
预测系统行为
通过稳定性模型，可以预测系统在受到扰动后的行为 ，从而提前采取措施进行控制。
系统优化
通过调整系统参数，提高系统的稳定性，优化系统的 性能。
安全保障
稳定性模型有助于确保系统的安全运行，预防系统崩 溃或失控。
稳定性模型的分类
根据时间尺度
分为长期稳定性和短期稳定性。长期 稳定性关注系统在长时间内的行为， 而短期稳定性关注系统在短时间内的 行为。
THANKS
感谢观看
动态稳定性模型的应用实例
气候模型的稳定性分析
动态稳定性模型可以用于分析气候系统的稳 定性和动态行为，预测气候变化和极端气候 事件。
经济模型的稳定性分析
在经济模型中，动态稳定性模型可以用于分析经济 系统的稳定性和周期性波动，预测经济趋势和政策 效果。
社会动态模型的稳定性分 析
在社会动态模型中，动态稳定性模型可以用 于分析社会系统的稳定性和动态行为，研究 社会现象和演化过程。
非线性稳定ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模型的应用实例
1 2 3
机械系统中的振动分析
非线性稳定性模型可以用于分析机械系统的振动 行为，研究系统的共振和稳定性，优化机械设计 。
化学反应动力学模型
在化学反应动力学中，非线性稳定性模型可以用 于研究化学反应的动态行为和稳定性，预测化学 反应的产物和反应速率。

当短倾线倾角为45°时，其斜率k为1, 有
x2
x1
该0式.2表1示x12的曲1 线上的每一点斜率均为1。
如上可做其它斜率的倾线，形成如下图
的斜率分布场。画每根相轨迹时，先找
式中，
n1
2
An
1
ytconstdt
0
2
B n
1
y t sin n td t
0
Yn
A
2 n
B
2 n
n arctan
An Bn
如果非线性环节输出的直流分量等于零， 即 A0 0 ，则
y t A1 cos t B 1 sin t Y1 sin t 1
其描述函数为
x1 x2
x2 0.2x121x2x1
因此
d d 1 2 x x 0 .2 x 1 2 x 2 1 x 2 x 1 0 .2 x 1 2 1 x x 1 2
即
k0.2x12
1x1 x2
所以
x2
x1
0.21x12
k
当短倾线倾角为0°时，其斜率k为0，有
x2 该0式.21表x1 示x12的曲线上的每一点斜率均为0。
X Xoijj 1NNG jG j
9.3 相轨迹法
9.3.1 相轨迹的作图法 9.3.2 奇点 9.3.3 非线性系统的相平面分析
9.3.1 相轨迹的作图法
二阶系统状态空间方程为
dx 1
dt dx 2
dt
f1x1, x2 f2 x1, x2
（1）
将式（1）的两式相除，得 解式（2）可得
（3）自持振荡的相轨迹是封闭曲线。
（4）相轨迹若穿过x轴，必然垂直穿过。
在作相轨迹时，考虑对称性往往能使作图简

0
M
x h2 h2 x h1
x h1
(7 4a)
.
当x 0:
M
y
0
M
x h1 h1 x h2
x h2
(7 4b)
19
图（b）所示继电特性的数学描述由 读者自行导出。
20
4、间隙特性
传动机构的间隙也是控制系统中常见的非线性 特性，齿轮传动是典型的间隙特性，图7-4（a） 表示齿轮传动原理，图7-4（b）表示主动轮位移 与从动轮位移的关系。设主动轮与从动轮间的最 大间隙为2b，那么当主动轮改变方向时，主动轮 最大要运动2b从动轮才能跟随运动。间隙特性类 似于线性系统的滞后环节，但不完全等价，它对 控制系统的动态、稳态特性都不利。设齿轮传动 速比为，则图7-4间隙特性的数学描述为：
22相平面法是庞加莱poincare1885年首先提出的本来它是一种求解二元一阶非线性微分方程组的图解法两个变量构成的直角坐标系称为相平面方程组的解在相平面上的图象称为相轨这里是将相平面法用于分析一阶尤其是二阶非线性控制系统并形成了一种特定的相平面法它对弄清非线性系统的稳定性稳定域等基本属性解释极限环等特殊现象起到了直观形象的作23因为绘制两维以上的相轨迹是十分困难的所以相平面法对于二阶以上的系统几乎无能为力
一点在 x x平面上绘出的曲线，表征了系统的
运动过程，这个曲线就是相轨迹。我们用一个二 阶线性时不变系统来体验一下相平面和相轨迹。
26
例7-1 考虑二阶系统：
..
x ax 0 , a 0, x(t0 ) x0 ,
将它写成微分方程组：
dx
.
x
dt.
d x ax
dt
两式相除得到：
.
dx dx

分叉与混沌
分叉
当非线性微分方程的参数发生变化时， 系统的解可能会发生突然变化，这种现 象称为分叉。分叉是描述系统从有序状 态到混沌状态转变的重要概念。
VS
混沌
混沌是非线性微分方程的一种复杂动态行 为，它表现为对初值敏感依赖、不可预测 性和长期行为的复杂性。混沌现象在自然 界和工程领域中广泛存在，对混沌的研究 有助于深入理解复杂系统的行为和演化。
函数和展开方式。
非线性微分方程的应用
04
物理中的应用
01
振荡现象
非线性微分方程可以描述各种物理系统的振荡现象，如 弹簧振荡器、电磁振荡器等。通过求解非线性微分方程 ，可以了解系统的振动规律和稳定性。
03
02
流体动力学
在流体动力学中，非线性微分方程可以描述湍流、波动 等现象。通过求解这些方程，可以研究流体的运动规律 和稳定性。
经济周期分析
非线性微分方程可以用于分析经济周期的波动和稳定性。通过建立相应的模型，可以研究经济周期的规 律和预测未来的发展趋势。
生物中的应用
生态模型
在生态学中，非线性微分方程可以用于描述种群数量的动态变化 。通过建立相应的模型，可以研究生态系统的稳定性和演化规律
。
神经网络
在神经科学中，非线性微分方程可以用于描述神经元的电信号传 递和神经网络的动态行为。通过求解这些方程，可以了解神经网
络的运行机制和稳定性。
生物分子动力学
在生物分子动力学中，非线性微分方程可以用于描述蛋白质折叠 、DNA分子转录等过程的动态变化。通过求解这些方程，可以了
解生物大分子的结构和功能稳定性。
05 非线性微分方程的展望
理论研究的挑战与机遇
要点一
挑战

3.55
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
2.1 解的形态及稳定性 问题1：如何观察和确定迭代解？ Poincare截面
3.8
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1
N 100
N 500
1 0.9 0.8 0.7
循环：扫描参数区间
循环：数值迭代 消除过渡过程并画图
2.1 解的形态及稳定性 问题4：分岔图的程序实现
2.1 解的形态及稳定性
2.1 解的形态及稳定性 【分岔】 随着参数的变化，动力系统的解的性态发生质的变化。
发生分岔的前提：失稳
分岔：把定常解、周期解的稳定性和混沌联系在一起。 运动稳定性：经典的课题 混沌：现代的课题
临界慢化现象：在解的性态发生改变的临界点处，过 渡过程变得很长，收敛速度变得非常慢。
2.1 解的形态及稳定性
一元一次离散映射系统数值迭代的问题： 观察和确定迭代解 临界点处的迭代：临界慢化现象 初值点对迭代解性态的影响 分岔图的绘制
2.1 解的形态及稳定性 问题3：初值对解的性态的影响
8 7 6 5 4 3 x 10
29
60
80
100
120
y = 4.7332e-031
f ( x) 2 x
2 1 0
2.1 解的形态及稳定性
f ( x) x(1 x)
x=0.1; u=0.5; for i=1:100 y=u*x*(1-x); x=y; end y
运行结果： y = 7.8544e-008

如果向量函数 g (t; y ) 在某域 G 内连
续，且关于 y 满足局部里普希茨条件，则方程组（6.1）的满足初始
条件 y(t0 ) y0 的解 y (t; t0 , y0 )((t0 , y0 ) G) 可以延拓，或者延拓 到 (或 - ); 或者使点 (t , (t; t0 , y0 )) 任意接近区域 G 的边界。
则n阶微分方程可以用一阶方程组
dy 写成向量形式： g (t ; y ) dt
（6.1）
设给定方程组（6.1）的初始条件为 y(t0 ) y0 考虑包含点(t0 , y0 ) (t0 ; y10 ,, yn0 ) 的某区域 R :| t t0 | a, y y0
b
所谓 g (t; y0 ) 在域 G 上关于 y 局部满足利普希茨条件是指对于 G
6.2 稳定性的基本概念
定义6.1 设 的解 (1) 若
x(t; t0 , x0 )
是系统(6.3)适合初值条件 x(t0 ) x0
使得只要 x0 , 对一切
0, ( ) 0,
t t0
恒有
x(t; t0 , x0 ) ,
则称系统(6.3)的零解 (2) 若 1) 2)
R 上连续且关于
y 满足利普希茨条件，则方程组（6.1）存在唯一解 y (t; t0 , y0 ),
它在区间 t t0 h 上连续，而且 (t0 ; t0 , y0 ) y0 b 这里 h min( a, ), M max g (t ; y ) . ( t , y )R M 解的延拓与连续性定理
内任意点 (t0 , y0 ), 存在闭邻域 R G, 而 g (t; y0 ) 与