3.4线性系统的稳定性分析

线性系统的稳定性分析实验报告本实验旨在对线性系统的稳定性进行分析，包括定义稳定性、利用极点分布法分析稳定性、利用本征模态分析稳定性、以及使用Matlab进行稳定性分析等内容。

一、实验背景稳定性是控制系统研究中一个非常重要的概念，它与系统的性能、可靠性、控制策略等密切相关。

简而言之，稳定性就是指当输入信号发生变化时，系统能否在一定时间范围内维持稳定状态。

对于线性系统，稳定性的分析可以通过系统的传递函数、本征模态等途径进行求解。

二、实验设备（1）计算机（2）Matlab软件三、实验过程及结果1.定义稳定性在控制系统稳定性分析中，一般都是针对线性时不变系统进行讨论。

对于线性时不变系统，我们可以采用两种常用的定义方法来判断其稳定性：（1）定义1：系统是稳定的，当且仅当系统的输入信号有界时，系统的输出信号也有界。

（2）定义2：系统是稳定的，当且仅当系统的特征方程所有极点的实部均小于0。

2.利用极点分布法分析稳定性极点分布法是一种常用的线性时不变系统稳定性分析方法，通过计算系统的特征方程的极点分布来判断系统的稳定性。

例如，现有一个传递函数为G(s)= 1/ (s+1)(s-2)的系统，可以写出系统的特征方程：s^2-s-2=0求解特征方程，得到系统的两个极点为s1=2,s2=-1，其中s2=-1的实部小于0，符合定义2的稳定性判断标准，因此该系统是稳定的。

3.利用本征模态分析稳定性本征模态是指一组特定的正交基，通过它们可以表示出系统的任意初始状态和任意输入下的响应。

因此，本征模态分解法是一种可以用来分析线性可逆系统稳定性的工具。

例如，现有一个传递函数为G(s)= 1/(s+3)的系统，对应的状态空间方程为：x(t+1)=Ax(t)+Bu(t)y(t)=Cx(t)+Du(t)其中，A=[-3]，B=[1]，C=[1]，D=0。

求解系统的本征值，得到该系统的特征根为-3，证明该系统是非常稳定的。

因此，该系统满足定义2的稳定性判断标准。

线性和非线性系统的稳定性和控制在控制系统中，线性和非线性系统是常见的两种形式。

线性系统具有可加性和比例性质，非线性系统则不满足这些性质。

在这篇文章中，我们将探讨线性和非线性系统的稳定性和控制，以及它们之间的差异。

1. 线性系统的稳定性和控制在线性系统中，当系统的输入和输出之间的关系满足线性方程时，我们可以使用线性的控制方法来调节其行为。

例如，当我们使用一个比例控制器来调节温度时，我们假设系统的响应是线性的。

这意味着，如果我们两倍地增加控制器的输出，系统的响应也会两倍增加。

线性系统的稳定性可以用传输函数的极点和零点来分析。

当传输函数的所有极点实部都小于零时，系统是稳定的。

如果有任何一个极点的实部大于零，系统就是不稳定的。

我们可以使用各种线性控制器来稳定系统，例如比例控制器、积分控制器和微分控制器。

2. 非线性系统的稳定性和控制对于非线性系统，它们的行为是更加复杂的。

它们不具有可加性和比例性质，这意味着我们无法使用线性控制方法来调节系统行为。

例如，在一个非线性电路中，如果我们将输入信号的幅度加倍，输出信号的幅度可能会非常不同。

非线性系统的稳定性也比线性系统更加复杂。

我们不能简单地使用传输函数的极点和零点来分析系统的稳定性。

相反，我们需要使用更高级的数学工具，例如李雅普诺夫稳定性理论。

该理论使用能量函数来分析系统的行为，从而判断系统是否稳定。

我们可以使用各种非线性控制器来调节非线性系统，例如反馈线性化控制和滑动模态控制。

3. 线性系统和非线性系统的不同在稳定性和控制方面，线性系统和非线性系统之间存在显著的差异。

线性系统具有可加性和比例性质，可以方便地使用传输函数来分析稳定性和设计控制器。

然而，非线性系统不具备这些特性，需要使用更高级的数学工具来分析稳定性和设计控制器。

此外，非线性系统可能会表现出一些奇异的行为，例如混沌和周期性振荡。

这些行为是线性系统所不具有的，因为线性系统的行为是可预测的和稳定的。

对于非线性系统，我们需要更加小心地分析其行为，以确保系统的稳定性和符合我们的预期。

实验三 线性系统的稳定性和根轨迹分析
一、实验目的
1、学会用MATLAB 求取系统根轨迹和暂态响应的方法。

2、掌握利用根轨迹分析系统性能的方法。

3、掌握线性定常系统暂态性能指标的测试方法。

4、研究线性定常系统的参数对其暂态性能和稳定性的影响。

二、实验内容
系统的开环传递函数为
()()(2)(10)
K G s H s s s s =++ 1、画出系统根轨迹，求出系统的临界开环增益和对应的闭环极点。

2、求出阻尼比为0.707时系统的开环增益和对应的闭环极点。

3、选取不同的K 值，观察系统在稳定、临界稳定、不稳定时的单位阶跃响应。

4、观察阻尼比为0.707时系统的单位阶跃响应，求出最大超调量和调整时间。

三、实验报告要求
1、预习报告写出各实验内容相应的程序，计算出相关的理论值。

2、实验报告记录各实验结果，并进行分析。

3、实验中存在的问题分析、讨论或建议。

线性系统的稳定性分析与判据稳定性是线性系统分析中的重要概念，它描述了系统在输入和干扰下的响应是否趋于有界。

稳定性分析和判据在控制工程、通信工程等领域具有广泛的应用。

本文将介绍线性系统稳定性的基本概念、分析方法和判据。

一、线性系统稳定性的基本概念线性系统由一组线性方程表示，可用状态空间模型描述。

在进行稳定性分析之前，我们先来了解一些基本概念。

1. 输入与输出：线性系统接收一个或多个输入信号，并产生相应的输出信号。

输入和输出可以是连续的信号或离散的序列。

2. 状态：系统的状态是指能够完全描述系统行为的一组变量。

状态可以是连续的或离散的，通常用向量表示。

3. 零状态响应与完全响应：零状态响应是指系统在无外部输入的情况下的输出。

完全响应是指系统在有外部输入的情况下的输出。

4. 稳定性：一个线性系统是稳定的，当且仅当其任何有界的输入所产生的响应也是有界的。

如果系统输出在有界输入下有界，我们称系统是BIBO（Bounded-Input, Bounded-Output）稳定的。

二、系统稳定性的分析方法稳定性分析主要通过判定系统的特征值来实现。

系统的特征值决定着系统的响应特性，在稳定性分析中起着关键作用。

1. 特征值分析：特征值是描述系统动态特性的重要指标。

对于连续系统，特征值是状态方程的解的指数项；对于离散系统，特征值是状态方程的解的系数。

通过计算特征值，可以判断系统的稳定性。

2. 极点分析：极点是特征值的实部和虚部共同确定的。

稳定系统的特征值的实部都小于零，不稳定系统至少有一个特征值的实部大于零。

3. 频域分析：稳定性分析还可以通过频域方法进行。

常见的频域分析方法包括幅频响应法和相频响应法。

通过分析系统的频率特性，我们可以得到系统的稳定性信息。

三、线性系统稳定性的判据除了特征值分析和频域分析，我们还可以利用一些判据来判断系统的稳定性。

1. Nyquist准则：Nyquist准则是常用的稳定性判据之一。

通过计算系统的传递函数在复平面上的闭合轨迹，可以判断系统的稳定性。

线性系统稳定性分析1.系统的稳定性：（1） 外部稳定：又称输出稳定，就是系统在干扰取消后，在一定时间内其输出会恢复到原来的稳定输出。

输出稳定有时描述为系统的BIBO 稳定，即有限的系统输入只能产生有限的系统输出。

（2） 内部稳定：主要针对系统内部状态，反映的是系统内部状态受干扰信号的影响情况。

当干扰信号取消后，若系统的内部状态会在一定时间内恢复到原来的平衡状态，则称系统状态稳定。

经典控制论中，研究对象都是高阶微分方程或传递函数描述的单输入单输出（SISO ）系统，反映的仅仅是输入与输出的关系，不涉及系统的内部状态，因此经典控制论只讨论系统的输出稳定问题。

对于系统内部状态稳定问题，经典控制论中的方法就不好发挥作用了，需要用到Lyapunov 稳定性理论。

2.平衡状态：设控制系统齐次状态方程为：0.0(,)()|t t X f X t X t X ===，其中，()X t 为系统的n 维状态向量，f 是有关状态向量X 以及时间t 的n 维矢量函数，f 不一定是线性定常的。

如果对所有的t ，状态e X 总满足：(,)0e f X t =，则称e X 为系统的平衡状态。

对于一般控制系统，可能没有，也可能有一个或多个平衡状态。

系统的状态稳定性是针对系统的平衡状态的，当系统有多个平衡状态时，需要对每个平衡状态分别进行讨论。

3. Lyapunov 稳定性分析（1）Lyapunov 稳定性定义设一般控制系统的解为：00()(;,)X t t X t =Φ，它是与初始时间0t 及初始状态0X 有关的，体现系统状态从00(,)t X 出发的一条状态轨迹。

设e X 为系统的一个平衡点，如果给定一个以e X 为球心，0(,)t δε为半径的n 维球域()S δ，使得从()S δ球域出发的任意一条系统状态轨迹00(;,)t X t Φ在0t t ≥的所有时间内都不会跑出()S ε球域，则称系统的平衡状态e X 是Lyapunov 稳定的。

关于线性系统稳定性的进一步探究任何一个实际系统总是在各种偶然和持续的干扰下运动或工作的。

显然，我们首先要考虑的问题是，当系统承受这种干扰之后，能否稳妥地保持预定的运动轨迹或者工作状态，这就是稳定性。

此外，我们知道，描述系统的数学模型，绝大部分都是近似的，这或者是由于量测误差，或者是为使问题简化，而不得不忽略某些次要因素。

近似的数学模型能否如实反映实际的运动，在某种意义上说，也是稳定性问题。

系统的稳定性在控制中是一个很重要的问题。

在学习完稳定性理论之后，对此有了更为深刻的理解，不单单停留在输出跟踪输入的浅显印象之上，获益匪浅。

因此，本文根据黄琳院士较为精炼的数学讲解，描述了一些自己对该问题的直观思考，并且结合线性系统和具体实例对稳定性作进一步分析，使内容不再过于抽象，更为深入地理解其应用价值。

1 预备理论1.1 微分方程解的表示考虑微分方程00(,)()xf x t x t x =⎧⎨=⎩ 其解()x t 是自变量t 的函数，而0t ，0x 变动时对应的解也随着变动，故它应该是自变量t 与初值0t 、0x 的函数, 可记为00(;,)x t t x 。

例如：000000(;,)()t t t t xx x x t t x e x t e x --=⇒=== 问题：当初值变动时，对应的解如何变动？在应用上的意义是：初值通常是用实验方法求得的，实验测得的数据不可能绝对准确，若微小的误差会引起对应解的巨大变动，那么所求的初值问题解的实用价值就很小。

1.2 Lipschitz 条件001212(,)()(,)(,)(,):x f x t x t x t t t t t I x W R==∈⊂-∞+∞=∈⊂ (,)f x t 的定义域记为⨯W I 。

若存在常数L ，使得对任何I,,Wt x y ∈∈都有(,)(,)f x t f y t L x y -≤-则称f 在W I ⨯上满足Lipschitz 条件。

实验五 自动控制系统的稳定性和稳态误差分析一、实验目的1、研究高阶系统的稳定性，验证稳定判据的正确性；2、了解系统增益变化对系统稳定性的影响；3、观察系统结构和稳态误差之间的关系。

二、实验任务1、稳定性分析欲判断系统的稳定性，只要求出系统的闭环极点即可，而系统的闭环极点就是闭环传递函数的分母多项式的根，可以利用MATLAB 中的tf2zp 函数求出系统的零极点，或者利用root 函数求分母多项式的根来确定系统的闭环极点，从而判断系统的稳定性。

（1）已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为0.2( 2.5)()(0.5)(0.7)(3)s G s s s s s +=+++，用MATLAB 编写程序来判断闭环系统的稳定性，并绘制闭环系统的零极点图。

在MATLAB 命令窗口写入程序代码如下：z=-2.5p=[0,-0.5,-0.7,-3]k=0.2Go=zpk(z,p,k)Gc=feedback(Go,1)Gctf=tf(Gc)dc=Gctf.dendens=poly2str(dc{1},'s')运行结果如下：dens=s^4 + 4.2 s^3 + 3.95 s^2 + 1.25 s + 0.5dens 是系统的特征多项式，接着输入如下MATLAB 程序代码：den=[1,4.2,3.95,1.25,0.5]p=roots(den)运行结果如下：p =-3.0058-1.0000-0.0971 + 0.3961i-0.0971 - 0.3961ip为特征多项式dens的根，即为系统的闭环极点，所有闭环极点都是负的实部，因此闭环系统是稳定的。

下面绘制系统的零极点图，MATLAB程序代码如下：z=-2.5p=[0,-0.5,-0.7,-3]k=0.2Go=zpk(z,p,k)Gc=feedback(Go,1)Gctf=tf(Gc)[z,p,k]=zpkdata(Gctf,'v')pzmap(Gctf)grid运行结果如下：z =-2.5000p =-3.0058-1.0000-0.0971 + 0.3961i-0.0971 - 0.3961ik =0.2000输出零极点分布图如图3-1所示。

第三章 线性系统的稳定性分析3.1 概述如果在扰动作用下系统偏离了原来的平衡状态，当扰动消失后，系统能够以足够的准确度恢复到原来的平衡状态，则系统是稳定的。

否则，系统不稳定。

一个实际的系统必须是稳定的，不稳定的系统是不可能付诸于工程实施的。

因此，稳定性问题是系统控制理论研究的一个重要课题。

对于线性系统而言，其响应总可以分解为零状态响应和零输入响应，因而人们习惯分别讨论这两种响应的稳定性，从而外部稳定性和内部稳定性的概念。

应用于线性定常系统的稳定性分析方法很多。

然而，对于非线性系统和线性时变系统，这些稳定性分析方法实现起来可能非常困难，甚至是不可能的。

李雅普诺夫(A.M. Lyapunov)稳定性分析是解决非线性系统稳定性问题的一般方法。

本章首先介绍外部稳定性和内部稳定性的概念及其相互关系，然后介绍李雅普诺夫稳定性的概念及其判别方法，最后介绍线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析。

虽然在非线性系统的稳定性问题中，Lyapunov 稳定性分析方法具有基础性的地位，但在具体确定许多非线性系统的稳定性时，却并不是直截了当的。

技巧和经验在解决非线性问题时显得非常重要。

在本章中，对于实际非线性系统的稳定性分析仅限于几种简单的情况。

3.2 外部稳定性与内部稳定性3.2.1 外部稳定：考虑一个线性因果系统，如果对一个有界输入u （t ），即满足条件：1()u t k ≤<∞的输入u （t ），所产生的输出y （t ）也是有界的，即使得下式成立：2()y t k ≤<∞则称此因果系统是外部稳定的，即BIBO （Bounded Input Bounded Output ）稳定。

注意：在讨论外部稳定性的时候，我们必须要假定系统的初始条件为零，只有在这种假定下面，系统的输入—输出描述才是唯一的和有意义的。

系统外部稳定的判定准则系统的BIBO 稳定性可根据脉冲响应矩阵或者传递函数矩阵来进行判别。

a) 时变情况的判定准则对于零初始条件的线性时变系统，设(,)G t τ为脉冲响应矩阵，则系统BIBO 稳定的充要条件是，存在一个有限常数k ，使对于一切0[,),(,)t t G t τ∈∞的每一个元0(,)(1,2,.......;1,2,.....)(,)ij tij t g t i q j p g t d k τττ==≤<∞⎰有即，(,)G t τ是绝对可积的。