李雅普诺夫方程 p矩阵计算方法

矩阵理论在李雅普洛夫稳定性分析上的应用矩阵理论在李雅普洛夫稳定性分析上的应用一引言一个自动控制系统要能正常的工作，必须首先是稳定的系统，即当系统受到外界干扰时，它的平衡被破坏但是在外界干扰去掉之后，它仍能够有能力自动地恢复到平衡态下继续工作，系统的这种性能称为稳定性。

例如，电压自动调节系统中保持电机电压为恒定的能力，电机自动调速系统中保持电机转速为一定的能力以及火箭飞行中保持航向为一定的能力等。

也可以说，系统的稳定性就是系统在受到外界干扰后，系统的状态变量或者输出变量的偏差量过渡过程的收敛性，用数学方法就是表示为：ε≤∆∞→|)(|lim t x n式中，)(t x ∆为系统被调量偏离其系统位置的变化量，ε为任意小的规定量。

如果系统在受到外界干扰后偏差量越来越大显然不是一个稳定的系统。

李雅普洛夫第二法也称为直接法，它的特点是通过定义李雅普洛夫函数，直接判断分析系统的稳定性。

二 李雅普洛夫意义下的稳定性定义 ：对于由状态方程),(t x f x =∙描述的系统对于任意给定的实数0>ε和任意给定的初始时刻0t ，都对应存在一个实数0),(0>t εδ使得对于从任意位于平衡态e x 的球域),(δe x S 的初始状态0x 出发的状态方程的解x 都位于球域),(δe x S 内，则称系统的平衡态e x 是李雅普洛夫意义下的稳定性。

李雅普洛夫稳定性示意图 李雅普洛夫不稳定性的示意图 1） 李雅普洛夫第二法的相关定理 矩阵论相关知识：x2O x1ε δ X(0) x2O x1 1 δ ε① 范数范数在数学中定义为度量n 维空间的点之间的距离。

在工程中常用的是2-范数，就欧几里得范数，其定义式为：∑=-=-ni i i x x x x 12,2,1221)( 其中的i x ,1和i x ,2分别为向量1x 和2x 的各分量。

② 各点组成的空间成为球域，记为),(0δx S 。

即),(0δx S 包含满足δ≤-20x x 的n 维空间中的各点x③ 定义：设对称矩阵P 为二次型函数)(x V 的权矩阵，当)(x V 分别为正定，负定，非负定，非正定与不定时，则对称阵P 相应的为正定，负定，非负定，非正定与不定。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系6.241：动态系统－2003年秋复习 6李亚普诺夫方法在这一小节中我们将回顾稳定性的概念，并使用李亚普诺夫直接法、间接法对系统平衡点附近的稳定性进行分析。

接下来我们将提供一系列的例子。

稳定性的定义考虑一个自由（时不变）非线性系统，该系统可以描述为()(())x t f x t •=。

这个系统的一个平衡点就是方程的一个根。

因为任意一个平衡点()0f x −=x −不在原点的系统都可以很方便的转化为一个平衡点在原点的相似系统（例如，令z x x −=−），所以在定义中，我们假定所讨论的系统的平衡点在原点。

如果对于任意给定的0ε>，都存在0δ>，使得若0()x t δ<，()x t ε<对于一切都成立，那么称系统在原点附近的平衡点是李亚普诺夫意义下稳定的（i.s.L ）。

如果系统在原点附近的平衡点附近是稳定的，并且存在0t t >0α>，使得若0()x t α<，则当时，那么称系统是李亚普诺夫条件下渐近稳定的。

如果t →∞()0x t →lim ()0t x t →∞=在任意初始条件，即0()x t 在状态空间的任意位置都成立，那么系统是全局渐近稳定的。

李亚普诺夫直接法总体说来，证明一个形如()(())x t f x t •=的非线性系统在原点附近的全局渐近稳定性是一个非常困难的工作，其难度相当于在任一初始条件0()x t 下求解()x t 的封闭解的表达式。

对于线性时不变系统（()()()x t Ax t Bu t •=+），我们得到封闭解表达式，即： 00()()()0()()tA t t A t Bu d t x t e x t e τττ−−=+∫ （1）对于任意矩阵A （不论是否可以对角化），当且仅当A 的特征向量全部位于左半开复平面1，线性系统x Ax •=在原点附近是渐近稳定的。

这是由()x t 表达式中的衰减指数项决定的。

李雅普诺夫方程求解李雅普诺夫方程是一个非线性偏微分方程，具体形式如下：ut + uux + αuxx = 0其中，u(x,t)为未知函数，α为常数。

它的物理意义是描述一维非粘性流体中的波动行为。

该方程的解析解一般较难求解，但是可以通过一些数值方法进行近似求解。

求解李雅普诺夫方程的一种经典方法是使用有限差分法。

该方法将连续的一维空间离散化成N个点，同时将时间轴也进行离散化，得到一个网格结构。

在这个网格上，我们可以用差分方程来逼近方程的求解。

具体来说，我们可以使用简单的方法，比如向前欧拉方法（即前向差分法）或者向后欧拉方法（即后向差分法），也可以使用更高阶的方法，比如Crank-Nicolson方法。

无论使用什么方法，都需要注意网格的选择。

如果网格太粗，求解结果的精度会降低；如果网格太细，计算时间会增加，同时出现数值不稳定的现象。

通常情况下，我们需要通过试探，确定合适的网格大小。

求解李雅普诺夫方程的另外一种方法是使用数值模拟法。

该方法可以对方程进行更加精细的求解，同时可以考虑更加复杂和现实的情形。

数值模拟法的基本思想是将流体划分成一个个微小的体积元，同时考虑它们之间的相互作用和力的作用。

在这个基础上，我们可以模拟出流体在某一时刻的状态，并利用时间迭代，得到流体在未来各个时刻的状态。

数值模拟法的缺点是计算速度较慢，同时也难以处理特定的边界条件。

但是，它适用于各种不同的物理问题，并且也可以处理更加复杂的流体现象。

总的来说，李雅普诺夫方程是一个非常重要的理论问题。

虽然它的解析解较为复杂，但是通过数值方法和物理模拟，我们可以有效地求解它，同时深入研究一维非粘性流体的波动行为。