系统稳定性意义以及稳定性的几种定义 一、引言： 研究系统的稳定性之前，我们首先要对系统的概念有初步的认识。 在数字信号处理的理论中，人们把能加工、变换数字信号的实体称作系统。由于处理数字信号的系统是在指定的时刻或时序对信号进行加工运算，所以这种系统被看作是离散时间的，也可以用基于时间的语言、表格、公式、波形等四种方法来描述。从抽象的意义来说，系统和信号都可以看作是序列。但是，系统是加工信号的机构，这点与信号是不同的。人们研究系统还要设计系统，利用系统加工信号、服务人类，系统还需要其它方法进一步描述。描述系统的方法还有符号、单位脉冲响应、差分方程和图形。 电路系统的稳定性是电路系统的一个重要问题，稳定是控制系统提出的基本要求，也保证电路工作的基本条件；不稳定系统不具备调节能力，也不能正常工作，稳定性是系统自身性之一，系统是否稳定与激励信号的情况无关。对于线性系统来说可以用几点分布来判断，也可以用劳斯稳定性判据分析。对于非线性系统的分析则比较复杂，劳斯稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据受到一定的局限性。 二、稳定性定义： 1、是指系统受到扰动作用偏离平衡状态后，当扰动消失，系统经过自身调节能否以一定的准确度恢复到原平衡状态的性能。若当扰动消失后，系统能逐渐恢复到原来的平衡状态，则称系统是稳定的，否则称系统为不稳定。 稳定性又分为绝对稳定性和相对稳定性。 绝对稳定性。如果控制系统没有受到任何扰动，同时也没有输入信号的作用，系统的输出量保持在某一状态上，则控制系统处于平衡状态。 （1）如果线性系统在初始条件的作用下，其输出量最终返回它的平衡状态，那么这种系统是稳定的。 （2）如果线性系统的输出量呈现持续不断的等幅振荡过程，则称其为临界稳定。（临界稳定状态按李雅普洛夫的定义属于稳定的状态，但由于系统参数变化等原因，实际上等幅振荡不能维持，系统总会由于某些因素导致不稳定。因此从工程应用的角度来看，临界稳定属于不稳定系统，或称工程意义上的不稳定。） （3）如果系统在初始条件作用下，其输出量无限制地偏离其平衡状态，这称系统是不稳定的。 实际上，物理系统的输出量只能增大到一定范围，此后或者受到机械制动装置的限制，或者系统遭到破坏，也可以当输出量超过一定数值后，系统变成非线性的，从而使线性微分方程不再适用。因此，绝对稳定性是系统能够正常工作的前提。
第三章控制系统的时域分析法 3.2 劳斯-霍尔维茨稳定性判据 稳定性是控制系统最重要的问题，也是对系统最基本的要求。控制系统在实际运行中，总会受到外界和内部一些因素的扰动，例如负载或能源的波动、环境条件的改变、系统参数的变化等。如果系统不稳定，当它受到扰动时，系统中各物理量就会偏离其平衡工作点，并随时间推移而发散，即使扰动消失了，也不可能恢复原来的平衡状态。因此，如何分析系统的稳定性并提出保证系统稳定的措施，是控制理论的基本任务之一。 常用的稳定性分析方法有： 1. 劳斯－赫尔维茨（Routh－Hurwitz）判据：这是一种代数判据。它是根据系统特征方程式来判断特征根在S平面的位置，来判断系统的稳定性. 2. 根轨迹法：这是一种利用图解来系统特征根的方法。它是以系统开环传递函数的某一参数为变量化出闭环系统的特征根在S平面的轨迹，从而全面了解闭环系统特征根随该参数的变化情况。 3. 奈魁斯特（Nyquist）判据：这是一种在复变函数理论基础上建立起来的方法。它根据系统的开环频率特性确定闭环系统的稳定性，同样避免了求解闭环系统特征根的困难。这一方法在工程上是得到了比较广泛的应用。 4. 李雅普诺夫方法上述几种方法主要适用于线性系统，而李雅普诺夫方法不仅适用于线性系统，也适用于非线性系统。该方法是根据李雅普诺夫函数的特征来决定系统的稳定性。 一、稳定性的概念 稳定性的概念可以通过图3-31所示的方法加以说明。考虑置于水平面上的圆锥体，其底部朝下时，我们施加一个很小的外力（扰动），圆锥体会稍微产生倾斜，外作用力撤消后，经过若干次摆动，它仍会返回到原来的状态。而当圆锥体尖部朝下放置时，由于只有一点能使圆锥体保持平衡，所以在受到任何极微小的外力（扰动）后，它就会倾倒，如果没有外力作用，就再也不能回到原来的状态。
稳定性 (stability) 系统受到扰动后其运动能保持在有限边界的区域内或回复到原平衡状态的性能。稳定性问题是自动控制理论研究的基本问题之一。稳定性分为状态稳定性和有界输入-有界输出稳定性。 状态稳定性如果充分小的初始扰动只引起系统偏离平衡状态的充分小的受扰运动，则称系统是稳定的。如果当时间趋于无穷大时，所有这些受扰运动均回复到原平衡状态，则称系统是渐近稳定的。如果对任意初始扰动引起的受扰运动，系统都能随时间趋于无穷大而回复到平衡状态，则称系统是全局或大范围渐近稳定的。 有界输入－有界输出稳定性如果对应于每个有界的输入，系统的输出均是有界的,就称系统是有界输入-有界输出稳定的，简称BIBO稳定。一个向量信号称为有界，是指组成信号的每一个分量的函数值都为有限值。对于可用常系数线性微分方程描述的系统，在系统是联合能控和能观测时（见能控性和能观测性），BIBO稳定等价于全局渐近稳定。在线性控制理论中，系统稳定即指其平衡状态是全局渐近稳定。 稳定性的判别判定系统稳定性主要有两种方法：①李雅普诺夫方法：它同时适用于线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统。对于线性定常系统，这种方法在使用上并不简便（见李雅普诺夫稳定性理论。②基于对系统传递函数的极点分布的判别方法：只适用于线性定常系统。传递函数的极点即是其分母多项式为零的代数方程的根。这种方法在应用上比较简便。其中按代数方法进行判
别的为代数稳定判据，如劳思稳定判据和胡尔维茨稳定判据；按复变函数方法进行判别的有奈奎斯特稳定判据和米哈伊洛夫稳定判据；按图解方法通过研究极点随增益的变化关系来进行判别的为根轨迹法。除此之外，在研究某些类型的稳定性问题时，也常采用波波夫稳定判据。而泛函分析和微分几何的方法也已在研究稳定性问题中得到应用。 稳定性 (stability) 在一定条件下，物体在偏离平衡位臵后能恢复到原来平衡位臵的性能。如塔式起重机一般要加适当的配重，使其承受各种载荷时重心始终在支承点周围的范围内而不翻倒。液压缸的活塞杆、压力机的丝杆、起重机钢结构的受压弦杆等细长杆，都要进行稳定性校核。焊接箱形结构的腹板存在薄板稳定性问题。薄壁压力容器受外压或抽真空时，需要考虑容器形状的稳定性，如失稳便会发生凹凸变形。 失稳及其形式物体偏离平衡位臵后不能恢复到原来位臵叫失稳。如细长杆或薄壁结构在过大的压应力作用下，原来的平衡形式突然改变，发生显著变形，杆变弯，容器的曲率半径发生显著变化，细长杆或薄壁结构就产生失稳。结构失稳的形式有：①压杆的载荷超过临界值时，原来的直线平衡形式失去稳定性，可能转为弯曲平衡形式，载荷逐渐加大时，实际弯曲变形也随之加大，但并未丧失承载能力。②受外压的球形薄壁容器失稳变形后所能承受的力已小于临界力，即结构丧失了原有的承载能力。③扁拱形薄板零件或扁壳形零件，其凸面承受压力时逐渐产生变形，当压力达到临界值时便失去稳定，其平衡位臵发生跳跃，突然变
3-4试用劳斯判据确定具有下列特征方程是的系统稳定性。 部根。不稳定。 变化两次，系统有两实劳斯表第一列元的符合解： 2001200209 10 200920)1(01 2 323S S S S S S S -=+++ 统稳定。 有有正部实根。所以系没有变化两次，系统没劳斯表第一列元的符合解： ）（55.135151685810 51618820 12 3 4 234S S S S S S S S S =++++ 部根。不稳定。变化两次，系统有两实劳斯表第一列元的符合解： ）（1612318165381261 310 1236301 2 3 4 52345S S S S S S S S S S S -=+++++ 3-5设单位负反馈系统的开环传递函数为 ) 12.0)(11.0()(++= S S K S G 试确定系统稳定时k 的取值范围。
1500002.03.03.002.03.03.0102.00 3.002.0)(:01 2 3 23<>--=+++=K K K K S K K S K S S K S S S S D 于是系统稳定，则有的闭环特征方程为： 又开环传递函数的系统解 3-6已知系统的闭环特征方程为 0)2)(5.1)(1=++++K S S S 试由劳斯判据确定使得系统闭环特征根的实部均小于-1的最大k 值。 （临界稳定）。 的最大值为依题意得程为： 此时系统的闭环特征方变换 解：根据题意可作线性75.0K 75.000 075.05.175.05.15 .0105.05.1)1)(5.0()(1 01 23231∴<>--=+++=+++=+=-=K K K K Z K Z K Z Z K Z Z Z K Z Z Z S D S Z Z S 3-7 设单位负反馈系统的开环传递函数如下： (1) ) 12.0)(11.0(10)(++=S S G （2）()) 22)(1(450)(2++++=s s S S s S G （３）())15.0(120)(2++= S s S G (1)解：根据误差系数公式有：
劳斯判据 即Routh-Hurwitz判据 一、系统稳定的必要条件 判据是判别系统特征根分布的一个代数判据。 要使系统稳定，即系统全部特征根均具有负实部，就必须满足以下两个条件： 1）特征方程的各项系数都不等于零。 2）特征方程的各项系数的符号都相同。 此即系统稳定的必要条件。 按习惯，一般取最高阶次项的系数为正，上述两个条件可以归结为一个必要条件，即系统特征方程的各项系数全大于零，且不能为零。 二、系统稳定的充要条件 系统稳定的充要条件是表的第一列元素全部大于零，且不能等于零。 运用判据还可以判定一个不稳定系统所包含的具有正实部的特征根的个数为表第一列元素中符号改变的次数。 运用判据的关键在于建立表。建立表的方法请参阅相关的例题或教材。运用判据判定系统的稳定性，需要知道系统闭环传递函数或系统的特征方程。 在应用判据还应注意以下两种特殊的情况： 1．如果在表中任意一行的第一个元素为0，而其后各元不全为0，则在计算下一行的第一个元时，该元将趋于无穷大。于是表的计算无法继续。为了克服这一困难，可以用一个很小的正数代替第一列等于0的元素，然后计算表的其余各元。若上下各元符号不变，切第一列元素符号均为正，则系统特征根中存在共轭的虚根。此时，系统为临界稳定系统。 2．如果在表中任意一行的所有元素均为0，表的计算无法继续。此时，可以利用该行的上一行的元构成一个辅助多项式，并用多项式方程的导数的系数组成表的下一行。这样，表中的其余各元就可以计算下去。出现上述情况，一般是由于系统的特征根中，或存在两个符号相反的实根（系统自由响应发散，系统不稳
定），或存在一对共轭复根（系统自由响应发散，系统不稳定），或存在一对共轭的纯虚根（即系统自由响应会维持某一频率的等幅振荡，此时，系统临界稳定），或是以上几种根的组合等。这些特殊的使系统不稳定或临界稳定的特征根可以通过求解辅助多项式方程得到。 三、相对稳定性的检验 对于稳定的系统，运用判据还可以检验系统的相对稳定性，采用以下方法： 1）将s平面的虚轴向左移动某个数值，即令s=z-（（（为正实数），代入系统特征方程，则得到关于z的特征方程。 2）利用判据对新的特征方程进行稳定性判别。如新系统稳定，则说明原系统特征方程所有的根均在新虚轴之左边，（越大，系统相对稳定性越好。
3.8 控制系统的稳定性 3.8 控制系统的稳定性 稳定性是控制系统最重要的特性之一。它表示了控制系统承受各种扰动，保持其预定工作状态的能力。不稳定的系统是无用的系统，只有稳定的系统才有可能获得实际应用。我们前几节讨论的控制系统动态特性，稳态特性分析计算方法，都是以系统稳定为前提的。 3.8.1 稳定性的定义 图3.26（a）是一个单摆的例子。在静止状态下，小球处于A位置。若用外力使小球偏离A而到达A’，就产生了位置偏差。考察外力去除后小球的运动，我们会发现，小球从初始偏差位置A'，经过若干次摆动后，最终回到A点，恢复到静止状态。图3.26（b）是处于山顶的一个足球。足球在静止状态下处于B位置。如果我们用外力使足球偏离B位置，根据常识我们都知道，足球不可能再自动回到B位置。对于单摆，我们说A位置是小球的稳定位置，而对于足球来说，B则是不稳定的位置。 图 3.26 稳定位置和不稳定位置 （a）稳定位置；(b)不稳定位置 处于某平衡工作点的控制系统在扰动作用下会偏离其平衡状态，产生初始偏差。稳定性是指扰动消失后，控制系统由初始偏差回复到原平衡状态的性能。若能恢复到原平衡状态，我们说系统是稳定的。若偏离平衡状态的偏差越来越大，系统就是不稳定的。 在控制理论中，普遍采用了李雅普诺夫（Liapunov）提出的稳定性定义，内容如下： 设描述系统的状态方程为 (3.131)
式中x(t)为n维状态向量，f(x(t),t)是n维向量，它是各状态变量和时间t的函数。如果系统的某一状态,对所有时间t，都满足 (3.132) 则称为系统的平衡状态。是n维向量。当扰动使系统的平衡状态受到破坏时，系统就会偏离平衡状态，在时，产生初始状态=x。在时，如果对于任一实数，都存在另一实数，使得下列不等式成立 (3.133) (3.134) 则称系统的平衡状态为稳定的。 式中称为欧几里德范数，定义为： (3.135) 矢量的范数是n维空间长度概念的一般表示方法。 这个定义说明，在系统状态偏离平衡状态，产生初始状态以后，即以后，系统的状态将会随时间变化。对于给定的无论多么小的的球域S()，总存在另一个的球域，只要初始状态不超出球域，则系统的状态 的运动轨迹在后始终在球域S()内，系统称为稳定系统。 当t无限增长，如果满足： (3.136) 即系统状态最终回到了原来的平衡状态，我们称这样的系统是渐近稳定的。对于任意给定的正数，如果不存在另一个正数，即在球域内的初始状态，在后，的轨迹最终超越了球域S()，我们称这种系统是不稳定的。 图3.27是二阶系统关于李雅普诺夫稳定性定义的几何说明。
邢台学院物理系 《自动控制理论》 课程设计报告书 设计题目：劳斯法分析系统的稳定性及不稳定性的改进 措施 专业：自动化 班级：＿ 学生姓名: 学号: 4 指导教师： 2013年3月24日
邢台学院物理系课程设计任务书 专业：自动化班级： 2013 年 3 月 24 日
摘要 劳斯判据，Routh Criterion，又称为代数稳定判据。劳斯于1877年提出的稳定性判据能够判定一个多项式方程中是否存在位于复平面右半部的正根，而不必求解方程。由此劳斯获得了亚当奖。劳斯判据，这是一种代数判据方法。它是根据系统特征方程式来判断特征根在S平面的位置，从而决定系统的稳定性，由于不必求解方程，为系统的稳定性的判断带来了极大的便利。 劳斯稳定判据是根据闭环特征方程式的各项系数，按一定的规则排列成所谓的劳斯表，然后根据表中第一列系数正，负符号的变化情况来判别系统的稳定性。 本次课程设计以劳斯判据为例，研究控制系统的稳定性分析问题，并对结构性不稳定系统的改进措施进行分析。 关键词：劳斯判据特征方程式正根稳定性劳斯表系数结构性
目录 1 劳斯稳定判据 1.1 劳斯稳定判据原理 1.2 实际例题分析 1.3 全零行与临界稳定 2 结构性不稳定系统的改进措施 2.1 改变环节的积分性质 2.2 加入比例微分环节 3 总结及体会 参考文献
1 劳斯判据 1.1 劳斯判据原理 劳斯判据是根据闭环特征方程式的各项系数，按一定的规则排列成所谓的劳斯表，然后根据表中第一列系统正，负号的变化情况来判断系统稳定性。 根据特征方程的各项系数排列成下列劳斯表。 c c a a c c c c a a c c c c a a c c s a a a a a c a a a a a c a a a a a c s a a a s a a a s n n n n 13 4317133413 33 15132413 23 1313143 1 7061331 5 041231 3 0211325311420-=-=-=-=-=-=--- 若特征方程式的各项系数都大于零（必要条件），且劳斯表中第一列元素均为正值，则所有的特征根均位于s 左半平面，相应的系统是稳定的。否则系统为不稳定或临界稳定，实际上临界稳定也属于不稳定。劳斯表中第一列元素符号改变的次数等于该特征方程的正实部根的个数。 1.2 实际例题分析 例题1：某系统的特征方程为：0100s 24s 8s )s (D 23=+++=，判断系统稳定性。 解：系统的特征方程为 0100s 24s 8s )s (D 23=+++= 劳斯表： s 3 1 24 s 2 8 100 s 1 92 s 0 100 第一列同号，所以系统稳定。 例题2：设闭环系统传递函数为5 4322017123)(2 34523++++++++=s s s s s s s s s G ，判定该系统是否稳定。 解：系统特征方程为054322345=+++++s s s s s 劳斯表 ： s 5 1 1 4
3-4试用劳斯判据确定具有下列特征方程是的系统稳定性。 部根。不稳定。 变化两次，系统有两实劳斯表第一列元的符合解： 2001200209 10 200920)1(01 2 323S S S S S S S -=+++ 统稳定。 有有正部实根。所以系没有变化两次，系统没劳斯表第一列元的符合解： ）（55.135151685810 51618820 12 3 4 234S S S S S S S S S =++++ 部根。不稳定。变化两次，系统有两实劳斯表第一列元的符合解： ）（1612318165381261 310 1236301 2 3 4 52345S S S S S S S S S S S -=+++++ 3-5设单位负反馈系统的开环传递函数为 ) 12.0)(11.0()(++= S S K S G 试确定系统稳定时k 的取值范围。
1500002.03.03.002.03.03.0102.00 3.002.0)(:01 2 3 23<>--=+++=K K K K S K K S K S S K S S S S D 于是系统稳定，则有的闭环特征方程为： 又开环传递函数的系统解 3-6已知系统的闭环特征方程为 0)2)(5.1)(1=++++K S S S 试由劳斯判据确定使得系统闭环特征根的实部均小于-1的最大k 值。 （临界稳定）。 的最大值为依题意得程为： 此时系统的闭环特征方变换 解：根据题意可作线性75.0K 75.000 075.05.175.05.15 .0105.05.1)1)(5.0()(1 01 23231∴<>--=+++=+++=+=-=K K K K Z K Z K Z Z K Z Z Z K Z Z Z S D S Z Z S 3-7 设单位负反馈系统的开环传递函数如下： (1) ) 12.0)(11.0(10)(++=S S G （2）()) 22)(1(450)(2++++=s s S S s S G （３）())15.0(120)(2++= S s S G (1)解：根据误差系数公式有：
第六章 李雅普诺夫稳定性分析 在反馈控制系统的分析设计中，系统的稳定性是首先需要考虑的问题之一。因为它关系到系统是否能正常工作。 经典控制理论中已经建立了劳斯判据、Huiwitz 稳定判据、Nquist 判据、对数判据、根轨迹判据等来判断线性定常系统的稳定性，但不适用于非线性和时变系统。分析非线性系统稳定性及自振的描述函数法，则要求系统的线性部分具有良好的滤除谐波的性能；而相平面法则只适合于一阶、二阶非线性系统。 1892年俄国学者李雅普诺夫（Lyapunov ）提出的稳定性理论是确定系统稳定性的更一般的理论，它采用状态向量来描述，不仅适用于单变量、线性、定常系统，还适用于多变量、非线性、时变系统。 §6-1 外部稳定性和内部稳定性 系统的数学模型有输入输出描述（即外部描述）和状态空间描述（即内部描述），相应的稳定性便分为外部稳定性和内部稳定性。 一、外部稳定性 1、定义（外部稳定性）： 若系统对所有有界输入引起的零状态响应的输出是有界的，则称该系统是外部稳定的。 (外部稳定性也称为BIBO （Bounded Input Bounded Output ）稳定性) 说明： （1）所谓有界是指如果一个函数)(t h ，在时间区间],0[∞中，它的幅值不会增至无穷，即存在一个实 常数k ，使得对于所有的[]∞∈0 t ，恒有∞<≤k t h )(成立。 （2）所谓零状态响应，是指零初始状态时非零输入引起的响应。 2、系统外部稳定性判据 线性定常连续系统 ∑),,(C B A 的传递函数矩阵为 Cx y Bu Ax x =+= BU A sI X BU X A sI CX Y BU AX sX 1)()(--==-=+= B A sI C s G 1 )()(--= 当且仅当)(s G 极点都在s 的左半平面内时，系统才是外部稳定（或BIBO 稳定）的。 【例6.1.1】已知受控系统状态空间表达式为
一、引言： 研究系统的稳定性之前，我们首先要对系统的概念有初步的认识。 在数字信号处理的理论中，人们把能加工、变换数字信号的实体称作系统。由于处理数字信号的系统是在指定的时刻或时序对信号进行加工运算，所以这种系统被看作是离散时间的，也可以用基于时间的语言、表格、公式、波形等四种方法来描述。从抽象的意义来说，系统和信号都可以看作是序列。但是，系统是加工信号的机构，这点与信号是不同的。人们研究系统还要设计系统，利用系统加工信号、服务人类，系统还需要其它方法进一步描述。描述系统的方法还有符号、单位脉冲响应、差分方程和图形。 电路系统的稳定性是电路系统的一个重要问题，稳定是控制系统提出的基本要求，也保证电路工作的基本条件；不稳定系统不具备调节能力，也不能正常工作，稳定性是系统自身性之一，系统是否稳定与激励信号的情况无关。对于线性系统来说可以用几点分布来判断，也可以用劳斯稳定性判据分析。对于非线性系统的分析则比较复杂，劳斯稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据受到一定的局限性。 二、稳定性定义： 1、是指系统受到扰动作用偏离平衡状态后，当扰动消失，系统经过自身调节能否以一定的准确度恢复到原平衡状态的性能。若当扰动消失后，系统能逐渐恢复到原来的平衡状态，则称系统是稳定的，否则称系统为不稳定。 稳定性又分为绝对稳定性和相对稳定性。 绝对稳定性。如果控制系统没有受到任何扰动，同时也没有输入信号的作用，系统的输出量保持在某一状态上，则控制系统处于平衡状态。 （1）如果线性系统在初始条件的作用下，其输出量最终返回它的平衡状态，那么这种系统是稳定的。 （2）如果线性系统的输出量呈现持续不断的等幅振荡过程，则称其为临界稳定。（临界稳定状态按李雅普洛夫的定义属于稳定的状态，但由于系统参数变化等原因，实际上等幅振荡不能维持，系统总会由于某些因素导致不稳定。因此从工程应用的角度来看，临界稳定属于不稳定系统，或称工程意义上的不稳定。） （3）如果系统在初始条件作用下，其输出量无限制地偏离其平衡状态，这称系统是不
《结构的稳定性》教学设计 一、教学日期 2010年1月13日下午1：40 二、教学目标 知识与技能： 理解结构稳定的概念以及通过实验分析总结出影响结构稳定的主要因素。 过程与方法： 通过探究、讨论、分析等教学方法，使学生懂得应用相关的理论知识。 情感态度与价值观： 增强学生对结构稳定性的认识。培养创新品质，提高审美意识。渗透安全教育，德育教育。 三、教材分析 本节是“苏教版”《技术与设计2》第一章第二节《稳固结构的探析》中“结构的稳定性”内容。该章的总体设计思路是：认识结构、探析结构、设计结构、欣赏结构。“结构”与“设计”是该章的两个核心概念。是对结构认识的基础上作进一步深入的学习，而结构的稳定性是结构设计中需要考虑的重要因素之一，可使学生对结构的基本认识有一个更深入的认识与巩固，为后续的结构的强度，结构的设计等教学奠定良好的基础。利用探究，讨论，对比等方法提高学生创新的品质和分析能力。 四、学情分析 学生在前面的学习中已经初步掌握了结构的基本知识。因此在教学中尽量多列举些涉及结构的稳定性的生活实例，便于师生进行互动探讨，帮助学生加深对影响结构稳定因素的理解。基于学生对三角形结构的结实稳固和物体结构的重心越低越稳定相关知识已经通过其它学科在理论有所了解，本节课主要精力放在对具体实物结构稳定性的分析上，主要让学生了解影响结构稳定性的几个基本因素。 五、教学重难点 重点：影响结构稳定性的主要因素：重心位置，支撑面的大小和结构的形状难点：（1）接触面与支撑面（2）利用所学的知识解决生活中的有关现象六、教学策略 在教学中为了使学生掌握相关知识，教师切实的去创造环境，调动学生的各个方面的能力，如：表述的能力、思考的能力、发现问题的能力、解决问题的能力、合作学习的能力等。把课堂还给学生、让学生成为课堂的主体，让学生去说、去想、去做，以“影响结构稳定的主要因素”为主线，通过举例，图片和实物展示激发学生的学习兴趣和创造灵感，以达到应用知识的目的。 七、教学环境和资源 教学环境： 科技楼五楼通用技术实验室 教学资源： 多媒体、不倒翁、矿泉水瓶、纸、板条、屏风等 八、教学方法 讲授法、技术试验法、分析讨论、小组合作法、自主探究法、观察发现法、案
系统的稳定性以及稳定性的几种定义 一、系统 研究系统的稳定性之前，我们首先要对系统的概念有初步的认识。在数字信号处理的理论中，人们把能加工、变换数字信号的实体称作系统。由于处理数字信号的系统是在指定的时刻或时序对信号进行加工运算，所以这种系统被看作是离散时间的，也可以用基于时间的语言、表格、公式、波形等四种方法来描述。从抽象的意义来说，系统和信号都可以看作是序列。但是，系统是加工信号的机构，这点与信号是不同的。人们研究系统还要设计系统，利用系统加工信号、服务人类，系统还需要其它方法进一步描述。描述系统的方法还有符号、单位脉冲响应、差分方程和图形。 中国学者钱学森认为：系统是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分。 二、系统的稳定性 一个系统，若对任意的有界输入，其零状态响应也是有界的，则称该系统是有界输入有界输出(Bound Input Bound Output------ BIBO)稳定的系统，简称为稳定系统。即，若系统对所有的激励|f(·)|≤Mf ，其零状态响应|yzs(·)|≤My(M为有限常数），则称该系统稳定。 三、连续（时间）系统与离散(时间)系统 连续系统：时间和各个组成部分的变量都具有连续变化形式的系统。系统的激励和响应均为连续信号。 离散系统：当系统各个物理量随时间变化的规律不能用连续函数描述时，而只在离散的瞬间给出数值，这种系统称为离散系统。系统的激励和响应均为离散信号。 四、因果系统 因果系统 (causal system) 是指当且仅当输入信号激励系统时，才会出现输出（响应）的系统。也就是说，因果系统的（响应）不会出现在输入信号激励系统的以前时刻。即输入的响应不可能在此输入到达的时刻之前出现的系统；也就是说系统的输出仅与当前与过去的输入有关，而与将来的输入无关的系统。 判定方法 对于连续时间系统： t=t1的输出y(t1)只取决于t≤t1的输入x(t≤t1)时，则此系统为因果系统。 特殊的：当该系统为线性移不变系统时，系统的冲激响应函数h(t)，在t≤t1的条件下，h(t)=0，则此系统为因果系统； 对于离散时间系统： n=n1的输出y(n1)只取决于n≤n1的输入x(n≤n1)时，则此系统为因果系统，特殊的：当该系统为线性移不变系统时，系统的冲激响应函数h(n)，在n≤n1的条件下，h(n)=0，则此系统为因果系统。 举例说明 函数：1.y(t)=x(sin(t)) 不是因果系统，因为y(-π)=x(0), 表明y(t)在一段时间内可能取决于未来的x(t)。 2.y（t）=x（t）cos（t+1)是因果系统，cos（t+1)是时变函数，相当于一个已知的函数波形，所以x（t）的当前值影响了y（t）的当前值。 五、连续系统稳定性与离散系统稳定性的充分必要条件（证明见教材） （1）连续系统稳定的充分必要条件
引言 稳定一词的字面意思为坚持或保持。形容词“稳定的”的英语和法语stable、德语stabil均来源于拉丁语stbilis。最早见于罗马共和国末期的诗人和哲学家卢克莱修(Titus Lucretius Carus，约前99年-约前55年)所写的哲理长诗《物性论》([1] 140页)： 因为水就是这样动的， 一受到最微小的影响就波动， 由于它是由会滚动的小形粒子所构成； 但是相反地密的本性则是更稳定， 它的液汁更富于懒性，它流动更迟缓； 因为它的物质更牢结在一起， 因为，实在说，构成它的粒子， 不是这样地光滑，不是这样地小而圆。 在汉语中，“稳定”是舶来品，本土原先很少用，因此始编于1908年主要收录1840年以前的汉语词汇的《辞源》都没有收入“稳定”。罕见的一个古代使用例子见于《清史稿·列传一百七》，其中收有1814年河东河道总督栗毓美(1778-1840)上疏，论证用烧砖筑堤的必要性----能在水流冲击下不动，上年盛涨，较二年及十二年尤猛迅，砖坝均屹立不移。仪睢、中河两厅，河水下卸，塌滩汇坝，抢镶埽段，旋即走失，用砖抛护，均能稳定([2]11656页)。
传统汉语中，与稳定意思接近的词是“安稳”，意思是平安稳妥。除去天下局势太平、人心所向的引申含义外，主要用于说明行舟的平稳无惊。南朝宋临川王刘义庆(403-444)所撰《世说新语·排调》记载，东晋书法家、画家顾恺之(348-409)遇风浪后写信报平安，行人安稳，布帆无恙([3]438页)。这一故事也收入《晋书·列传第六十二》([4]2404页)。《宋史·志第一百四十八兵九》记载北宋抗金名臣李纲(1083-1140)的主张，水战之利，南方所宜。沿河、淮、海、江帅府、要郡，宜效古制造战船，以运转轻捷安稳为良。又习火攻，以焚敌舟([5]4869页)。。《清史稿·列传七十九》记载1723年江西巡抚裴幰度(?-1740)上疏设关榷税事宜，九江旧关，上有龙开河、官牌夹，下有老鹤塘、白水港，地势宽平，泊舟安稳([6]10311页)。 除行舟外，安稳还用于说明人的体态步态。《庄子·应帝王》中说，泰氏其卧徐徐，其觉于于，司马彪(?-306)注：徐徐，安稳貌([7]289页)。《潜夫论·相列》说人的相法，手足欲深细明直，行步欲安稳覆载([8]310页)。也用于说明车辆行走安定平稳。《晋书·志第十五》解释天子车的五牛旗的含义，牛之为义，盖取其负重致远而安稳也([9]754页)。 稳定性是个重要而基本的科学概念，在其发展过程中已经有含义丰富。我们先从最基本的平衡的稳定性谈起，随后说明运动稳定性。 1 稳定性的概念 物理学中有平衡的概念，物体受合力为零，就处于平衡状态。在惯性系(满足牛顿第一运动定律的参考系)中，若物体原先没有运动，平衡就意味着静止。一支铅笔，末端用一根细线吊起来，就处于平衡状态，因为细线对铅笔的拉力与铅笔自身的重力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，因此合力为零。如果
§ 5.4 离散时间系统状态稳定性及判别法 1. 离散时间系统的平衡状态(点) 设 0(1)(),(0),0,1,2,,x k Ax k x x k +=== (5.17) 称=e Ax 0的e x 为(5.17)的平衡状态(点). 当A 奇异时, 有无数个平衡状态. 2. 平衡状态(点)的稳定性 (1)稳定：?>?>0,0εδ,使当- (2)渐近稳定：?>0δ, 使当- 若0e x =渐近稳定，则e x 必为一致全局渐近稳定； 简单介绍0e x =稳定性条件 设(5.17)的解 ==k x k A x k 0(),0,1,2, 则渐近稳定 ?→∞ →∞ -==k k k x k A x 0lim ()0lim 0(≠x 00), ?→∞ =k k A lim 0?-→∞ =k k TJ T 1 lim 0?→∞ =k k J lim 0 ?A 的所有特征值的模全小于1 ?A的所有特征值都位于复平面上的单位圆内.其中J为A的若当形. 如 11 ...... k k k k r r J J J J J ???? ???? ==?? ?? ???? ???? 且再如 1122 11 1 10 0100 0000 k k k k k k k k k k k C C J C λλλ λ λλλ λλ -- - ???? ???? ==→ ???? ???? ???? ??
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