Устойчивость. Функция Ляпунова
В теории автоматического управления и регулирования линейных систем уже давалось общее понятие устойчивости динамической системы по Ляпунову. Напомним ход рассуждений. Запишем уравнения динамики системы n-го порядка при отсутствии возмущающих воздействий в общем нелинейном виде в нормальной форме Коши:
(5.1)
Пусть обозначает некоторый установившийся процесс работы системы, или невозмущенное движение. Отклонение возмущенного движения уi(t), определяемого уравнениями (5.1) при определенных начальных условиях , обозначим через , т. е.
(5.2)
Тогда можно написать уравнения возмущенного движения в отклонениях в виде
(5.3)
при этом невозмущенным движением будет . Переменные являются координатами состояния системы.
В общем случае конкретный вид уравнений (5.3) зависит от вида установившегося процесса , так как эти уравнения получаются из (5.1) подстановкой уравнений (5.2).
Поэтому, исследуя эти уравнения необходимо, вообще говоря, оговаривать, об устойчивости какого установившегося режима или невозмущенного движения идет речь.
Геометрически невозмущенное (установившееся) движение системы n-го порядка можно представить условно в виде некоторой интегральной кривой в n-мерном пространстве
Рис.5.1. Интегральная кривая
в n-мерном пространстве
с добавленной осью времени t (рис. 5.1). Возмущенное движение , вызванное начальным отклонением при , изобразится другой интегральной кривой (рис. 5.1).
В отклонениях , т. е. в пространстве координат состояния системы, эта картина возмущенного движения будет выглядеть, как показано на рис. 5.2.
При этом невозмущенное движение изобразится прямой линией, совпадающей с осью t.
Рис. 5.2. Картина возмущенного
движения
Невозмущенное движение системы называется устойчивым, если, задав «трубку» сколь угодно малого ε-мерного сечения ε (рис. 5.2), можно подобрать в начальный момент t0 такую область начальных условий δ, зависящую от ε, что с увеличением t возмущенное движение не выйдет из заданной трубки ε.
Аналитическое определение понятия устойчивости по Ляпунову формулируется следующим образом.
Невозмущенное движение системы называется устойчивым, если при заданном сколь бы оно мало ни было, существует такое , зависящее от ε, что при начальных условиях
(5.4)
в дальнейшем движении ( ) выполняется условие
(5.5)
Заметим, что в этом аналитическом определении области ε и δ, в отличие от рис. 5.2, выглядят «прямоугольными» (в n-мерном пространстве), что не имеет принципиального значения.
Невозмущенное движение будет неустойчивым, если указанное условие не выполняется хотя бы для одного из xi.
Если условия указанного выше определения выполнены и имеем при , то невозмущенное движение называется асимптотически устойчивым. Если же при после любых начальных отклонений, то система называется устойчивой в целом.
Существует еще понятие абсолютной устойчивости, означающее асимптотическую устойчивость системы в целом при любом характере нелинейности внутри определенного класса нелинейностей.
Различают три характерных типа движения:
1) равновесное состояние (ни одна из координат объекта не изменяется во времени) в пространстве состояний такое движение изображается неподвижной точкой,
2) периодическое движение (объект находится в периодическом движении, если его состояния через равные промежутки времени принимают одни и те же значения), в пространстве состояний периодическое движение объекта изображается замкнутой кривой,
3) переходное движение; переход объекта от одного установившегося движения (равновесного или периодического) к другому называют переходным движением.
На рис. 5.3 на интервалах времени (t1,t2) и (t3,t4) объект находится в положении равновесия, а на интервале (t2,t3)- в переходном движении.
Рис. 5.3. Иллюстрация
переходного движения
При определении понятия устойчивости рассматривались интегральные кривые (рис. 5.1 и 5.2). Если же представить себе не интегральную кривую, а фазовую траекторию в n-мерном пространстве для системы уравнений (5.3), то в устойчивой системе, согласно определению, она будет иметь вид, изображенный на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Фазовая траектория
для системы уравнений (5.3)
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 489;