李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用

  1. 非线性系统的稳定性可能只有局部性质
  2. 且李雅普诺夫第二法只能给出非线性系统渐近稳定的充分条件,而非必要条件,求解较为简单,如果无法找到李雅普诺夫函数才使用下述方法。

一、雅可比矩阵法/克拉索夫斯基法

理论基础:雅可比矩阵,寻找线性系统李雅普诺夫函数的推广方法。

x˙=f(x)J(x)=∂f(x)∂x=(∂f1∂x1∂f1∂x2⋯∂f1∂xn∂f2∂x1∂f2∂x2⋯∂f2∂xn⋮⋮⋱⋮∂fm∂x1∂fm∂x2⋯∂fm∂xn)

在原点渐近稳定的 充分条件是:对于任意给定的实对称矩阵 P,使得矩阵 Q(x)=−[JT(x)P+PJ(x)] 为正定矩阵,李雅普诺夫函数: V(x)=fT(x)Pf(x)

实际计算一般设 P=I,Q>0 则系统在平衡点处渐近稳定

Q(x)=−[JT(x)+J(x)]>0V(x)=fT(x)f(x)→∞(||x||→∞)

则进一步有大范围渐近稳定

二、变量梯度法/舒茨-基布逊法

理论基础:梯度 旋度

∇V=∂V∂x=(∂V∂x1∂V∂x2⋮∂V∂xn)=gradV(x)V˙(x)=(∂V∂x1,∂V∂x2,⋯,∂V∂xn)(x˙1x˙2⋮x˙n)=[∇V]Tx˙V(x)=∫0x(∇V)Tdx=∫0x1(x2=⋯=xn=0)∇V1dx1+∫0x2(x1=x1,x3=⋯=xn=0)∇V2dx2+⋯+∫0xn(x1=x1,⋯,xn−1=xn−1)∇Vndxn