【反步法预备知识】李雅普诺夫函数(Lyapunov function)

反步法的核心思想

  • 严格反馈结构:系统状态方程能逐级拆分成若干子系统,每一步只引入一个新的虚拟控制输入。

  • Lyapunov 设计:每级构造一个 Lyapunov 函数分量,保证该级闭环误差收敛,然后将下一级的设计递推下去。

  • 递归控制律:最终得到对原系统的稳定控制律。
    注:这套方法对未知参数本身没有任何特殊假设——可以针对参数已知、未知常数,甚至已知界的时变参数。


李雅普诺夫函数(Lyapunov function)是分析动态系统稳定性的一种工具。其核心思想是:如果你能给系统状态找一个“能量”或“势能”函数 V(x)V(x)V(x),满足

  1. 正定性
    V(0)=0,V(x)>0(∀x≠0),V(0) = 0,\quad V(x) > 0\quad (\forall x \neq 0),V(0)=0,V(x)>0(x=0),
    通常还要求随着 ∥x∥→∞\|x\|\to\inftyxV(x)→∞V(x)\to\inftyV(x)(称为“趋外性”或“去势性”),保证它能覆盖任意大范围的状态。

  2. 导数(或增量)符号

    • 对于连续时间系统 x˙=f(x)\dot{x} = f(x)x˙=f(x),要求沿系统轨迹的时间导数
      V˙(x)=∂V∂x f(x)≤0(∀x),\dot V(x) = \frac{\partial V}{\partial x}\,f(x) \le 0\quad (\forall x),V˙(x)=xVf(x)0(x),
      若进一步有 V˙(x)<0\dot V(x) < 0V˙(x)<0(对 x≠0x \neq 0x=0),则能证明系统关于平衡点 x=0x=0x=0 渐近稳定。若仅 V˙(x)≤0\dot V(x)\le0V˙(x)0,则可证明李雅普诺夫稳定(Lyapunov stability)。
    • 对于离散时间系统 xk+1=f(xk)x_{k+1} = f(x_k)xk+1=f(xk),则要求增量
      ΔV(xk)=V(f(xk))−V(xk)≤0.\Delta V(x_k) = V\bigl(f(x_k)\bigr) - V(x_k) \le 0.ΔV(xk)=V(f(xk))V(xk)0.

有了这样的 V(x)V(x)V(x),你就可以不用求解系统方程,也能判断平衡点稳定性:

  • 李雅普诺夫稳定(或称小范围内不发散):只要 V˙≤0\dot V\le0V˙0VVV 正定,就能保证系统状态不会跑得越来越远。
  • 渐近稳定:若 V˙<0\dot V<0V˙<0(或 ΔV<0\Delta V<0ΔV<0)严格成立,则状态不仅不发散,还会逐渐趋向平衡点。
  • 如果能找到使 V˙≤−W(x)\dot V\le -W(x)V˙W(x)WWW 为正定函数),则系统是指数稳定,收敛速度可被估计。

一个最常见的例子

对线性连续系统
x˙=Ax, \dot{x} = A x, x˙=Ax,
如果存在对称正定矩阵 PPP 使得李雅普诺夫方程
ATP+PA=−Q A^\mathrm{T} P + P A = -Q ATP+PA=Q
QQQ 也是对称正定的,那么取
V(x)=xTPx V(x) = x^\mathrm{T} P x V(x)=xTPx
就满足
V˙=xT(ATP+PA) x=− xTQ x<0(x≠0), \dot V = x^\mathrm{T}(A^\mathrm{T} P + P A)\,x = -\,x^\mathrm{T} Q\,x < 0 \quad (x \neq 0), V˙=xT(ATP+PA)x=xTQx<0(x=0),
从而证明系统关于零点渐近稳定。


小结
  • 李雅普诺夫函数是一个“能量”量度,帮助我们判断平衡点是否稳定。
  • 关键在于检查 V(x)V(x)V(x) 的正定性和它随系统演化时的变化符号。
  • 只要找到了合适的 VVV,就能避免直接解系统微分/差分方程,也能得到全局或局部稳定性结论。
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