• (二)相图


    该系列为DR_CAN Advanced控制理论视频笔记,详见https://space.bilibili.com/230105574

    由于笔者水平有限,文中难免存在一些不足和错误之处,诚请各位批评指正。

    1 一维的例子

    一个简单的例子:注意平衡点与稳定点的区别:

    20200522223155

    另一个例子,这里并不是标准的相图,因为 (x-cos x) 不好画,因此图中单独绘制了两条曲线,分析其差值即可:

    20200522223343

    2 二维的例子

    2.1 特征值为实数

    (b=c=0) 求其平衡点:

    20200522223600

    三种特殊情况,三个点分别叫source、saddle、sink:

    20200522223948

    以上是三种特殊情况,下面是一般形式的分析,首先回顾如何通过特征值与特征向量求解微分方程组:

    image-20200419114938105

    20200522224824

    计算实际例子,这里我们用特征值与特征向量求解这个微分方程组。需要注意的是这里的y和系统输出y不是一个y。通过分析y的相图我们可以得到y的性质,而向量x与y为线性变换的关系,实际上把基变换到了特征向量上。这样我们可以通过绘制出特征向量来进一步绘制出x的相图:

    20200522225225

    我们发现x与y的性质是相同的,也就是说我们可以通过分析A矩阵的特征值来分析系统的稳定性。

    2.2 特征值为复数

    2.2.1 特征值为纯虚数

    某些矩阵可能没有实特征值,而复特征值对应的特征向量是没有方向的。这时我们求出先根据特征向量求出 (x_1) (x_2) 的值,然后通过欧拉公式展开成三角函数形式。考虑到当线性微分方程的解是由两个项相加而成时,每一个项单独拿出来都是微分方程的解。因此我们可以我们去掉复数部分,可以得到 (x_1) (x_2) 满足一个椭圆的方程,也就是说在特征值是纯虚数的情况下系统的相图是一个椭圆:

    20200522231622

    至于椭圆的方向我们可以任取一个特殊位置来判断:

    20200522232037

    我们发现在这种情况下 (x_1) (x_2) 的变化是一个循环往复的情况。

    2.2.2 特征值同时含有实部虚部

    这里特征值既包含实部也包含虚部,写出向量y的表达式,由于x与y的性质是相同的因此这里不再像上一个例子那样求向量 (x_1) (x_2) 的值了。根据上一个例子我们知道 (e^{2it})(e^{-2it}) 在相图中表示为圆,而 (e^t) 意味着随时间的增加而不断增大,因此该相图应为向外的螺旋线。同样的,螺旋方向也可以根据上一个例子中的方法,即选取特殊点来判断:

    20200522232420

    3 总结

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