Введение

Непрерывная линейная система с отрицательными действительными частями собственных значений

В теории управления непрерывная линейная стационарная система (LTI) экспоненциально устойчива тогда и только тогда, когда система имеет собственные значения (то есть полюса передаточной функции) с строго отрицательными действительными частями (то есть расположенные в левой полуплоскости комплексной плоскости). Дискретная по времени LTI-система экспоненциально устойчива тогда и только тогда, когда полюса ее передаточной функции расположены строго внутри единичной окружности с центром в начале координат комплексной плоскости. Системы, не являющиеся LTI, экспоненциально устойчивы, если их сходимость ограничена экспоненциальным убыванием. Экспоненциальная устойчивость является формой асимптотической устойчивости, применимой к более общим динамическим системам.

Практические последствия

Экспоненциально устойчивая LTI-система – это система, которая не "выходит из-под контроля" (т.е. не выдает неограниченный выход), при конечном входном сигнале или ненулевом начальном состоянии. Более того, если системе подать фиксированный конечный вход (например, единичный скачок), то любые возникающие колебания на выходе будут затухать экспоненциально, а выход будет асимптотически приближаться к новому конечному установившемуся значению. Если вместо этого на вход системы подать импульс Дирака, то вызванные им колебания затухнут, и система вернется к своему прежнему состоянию. Если колебания не затухают или система не возвращается к исходному состоянию при подаче импульса, то система является лишь гранично устойчивой.

Пример экспоненциально стабильных систем LTI

График справа показывает импульсную характеристику двух схожих систем. Зелёная кривая отображает отклик системы с импульсной характеристикой , а синяя – системы. Несмотря на то, что один отклик осциллирует, оба со временем возвращаются к исходному значению 0.

Пример из реального мира

Представьте, что вы кладете мрамор в половник. Он опустится в самую низкую точку половника и, если его не трогать, останется там. Теперь представьте, что вы толкаете шарик – это приближение к дельта-импульсу Дирака. Мрамор будет качаться вперед и назад, но в конечном итоге снова опустится на дно половника. Если изобразить горизонтальное положение мрамора во времени, получится постепенно затухающая синусоида, похожая на синюю кривую на изображении выше. Для поддержания шага на входе в этом случае необходимо удерживать мрамор вдали от дна половника, чтобы он не мог откатиться назад. Он останется в этом положении и не будет, как это произошло бы, если бы система была лишь незначительно стабильной или полностью нестабильной, продолжать удаляться от дна половника под постоянной силой, равной его весу. Важно отметить, что в этом примере система не является стабильной для всех воздействий. Если толкнуть мрамор достаточно сильно, он выпадет из половника и упадет, останавливаясь только когда достигнет пола. Поэтому для некоторых систем целесообразно говорить об экспоненциальной стабильности системы в определенном диапазоне воздействий.