Стабильность от входа к состоянию - Input-to-state stability

Стабильность от входа к состоянию (ISS)[1][2][3][4] - понятие устойчивости, широко используемое для изучения устойчивости нелинейных Системы управления с внешними входами. Грубо говоря, система управления является ISS, если она глобально асимптотически устойчива при отсутствии внешних входов и если ее траектории ограничены функцией размера входа для всех достаточно больших времен. Важность ISS обусловлена ​​тем, что что эта концепция ликвидировала разрыв между ввод, вывод и методы в пространстве состояний, широко используемый в сообществе систем управления. Понятие ISS было введено Эдуардо Зонтаг в 1989 г.[5]

Определение

Рассмотрим инвариантную во времени систему обыкновенные дифференциальные уравнения формы

 

 

 

 

(1)

куда это Измеримый по Лебегу существенно ограниченный внешний вход и это Липшицева непрерывная функция w.r.t. первый аргумент равномерно относительно второй. Это гарантирует, что существует уникальный абсолютно непрерывный решение системы (1).

Для определения ISS и связанных свойств мы используем следующие классы функции сравнения. Обозначим через набор непрерывно возрастающих функций с . Множество неограниченных функций мы обозначим через . Также обозначим если для всех и непрерывна и строго убывает к нулю при всех .

Система (1) называется глобально асимптотически устойчивый в нуле (0-GAS) если соответствующая система с нулевым входом

 

 

 

 

(Без входов)

глобально асимптотически устойчивый, то есть существуют так что для всех начальных значений и все время следующая оценка справедлива для решений (Без входов)

 

 

 

 

(ГАЗ-Оценка)

Система (1) называется стабильный вход в состояние (ISS) если есть функции и так что для всех начальных значений , все допустимые входы и все время выполняется следующее неравенство

 

 

 

 

(2)

Функция в приведенном выше неравенстве называется прирост.

Ясно, что система МКС - это 0-ГАЗ, а также BIBO стабильный (если поставить выход равным состоянию системы). Обратное утверждение в общем неверно.

Также можно доказать, что если , так как , тогда , .

Характеристики свойства устойчивости от входа к состоянию

Для понимания ISS очень важны его переформулировки с точки зрения других свойств устойчивости.

Система (1) называется глобально стабильный (GS) если есть такой, что , и он считает, что

 

 

 

 

(GS)

Система (1) удовлетворяет свойство асимптотического прироста (AG) если существует : , он считает, что

 

 

 

 

(AG)

Следующие утверждения эквивалентны

[6]

1. (1) является МКС

2. (1) является GS и обладает свойством AG

3. (1) является 0-ГАЗ и обладает свойством AG

Доказательство этого результата, а также многих других характеристик МКС можно найти в статьях[6] и [7]

Функции ИСС-Ляпунова

Важным инструментом проверки МКС являются Функции ИСС-Ляпунова.

Гладкая функция называется функцией МСС-Ляпунова для (1), если , и положительно определенная функция , такое, что:

и он содержит:

Функция называется Ляпунов усиление.

Если система (1) без входов (т.е. ), то последняя импликация сводится к условию

что говорит нам, что это "классика" Функция Ляпунова.

Важный результат Э. Зонтага и Я. Ванга состоит в том, что система (1) является ISS тогда и только тогда, когда для него существует гладкая функция ISS-Ляпунова.[7]

Примеры

Рассмотрим систему

Определите кандидата функцию ISS-Ляпунова к

Выберите усиление Ляпунова к

.

Тогда получаем, что для он держит

Это показывает, что является функцией МСС-Ляпунова для рассматриваемой системы с коэффициентом усиления Ляпунова .

Взаимосвязь систем МКС

Одной из основных особенностей структуры ISS является возможность изучения свойств устойчивости взаимосвязей устойчивых систем, находящихся между входом и состоянием.

Рассмотрим систему, данную

 

 

 

 

(WholeSys)

Здесь , и липшицевы в равномерно относительно входов от -я подсистема.

Для -я подсистема (WholeSys) определение функции ИСС-Ляпунова можно записать следующим образом.

Гладкая функция является функцией МСС-Ляпунова (ISS-LF) для -я подсистема (WholeSys), если существуют функции , ,, , и положительно определенная функция , такое, что:

и он держит

Каскадные соединения

Каскадные межсоединения - это особый тип межсоединений, при котором динамика -я подсистема не зависит от состояний подсистем . Формально каскадное соединение можно записать как

Если все подсистемы вышеупомянутой системы являются ISS, то все каскадное соединение также является ISS.[5][4]

В отличие от каскадов систем ISS, каскадное соединение систем 0-GAS, как правило, не является 0-GAS. Следующий пример иллюстрирует этот факт. Рассмотрим систему, заданную

 

 

 

 

(Ex_GAS)

Обе подсистемы этой системы являются 0-ГАЗ, но для достаточно больших начальных состояний и в течение некоторого конечного времени он держит за , т.е. система (Ex_GAS) экспонаты конечное время ухода, и, следовательно, не является 0-ГАЗ.

Обратная связь

Структура взаимосвязи подсистем характеризуется внутренними ляпуновскими выигрышами. . Вопрос, есть ли межсоединение (WholeSys) является МКС, зависит от свойств оператор усиления определяется

Следующее теорема о малом выигрыше устанавливает достаточное условие для ISS взаимосвязи систем ISS. Позволять - функция МСС-Ляпунова для -я подсистема (WholeSys) с соответствующими выигрышами , . Если нелинейный условие малого усиления

 

 

 

 

(SGC)

держится, тогда все межсоединение - это ISS.[8][9]

Условие малого усиления (SGC) выполняется тогда и только тогда, когда для каждого цикла в (это для всех , куда ) и для всех он держит

Условие малого усиления в этой форме называется также циклическим условием малого усиления.

Связанные концепции стабильности

Интегральная МКС (ИИСС)

Система (1) называется интегральной стабильностью от входа к состоянию (ISS), если существуют функции и так что для всех начальных значений , все допустимые входы и все время выполняется следующее неравенство

 

 

 

 

(3)

В отличие от систем МКС, если система является интегральной МКС, ее траектории могут быть неограниченными даже для ограниченных входов. Чтобы увидеть это, положите для всех и возьми . Тогда оценка (3) принимает вид

а правая часть растет до бесконечности при .

Как и в рамках ISS, методы Ляпунова играют центральную роль в теории iISS.

Гладкая функция называется функцией ИИСС-Ляпунова для (1), если , и положительно определенная функция , такое, что:

и он содержит:

Важным результатом Д. Анджели, Э. Зонтага и Ю. Ванга является то, что система (1) является интегральным МСС тогда и только тогда, когда для него существует функция ИИСС-Ляпунова.

Обратите внимание, что в приведенной выше формуле предполагается только положительно определенный. Это легко доказать,[10] что если является функцией ИИСС-Ляпунова с , тогда фактически является функцией МКС-Ляпунова для системы (1).

Это, в частности, показывает, что каждая система ISS является интегральной ISS. Обратное утверждение неверно, как показывает следующий пример. Рассмотрим систему

Эта система не является МКС, поскольку для достаточно больших входов траектории неограниченны. Однако это интегральная МКС с функцией ИССИ-Ляпунова. определяется

Местная МКС (LISS)

Немаловажную роль также играют локальные версии объекта ISS. Система (1) называется локально МКС (LISS) если существует постоянная и функции

и так что для всех , все допустимые входы и все время он считает, что

 

 

 

 

(4)

Интересное наблюдение заключается в том, что 0-GAS подразумевает LISS.[11]

Другие понятия стабильности

Было введено множество других понятий, связанных с устойчивостью МКС: инкрементная МКС, динамическая устойчивость от входа к состоянию (ISDS),[12] практическая стабильность от входа к состоянию (ISpS), стабильность ввода-вывода (IOS)[13] и Т. Д.

ИСС систем запаздывания

Рассмотрим инвариантный во времени система задержки времени

 

 

 

 

(TDS)

Здесь состояние системы (TDS) вовремя , и удовлетворяет определенным предположениям, гарантирующим существование и единственность решений системы (TDS).

Система (TDS) является ISS тогда и только тогда, когда существуют функции и так что для каждого , каждый допустимый ввод и для всех , считается, что

 

 

 

 

(ISS-TDS)

В теории МКС для систем с запаздыванием были предложены два различных достаточных условия типа Ляпунова: через МКС функции Ляпунова-Разумихина[14] и функционалами ИСС Ляпунова-Красовского.[15] По поводу обратных теорем Ляпунова для систем с запаздыванием см.[16]

ИСС других классов систем

Относительная устойчивость систем, основанная на инвариантных во времени обыкновенных дифференциальных уравнениях, является достаточно развитой теорией. Однако исследуется теория МКС для других классов систем: вариативные во времени системы ODE,[17] гибридные системы.[18][19] В последнее время также были предложены некоторые обобщения концепций МКС на бесконечномерные системы.[20][21][3][22]

Рекомендации

  1. ^ Эдуардо Д. Зонтаг. Математическая теория управления: конечномерные системы. Springer-Verlag, Лондон, 1998 г.
  2. ^ Хасан К. Халил. Нелинейные системы. Прентис Холл, 2002.
  3. ^ а б Яссон Карафиллис и Чжун-Пин Цзян. Устойчивость и стабилизация нелинейных систем. Серия «Техника связи и управления». Springer-Verlag London Ltd., Лондон, 2011 г.
  4. ^ а б Эдуардо Д. Зонтаг. Вклад в стабильность состояния: основные понятия и результаты. В теории нелинейного и оптимального управления, том 1932, конспект лекций по математике, страницы 163–220, Берлин, 2008. Springer
  5. ^ а б Эдуардо Д. Зонтаг. Плавная стабилизация подразумевает факторизацию взаимных простых чисел. IEEE Trans. Автомат. Контроль, 34 (4): 435–443, 1989.
  6. ^ а б Эдуардо Д. Зонтаг и Юань Ван. Новые характеристики стабильности между входом и состоянием. IEEE Trans. Автомат. Контроль, 41 (9): 1283–1294, 1996.
  7. ^ а б Эдуардо Д. Зонтаг и Юань Ван. О характеристиках свойства устойчивости входа в состояние В архиве 2013-07-03 в Wayback Machine. Письма о контроле систем, 24 (5): 351–359, 1995.
  8. ^ Чжун-Пин Цзян, Ивен М. Ю. Марилс и Юань Ван. Формулировка Ляпунова нелинейной теоремы о малом усилении для взаимосвязанных систем МКС. Automatica J. IFAC, 32 (8): 1211–1215, 1996.
  9. ^ Сергей Дашковский, Бьорн С. Рюффер и Фабиан Р. Вирт. Функция Ляпунова МКС для сетей систем МКС. В материалах 17-го Международного симпозиума по математической теории сетей и систем (MTNS), Киото, Япония, 24-28 июля 2006 г., страницы 77–82, 2006 г.
  10. ^ См. Замечание 2.4. в Эдуардо Д. Зонтаг и Юань Ван. О характеристиках свойства устойчивости входа в состояние. Systems Control Lett., 24 (5): 351–359, 1995 г.
  11. ^ Лемма I.1, с.1285 в Эдуардо Д. Зонтаг и Юань Ван. Новые характеристики стабильности между входом и состоянием. IEEE Trans. Автомат. Контроль, 41 (9): 1283–1294, 1996.
  12. ^ Ларс Грюне. Динамическая устойчивость от входа к состоянию и ее характеристика функции Ляпунова. IEEE Trans. Автомат. Контроль, 47 (9): 1499–1504, 2002.
  13. ^ З.-П. Цзян, А. Р. Тил и Л. Прали. Теорема о малом усилении для систем и приложений МКС. Математика. Системы управляющих сигналов, 7 (2): 95–120, 1994.
  14. ^ Эндрю Р. Тил. Связь между теоремами типа Разумихина и теоремой о нелинейном малом усилении МКС. IEEE Trans. Автомат. Контроль, 43 (7): 960–964, 1998.
  15. ^ П. Пепе, З.-П. Цзян. Методология Ляпунова-Красовского для МКС и ИСС систем с запаздыванием. Письма о контроле систем, 55 (12): 1006–1014, 2006.
  16. ^ Яссон Карафиллис. Теоремы Ляпунова для систем, описываемых запаздывающими функционально-дифференциальными уравнениями. Нелинейный анализ: теория, методы и приложения, 64 (3): 590 - 617, 2006.
  17. ^ Юаньдань Линь, Юанг Ван и Дайчжань Чэн. О неоднородной и полуоднородной устойчивости входа в состояние для нестационарных систем. На Всемирном конгрессе МФБ, Прага, 2005 г.
  18. ^ Чаохонг Кай и Эндрю Р. Тил. Характеристики устойчивости от входа к состоянию для гибридных систем. Письма о системах и управлении, 58 (1): 47–53, 2009.
  19. ^ Д. Несич, А.Р. Teel. Теорема Ляпунова о малом усилении для гибридных систем МКС.В материалах 47-й конференции IEEE по решениям и контролю, Канкун, Мексика, 9-11 декабря 2008 г., страницы 3380–3385, 2008 г.
  20. ^ Байю Джаявардхана, Хартмут Логеманн и Юджин П. Райан. Бесконечномерные системы обратной связи: критерий круга и устойчивость от входа к состоянию. Commun. Инф. Систем., 8 (4): 413–414, 2008.
  21. ^ Дашковский С., Миронченко А. Устойчивость бесконечномерных систем управления между входами и состояниями.[мертвая ссылка ] По математике управления, сигналов и систем (MCSS), 2013 г.
  22. ^ Ф. Мазенк и К. Приер. Строгие функции Ляпунова для полулинейных параболических уравнений в частных производных. Математический контроль и связанные с ним области, 1: 231–250, июнь 2011 г.