关于Lyapunov稳定性分析,可以区分动态系统中的“时变”和“非自治”属性吗?

如果系统显式依赖于$ t $或间接依赖于$,是否有所作为? t $由于时变参数?

我想详细解释这个问题:

让动态系统由$ \ dot x = f $表示,状态$ x $。
如果动力学$ f $依赖于时间$ t $,则说动力学系统是非自治的,即$$ \ dot x = f(t,x)。$$

例如系统$$ \ dot x =-tx ^ 2 $$和$$ \ dot x = -a(t)x,$$是非自治的。令$ a(t)$为有界时变参数,即$ || a(t)|| 0 $。

特别地,第二个示例更可能表示为时变线性系统,但它当然是非自治的。

在Lyapunov稳定性分析中,必须强烈地区分自治系统和非自治系统,以对系统的稳定性作出断言,而对非自治系统的Lyapunov分析则要困难得多。对我来说,这里出现了一些问题。当我要分析第二个示例的稳定性时,我是否真的必须对非自治系统使用李雅普诺夫理论?

候选者$ V = 1/2 x ^ 2 $

$$ \ dot V = -a(t)x ^ 2,$$

,它是负的。我想像,原点真的是渐近稳定的吗?还是在这种情况下必须考虑非自动特性?第一个示例,或者由于参数随时间变化而只是间接的,因为$ t $接近无穷大,但是参数没有。

评论

这是关于这些系统的论文。重新定义的定义和稳定性分析可能有助于理解github.com/stonier/thesis/blob/master/thesis.pdf

#1 楼

您对“非自治​​”的定义不正确。请查阅有关控制理论的权威参考文献,如Sastry,Khalil或Slotine和Li的文献。

这里是从数学stackexchange复制的术语的简要摘要。

如果系统参数不取决于时间,则为时间不变

这些系统表示为:

$$ \ dot x = f(x,u),\ dot x = f(x)$$或系统为线性$$ \ dot x = Ax + Bu,\ dot x = Ax $$

如果系统参数确实取决于时间,则系统是时变的

这些系统表示为:

$$ \ dot x = f(x,u,t)$$或$$ \ dot x = A(t)x + B(t)u $$

对于RLC电路,$ A(t)$可以表示包含时变电容,电感或电阻的矩阵。类似地,对于质量弹簧-阻尼器系统,$ A(t)$可以表示随时间变化的阻尼,摩擦和质量。当然,所有实际系统都是随时间变化的,尽管可能是小时,年甚至几千年的规模。 :

这些系统表示为:

$$ \ dot x = f(x,u(x))= f(x)$$或$$ \ dot x = Ax + Bu(x)=(A-BK)x $$假设我们使用反馈$ u = -Kx $。任何状态反馈系统都是自治的,因为您输入的$ u $是状态的函数。

您可能已经猜到了,(时不变)非自治系统是您的输入不是状态的函数时

这些系统表示为:

$$ \ dot x = f(x,u)$$或$$ \ dot x = Ax + Bu $$

例如,$ u $可能是太阳辐射照射到太阳能电池板上,其中$ x $封装了太阳能电池板的状态。太阳能电池板不会影响日光或太阳,也不会影响通过太阳的云。

对于您的问题,您(很可能)*无法使用系统建议的Lyapunov函数,即:

使用$$ V(x)= \ dfrac {1} {2} x ^ 2 $$

来证明

$$ \ dot x =的原产地稳定性a(t)x $$

因为您的系统具有随时间变化的参数。它是自主的,并且是随时间变化的。

您需要做的是构造一个随时间变化的Lyapunov函数,并且在这个过程中,您会遇到Lyapunov函数()被称为递减等问题。那些不是经典的Lyapunov理论的一部分,Lyapunov理论涉及的是时不变的自治系统。最好的参考文献是Slotine和Li的控制理论课文。

#2 楼

您提到的两种类型之间没有区别。实际上,我的问题是理解为什么您能够在脑海中区分它们(老实说,我不明白,对此感到抱歉),因为它们之间没有数学上的区别。可以通过添加一些变量(一些方程式)来实现自治,但是您需要知道自己在做什么,因为经常添加这些方程式(不必使$ t'= 1 $稳定性发生变化)。