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輸入-狀態穩定性

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輸入-狀態穩定性(Input-to-state stability)簡稱ISS[1][2],是在有外部輸入時,非線性控制理論中探討其穩定性的方式。簡單來說,控制系統具有輸入-狀態穩定性也就是指在沒有外在輸入時,系統會漸近穩定,而且在足夠長的時間後,系統軌跡會限制在和輸入大小有關的函數中。

輸入-狀態穩定性之所以重要,是因為此概念連接了輸入-輸出穩定性以及狀態空間法,這二個都是控制系統研究者常常使用的工具。輸入-狀態穩定性的標示方式是由Eduardo Sontag英语Eduardo Sontag在1989年開始使用[3]

定義

考慮非時變常微分方程,其形式如下

1

其中勒贝格测度有本質確界的外部輸入,且 利普希茨連續函數。這可以確保系統(1)有唯一绝对连续的解。

若要定義ISS以及其他相關的性質,需要引入以下的比較函數英语comparison function分類。令K類函數)為連續遞增函數,且形成的集合,令為無界函數,再令KL類函數)為若在所有的都成立,而且針對所有的連續,且嚴格遞減至0。

系統(1)稱為在原點全域漸近穩定(0-GAS),若對應的零輸入系統

WithoutInputs

是全域李雅普诺夫稳定,也就是存在 使得針對所有的初值 以及任意時間,以下有關(WithoutInputs)解的估計都有效>:

GAS-Estimate

系統(1)稱為輸入-狀態穩定性(ISS)若存在函數 使得針對所有初值,所有可行的輸入以及任意時間,以下的不等式都成立

2

上述不等式中的函數稱為增益(gain)。

很明顯的,ISS系統是0-GAS系統,也有有界輸入有界輸出穩定性(若令輸出等於狀態),不過0-GAS系統不一定是ISS系統。

也可以證明若在時,,則在時,

輸入-狀態穩定性質的特點

為了要瞭解輸入-狀態穩定性,需要用其他的穩定性術語來重新說明。

系統(1)為全域穩定(GS),若存在 ,使得對於,下式都成立

GS

系統(1)滿足漸近增益(AG)特性,若存在,使得對於, ,下式都成立

AG

以下的描述都是等效的 [4]

  1. (1)有ISS(輸入-狀態穩定性)
  2. (1)是GS(全域穩定),且有AG(漸近增益)特性
  3. (1)是0-GAS(在原點全域漸近穩定),且有AG(漸近增益)特性

在論文中可以找到以上論述的證明,以及許多輸入-狀態穩定性的特性[4][5]

ISS-李亞普諾夫函數

ISS-李亞普諾夫函數是驗證輸入-狀態穩定性時的重要工具。

光滑函數是系統(1)的ISS-李亞普諾夫函數,若, ,以及[[ 正定函數 (實值連續可微函數)|正定函數]] ,使得下式成立:

以及 ,下式成立:

函數稱為李亞普諾夫增益(Lyapunov gain)。

若系統(1)沒有輸入(也就是),則最後一式可以簡化如下

因此也是(一般定義的)李亞普諾夫函數

E. Sontag和Y. Wang得到的重要結論是系統(1)為ISS,若且唯若存在光滑ISS李亞普諾夫函數[5]

例子

考慮一系統

定義候選的ISS-李亞普諾夫函數如下

選擇李亞普諾夫增益

.

可以得到在的條件下,下式成立

可得是該系統的ISS-李亞普諾夫函數,李亞普諾夫增益為

其他相關概念

積分輸入-狀態穩定性(iISS)

系統(1)為積分輸入-狀態穩定性(integral input-to-state stable,iISS)若存在函數,使得針對所有初值,所有可行的輸入及任意時間下,以下不等式都會成立:

3

積分輸入-狀態穩定性(iISS)系統和ISS系統不同,若系統是iISS系統,在有界輸入下其軌跡仍可能會成長到無限大。例如,在所有,令,且令,則估計(3)會變成以下的形式

隨著,等號右側會趨近無限大

局部輸入-狀態穩定性(LISS)

局部輸入-狀態穩定性也是一種輸入-狀態穩定性的特性。系統(1)為局部輸入-狀態穩定性(locally ISS、LISS)若存在常數、函數 使得:針對所有,所有可行的輸入及任意時間,下式都成立

4

可以觀察到0-GAS系統會有LISS系統的特性[6]

其他的穩定性

也有其他人提出和輸入-狀態穩定性有關的穩定性特性,例如增量輸入-狀態穩定性(incremental ISS)、輸入至輸出動態穩定性(input-to-state dynamical stability、ISDS)[7]、輸入至輸出實務穩定性(input-to-state practical stability、ISpS)、輸入至輸出穩定性(input-to-output stability、IOS)[8]等。

時滯系統的ISS

考慮非時變的时滞微分方程

TDS

其中是系統(TDS)在時間的狀態,需滿足特定假設,以確保系統(TDS)的解存在且唯一。

系統(TDS)為ISS,若且唯若存在函數,使得針對所有,所有可行的輸入,在任意時間下,下式都成立

ISS-TDS

在時滯系統的ISS理論中,提出了二個不同的李亞普諾夫型的充份條件:透過ISS Lyapunov-Razumikhin函數[9]及ISS Lyapunov-Krasovskii泛函[10]。有些論文有提到有關時滯系統的逆李亞普諾夫定理[11]

其他類型系統的輸入-狀態穩定性

以非時變常微分方程為基礎的輸入-狀態穩定性是已有相當發展的理論。也有研究者將此理論應用在其他的系統中,例如時變系統[12]混合系統[13][14]。近來也有人提出,將輸入-狀態穩定性的一些概念擴展到無限維系統的想法[15][16][1][17]

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 Iasson Karafyllis and Zhong-Ping Jiang. Stability and stabilization of nonlinear systems. Communications and Control Engineering Series. Springer-Verlag London Ltd., London, 2011.
  2. ^ E. D. Sontag. Input to state stability: basic concepts and results. In Nonlinear and optimal control theory, volume 1932 of Lecture Notes in Math., pages 163–220, Berlin, 2008. Springer
  3. ^ Eduardo D. Sontag. Smooth stabilization implies coprime factorization. IEEE Trans. Automat. Control, 34(4):435–443, 1989.
  4. ^ 4.0 4.1 Eduardo D. Sontag and Yuan Wang. New characterizations of input-to-state stability Archive-It存檔,存档日期2011-04-01. IEEE Trans. Automat. Control, 41(9):1283–1294, 1996.
  5. ^ 5.0 5.1 Eduardo D. Sontag and Yuan Wang. On characterizations of the input-to-state stability property页面存档备份,存于互联网档案馆). Systems Control Lett., 24(5):351–359, 1995.
  6. ^ Lemma I.1, p.1285 in Eduardo D. Sontag and Yuan Wang. New characterizations of input-to-state stability. IEEE Trans. Automat. Control, 41(9):1283–1294, 1996
  7. ^ Lars Grüne. Input-to-state dynamical stability and its Lyapunov function characterization. IEEE Trans. Automat. Control, 47(9):1499–1504, 2002.
  8. ^ Z.-P. Jiang, A. R. Teel, and L. Praly. Small-gain theorem for ISS systems and applications. Math. Control Signals Systems, 7(2):95–120, 1994.
  9. ^ Andrew R. Teel. Connections between Razumikhin-type theorems and the ISS nonlinear small gain theorem. IEEE Trans. Automat. Control, 43(7):960–964, 1998.
  10. ^ P. Pepe and Z.-P. Jiang. A Lyapunov-Krasovskii methodology for ISS and iISS of time-delay systems. Systems Control Lett., 55(12):1006–1014, 2006.
  11. ^ Iasson Karafyllis. Lyapunov theorems for systems described by retarded functional differential equations. Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 64(3):590 – 617,2006.
  12. ^ Y. Lin, Y. Wang, and D. Cheng. On nonuniform and semi-uniform input-to-state stability for time-varying systems. In IFAC World Congress, Prague, 2005.
  13. ^ C. Cai and A.R. Teel. Characterizations of input-to-state stability for hybrid systems. Systems & Control Letters, 58(1):47–53, 2009.
  14. ^ D. Nesic and A.R. Teel. A Lyapunov-based small-gain theorem for hybrid ISS systems. In Proceedings of the 47th IEEE Conference on Decision and Control, Cancun, Mexico, Dec. 9-11, 2008, pages 3380–3385, 2008.
  15. ^ Bayu Jayawardhana, Hartmut Logemann, and Eugene P. Ryan. Infinite-dimensional feedback systems: the circle criterion and input-to-state stability页面存档备份,存于互联网档案馆). Commun. Inf. Syst., 8(4):413–414, 2008.
  16. ^ Dashkovskiy, S. and Mironchenko, A. Input-to-state stability of infinite-dimensional control systems.[永久失效連結] In Mathematics of Control, Signals, and Systems (MCSS),2013
  17. ^ F. Mazenc and C. Prieur. Strict Lyapunov functions for semilinear parabolic partial differential equations. Mathematical Control and Related Fields, 1:231–250, June 2011.