混雜系統穩定性條件擴展及等價分析

李衛東，王中科

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

混雜動態系統(Hybrid Dynamic Systems)是研究同時包含連續變量動態過程和離散事件動態過程的復雜系統，其混雜特性表現為連續變量和離散事件的相互作用［1-2］.混雜系統具有復雜性和特殊性，即便每個子系統是穩定的，混雜系統也不一定穩定;相反，如果有的子系統不穩定，那也不代表混雜系統是不穩定的［3］.穩定性分析及綜合是控制系統研究的基本問題，不論在理論上還是在實踐中均有重要意義，且實際運行的系統一般都要求是穩定的.因此，自從混雜系統提出以來，穩定性問題便受到了研究人員的廣泛重視，近些年在混雜系統穩定性方面取得的理論成果也是頗為豐富的［4-5］.目前，在混雜系統的穩定性研究中，主要有Lyapunov意義下的穩定性和Lagrange意義下的穩定性兩類.本文主要研究Lyapunov意義下的穩定性問題，同時為了使分析系統的穩定性問題能夠得到簡化，文中把穩定性條件等價為求解線性矩陣不等式的問題，同時借助了已有的計算機工具來進行了輔助分析.

1 系統模型

本文討論了一類自治切換混雜系統，其控制器被設計成一個閉環的混雜系統.其方程描述如下:

式中，x∈Rn，m∈M={m1，…，mN}，這里x表示連續狀態，m表示離散狀態，混合狀態空間H=Rn×M.該混雜系統模型的初始條件是(x0，m0)∈I0，I0表示所有可能初始條件的集合.切換集可以表示為如下形式:

每一個f(*，mi)表示一個子系統，當m的值改變的時候會導致向量場f發生改變.系統的變化過程可概括如下:由起始點處(x0，m0)，當m0=mi，在時刻t0，演變軌跡可由x·=f(x，mi)得出.當x在t1時刻，其狀態變為(x1，mj)，變化曲線可由x·=f(x，mj)得出.為了使混雜系統穩定性條件體現在函數f和φ中，前提是對于任意初始條件都存在使系統趨于穩定的條件，且f(x，mi)?mi∈ M 是連續的［6］.

2 理論分析

2.1 穩定性理論

定義1 一個連續的函數α:R+→R+，滿足以下條件:

(1)α(0)=0;

(2)α(z)＞0，?z＞0;

(3)α(z1)≤ α(z2)，z1＜ z2.則稱函數α為K類函數.

定理1 (Lyapunov穩定性定理)若存在函數V:Rn×R→R以及K類函數α:R+→R+，β:R+→R+滿足如下條件:

(1)α(‖x‖)≤ V(x，t)≤ β(‖x‖)

(2)?t≥ t0，V(x，t)≤ h(V(x0，t0))，h∈C［R+，R+］，h(0)=0，R+= ［0，+ ∞)(函數 h 引用于文獻［7］)

則系統在平衡點0處是處于Lyapunov意義下的穩定狀態.若‖x‖→∞ 時，α(‖x‖)→∞則系統在平衡點0處是全局穩定的.

假設混雜系統(1)、(2)中的混雜狀態空間分為 l個不相交的區域 Ωq，q=1，…，l，Ωq既可以是有界的也可能是無界的，在每個區域Ωq中有函數Vq(x，t)作為系統的能量函數.為了在區域Ωq得到唯一的連續狀態，這里假定:

當 (x，m)∈ Ωq時，V(x，t)=Vq(x，t)，且假定初始狀態是(x0，m0)∈ I0，能量是V(x0，t0).進而得出如下推論:

推論1 如果存在能量函數Vq(x，t)，以及K類函數α:R+→R+，β:R+→R+滿足如下條件:

(1)?(x，m)∈ Ωq，α(‖x‖)≤Vq(x，t)≤β(‖x‖)，q=1，…，l

(2)?(x，m)∈ Ωq，?t ≥ t0，Vq(x，t)≤h(V(x0，t0))，q=1，…，l

則系統在平衡點0處是處于Lyapunov意義下的穩定狀態.

推論2 如果存在能量函數Vq:×R→R，q=1，…，l與時間無關，且每個能量函數Vq(x)對x(?x ∈ Ωxq，q=1，…，l)可微，滿足如下條件，(1)?x∈，α(‖x‖)≤ Vq(x，t)≤β(‖x‖)，q=1，…，l

(2)?(x，m)∈ Ωq，(x)≤ 0，q=1，…，l

(3)?x∈ Ωqr，Vr(x)≤ Vq(x)，q=1，…，l，r=1，…，l

其中，α:R+→ R+，β:R+→ R+為 K 類函數，Ωqr表示系統從狀態區域Ωq進入到Ωr，則系統在平衡點0處是處于Lyapunov意義下的穩定狀態.

2.2 等價線性矩陣不等式分析

引理1 一個向量場f:Rn→Rn可以表示為如下形式:

根據上述引理可以把所有非線性子系統f(*，mi)，mi∈M通過加權的線性子系統來表示，形式如下:

為了把系統穩定性條件轉化成為求解線性矩陣不等式的問題，這里考慮把能量函數表示為如下形式:

從而可以得出以下推論:

推論3 如果存在矩陣 Pq，q=1，…，l，α ＞0，β＞0，滿足如下條件:

(3)?x ∈ Ωqr，Pr≤ Pq，q，r=1，…，l

系統在平衡點0處是Lyapunov意義下的全局穩定狀態.

3 仿真分析

考慮如下兩個包含離散狀態的混雜系統:

其中切換集為S12={x∈R2|x2=0}，S21={x∈ R2|x2=0.5x1}，初始狀態設為(x0，m0)=(［－ 5，5］T，m1)，系統的狀態變化曲線如圖1所示，從圖中可見該混雜系統趨于0點的穩定狀態.

圖1 混雜系統狀態變化曲線

通過引理1可以把系統描述為如下形式:

根據推論3可以求得

能量函數的變化曲線如圖2所示，從圖中可以看出能量函數隨時間推移呈遞減趨勢，即系統滿足穩定性條件，從而證明了所提出理論是可行的.

圖2 能量函數變化仿真圖形

4 結論

混雜系統中的穩定性問題是研究人員關注的重點內容之一，且已經在許多文獻中進行了闡述和分析.本文通過對經典穩定性理論進行擴展，給出了含有非線性子系統的自治切換混雜系統的穩定性判據.隨后，把穩定性問題等價轉化為線性矩陣不等式的問題，進而利用便利的計算機工具對給出的實例進行了仿真分析，通過仿真結果驗證了所提出理論的正確性及分析方法的有效性.

［1］莫以為，蕭德云.混合動態系統及其應用綜述［J］.控制理論與應用，2002，19(1):1-8.

［2］MORSE A S，PANTELIDES C C.Introduction to the Special Issue on Hybrid Systems ［J］.Automatics，1999，35(3):347-348.

［3］BRANICKY M S.Multiple Lyapunov Functions and other analysis tools for switched and hybrid systems［J］.IEEE Trans.Automat.Contr，1998，43(4):475-482.

［4］DECARLO R A，BRANICKY M S，PATTERSON S，et al.Perspectives and results on the stability and stabilizability of hybrid systems［J］.Proceedings of the IEEE，2000，88(7):1069-1082.

［5］DAVRAZOS G N，KOUSSOULAS N T.A Review of Stability Results for Switched and Hybrid Systems［C］.Dubrovnik，9th Mediterranean Conference on Control and Automation，2001:235-244.

［6］SLOTINE J E，LI W.Applied Nonlinear Control［J］.Prentice-Hall，2003，18(2):25-38.

［7］YE H，MICHEL A N，HOU L.Stability theory for hybrid dynamical systems［C］.Croatia，In Proc.of 34th CDC，1999:2679-2684.