一種改進(jìn)的吸引域估計(jì)的方法

金德泉　禹磊

【摘 要】在考察具有漸近穩(wěn)定平衡點(diǎn)的非線性動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)候， 其吸引域范圍是判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的一類重要指標(biāo).利用最優(yōu)Lyapunovh函數(shù)法， 可以得到一大類非線性動(dòng)力系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的Lyapunov函數(shù)， 并利用該函數(shù)對(duì)吸引域范圍進(jìn)行估計(jì). 基于最優(yōu)最優(yōu)Lyapunov函數(shù)， 通過對(duì)原吸引域估計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)， 可以顯著提高估計(jì)的準(zhǔn)確性， 得到更好估計(jì)結(jié)果， 并通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】漸近穩(wěn)定平衡點(diǎn)；吸引域；迭代擴(kuò)展法

中圖分類號(hào)： O175 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）06-0187-002

【Abstract】When investigating the property of nonlinear dynamical system which has asymptotically equilibrium point， the range of its corresponding attractive domain is an important indicator for system stability. By using optimal Lyapunov function approach， the corresponding Lyapunov function can be obtained for large part of nonlinear dynamical systems， which can be used to estimate the range of attraction domain. On basis of optimal Lyapunov function， the original approach for estimating attraction is improved， which effectively increases the estimating accuracy to obtain better estimating result. Numerical Examples are given to show this.

【Key words】Asymptotically stable equilibrium point；Attraction domain；Iterative expansion Approach

0 引言

對(duì)于一般的非線性系統(tǒng)而言， 確定平衡點(diǎn)的吸引域的范圍是一個(gè)具有相當(dāng)難度的問題， 也是非線性自治系統(tǒng)研究和應(yīng)用中的一個(gè)重要問題[1-4]。最早關(guān)于非線性系統(tǒng)吸引域問題的討論可以追溯到Barbashin和Krasovskii， 以及Zubov等人的工作[5]. 1985年S Balint提出了最優(yōu)Lyapunov函數(shù)的概念[6]， 并于1986年對(duì)這種最優(yōu)Lyapunov函數(shù)的逼近的方法[7]. 基于這些工作， 2005年Kaslik E， Balint A和Balint S詳細(xì)的給出了一種對(duì)最優(yōu)Lyapunov函數(shù)進(jìn)行近似的迭代逼近方法[8]， 得到了一個(gè)新的Lyapunov函數(shù)， 并將其用于近似非線性系統(tǒng)的吸引域范圍. 這些工作的成果稱為最優(yōu)Lyapunov函數(shù)法. 因?yàn)樽顑?yōu)Lyapunov函數(shù)法對(duì)系統(tǒng)的具體形式?jīng)]有太多的限制， 因此非線性系統(tǒng)吸引域估計(jì)的研究領(lǐng)域一個(gè)重要的成果.

基于一種Lyapunov函數(shù)迭代方式， 本文給出一種用于估計(jì)具有漸近穩(wěn)定平衡點(diǎn)的非線性動(dòng)力系統(tǒng)吸引域范圍的新方法， 稱為迭代擴(kuò)展法. 理論證明和數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明了這種方法在吸引域估計(jì)中的可行性和有效性. 數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明， 由迭代擴(kuò)展法得到的吸引域的近似結(jié)果要比最優(yōu)Lyapunov函數(shù)法得到的結(jié)果要好.

1 非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的最優(yōu)Lyapunov函數(shù)法

考慮如下具有一般形式的系統(tǒng)

其中D→Rn是將連通開集D？奐Rn映到 的局部Lipschitz映射.不失一般性，設(shè)x=0為系統(tǒng)（1）的平衡點(diǎn)， 即f（0）=0.

用于估計(jì)非線性系統(tǒng)吸引域的方法中，如基于Lyapunov穩(wěn)定性定理的Lyapunov直接方法， 以及基于LaSalle定理的判斷集合正向不變性從而找到吸引域的近似的方法等. 這些方法都依賴于系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)， 且近似的效果好壞在很大程度上也依賴于Lyapunov函數(shù)自身的性質(zhì)好壞. 而構(gòu)造Lyapunov函數(shù)是一個(gè)很困難的問題， 基本上所有的構(gòu)造方法， 包括能量函數(shù)法和變量梯度法等， 都只是適用于某類具有特定具體形式的系統(tǒng)， 而沒有一個(gè)普遍的系統(tǒng)化的方法， 更不要說構(gòu)造一個(gè)“好”的Lyapunov函數(shù).

2005年， Kaslik E， Balint A和Balint S在他們的文獻(xiàn)[8]中提出了一種構(gòu)造Lyapunov函數(shù)的新的方法.這種方法只對(duì)系統(tǒng)場(chǎng)函數(shù)的光滑性和平衡點(diǎn)處系統(tǒng)的Jacobi矩陣有一定的要求， 而不像大多數(shù)方法那樣需要對(duì)系統(tǒng)的具體形式加以限制. 這在非線性系統(tǒng)領(lǐng)域是一個(gè)很大的突破， 具有很高的理論和應(yīng)用價(jià)值.

定理1（見[8]中定理8）如果場(chǎng)函數(shù)f實(shí)解析且它在原點(diǎn)的Jacobi矩陣的特征值實(shí)部為負(fù)，定義實(shí)解析函數(shù)V的自然解析域?yàn)镽n中滿足

3 結(jié)論

本文給出了一種用于非線性系統(tǒng)漸近穩(wěn)定平衡點(diǎn)吸引域估計(jì)的改進(jìn)的最優(yōu)Lyapunov函數(shù)法. 該方法繼承了最優(yōu)Lyapunov函數(shù)法使用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)， 可以用于一大類非線性系統(tǒng)的吸引域估計(jì). 同時(shí)， 通過對(duì)最優(yōu)Lyapunov函數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)， 取消了原本需要將估計(jì)范圍限制在某個(gè)圓（或球）內(nèi)限制， 從而提高了吸引域估計(jì)的精度， 擴(kuò)展了方法的使用范圍.

【參考文獻(xiàn)】

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