输入-状态稳定性 (Input-to-state stability)简称ISS[ 1] [ 2] ,是在有外部输入时,非线性 的控制理论 中探讨其稳定性的方式。简单来说,控制系统具有输入-状态稳定性也就是指在没有外在输入时,系统会渐近稳定,而且在足够长的时间后,系统轨迹会限制在和输入大小有关的函数中。
输入-状态稳定性之所以重要,是因为此概念连接了输入-输出稳定性以及状态空间法 ,这二个都是控制系统研究者常常使用的工具。输入-状态稳定性的标示方式是由Eduardo Sontag 在1989年开始使用[ 3] 。
定义
考虑非时变常微分方程 ,其形式如下
x
˙
=
f
(
x
,
u
)
,
x
(
t
)
∈
R
n
,
{\displaystyle {\dot {x}}=f(x,u),\ x(t)\in \mathbb {R} ^{n},}
1
其中
u
:
R
+
→
R
m
{\displaystyle u:\mathbb {R} _{+}\to \mathbb {R} ^{m}}
是勒贝格测度 有本质确界 的外部输入,且
f
{\displaystyle f}
是利普希茨连续 函数。这可以确保系统(1 )有唯一绝对连续 的解。
若要定义ISS以及其他相关的性质,需要引入以下的比较函数 分类。令
K
{\displaystyle {\mathcal {K}}}
(K类函数 )为连续递增函数
γ
:
R
+
→
R
+
{\displaystyle \gamma :\mathbb {R} _{+}\to \mathbb {R} _{+}}
,且
γ
(
0
)
=
0
{\displaystyle \gamma (0)=0}
形成的集合,令
K
∞
{\displaystyle {\mathcal {K}}_{\infty }}
为无界函数
γ
∈
K
{\displaystyle \gamma \in {\mathcal {K}}}
,再令
β
∈
K
L
{\displaystyle \beta \in {\mathcal {K}}{\mathcal {L}}}
(KL类函数 )为若
β
(
⋅
,
t
)
∈
K
{\displaystyle \beta (\cdot ,t)\in {\mathcal {K}}}
在所有的
t
≥
0
{\displaystyle t\geq 0}
都成立,而且针对所有的
r
>
0
{\displaystyle r>0}
,
β
(
r
,
⋅
)
{\displaystyle \beta (r,\cdot )}
连续,且严格递减至0。
系统(1 )称为在原点全域渐近稳定 (0-GAS),若对应的零输入系统
x
˙
=
f
(
x
,
0
)
,
x
(
t
)
∈
R
n
,
{\displaystyle {\dot {x}}=f(x,0),\ x(t)\in \mathbb {R} ^{n},}
WithoutInputs
是全域李雅普诺夫稳定 ,也就是存在
β
∈
K
L
{\displaystyle \beta \in {\mathcal {K}}{\mathcal {L}}}
使得针对所有的初值
x
0
{\displaystyle x_{0}}
以及任意时间
t
≥
0
{\displaystyle t\geq 0}
,以下有关(WithoutInputs )解的估计都有效>:
|
x
(
t
)
|
≤
β
(
|
x
0
|
,
t
)
.
{\displaystyle |x(t)|\leq \beta (|x_{0}|,t).}
GAS-Estimate
系统(1 )称为输入-状态稳定性 (ISS)若存在函数
γ
∈
K
{\displaystyle \gamma \in {\mathcal {K}}}
且
β
∈
K
L
{\displaystyle \beta \in {\mathcal {K}}{\mathcal {L}}}
使得针对所有初值
x
0
{\displaystyle x_{0}}
,所有可行的输入
u
{\displaystyle u}
以及任意时间
t
≥
0
{\displaystyle t\geq 0}
,以下的不等式都成立
|
x
(
t
)
|
≤
β
(
|
x
0
|
,
t
)
+
γ
(
‖
u
‖
∞
)
.
{\displaystyle |x(t)|\leq \beta (|x_{0}|,t)+\gamma (\|u\|_{\infty }).}
2
上述不等式中的函数
γ
{\displaystyle \gamma }
称为增益 (gain)。
很明显的,ISS系统是0-GAS系统,也有有界输入有界输出稳定性 (若令输出等于状态),不过0-GAS系统不一定是ISS系统。
也可以证明若在
t
→
∞
{\displaystyle t\to \infty }
时,
|
u
(
t
)
|
→
0
{\displaystyle |u(t)|\to 0}
,则在
t
→
∞
{\displaystyle t\to \infty }
时,
|
x
(
t
)
|
→
0
{\displaystyle |x(t)|\to 0}
。
输入-状态稳定性质的特点
为了要了解输入-状态稳定性,需要用其他的稳定性术语来重新说明。
系统(1 )为全域稳定(GS) ,若存在
γ
,
σ
∈
K
{\displaystyle \gamma ,\sigma \in {\mathcal {K}}}
,使得对于
∀
u
{\displaystyle \forall u}
、
∀
t
≥
0
{\displaystyle \forall t\geq 0}
及
∀
x
0
{\displaystyle \forall x_{0}}
,下式都成立
|
x
(
t
)
|
≤
σ
(
|
x
0
|
)
+
γ
(
‖
u
‖
∞
)
.
{\displaystyle |x(t)|\leq \sigma (|x_{0}|)+\gamma (\|u\|_{\infty }).}
GS
系统(1 )满足渐近增益(AG)特性 ,若存在
γ
∈
K
{\displaystyle \gamma \in {\mathcal {K}}}
,使得对于
∀
x
0
{\displaystyle \forall x_{0}}
,
∀
u
{\displaystyle \forall u}
,下式都成立
lim sup
t
→
∞
|
x
(
t
)
|
≤
γ
(
‖
u
‖
∞
)
.
{\displaystyle \limsup _{t\to \infty }|x(t)|\leq \gamma (\|u\|_{\infty }).}
AG
以下的描述都是等效的
[ 4] :
(1 )有ISS(输入-状态稳定性)
(1 )是GS(全域稳定),且有AG(渐近增益)特性
(1 )是0-GAS(在原点全域渐近稳定),且有AG(渐近增益)特性
在论文中可以找到以上论述的证明,以及许多输入-状态稳定性的特性[ 4] [ 5] 。
ISS-李亚普诺夫函数
ISS-李亚普诺夫函数是验证输入-状态稳定性时的重要工具。
光滑函数
V
:
R
n
→
R
+
{\displaystyle V:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} _{+}}
是系统(1 )的ISS-李亚普诺夫函数,若
∃
ψ
1
,
ψ
2
∈
K
∞
{\displaystyle \exists \psi _{1},\psi _{2}\in {\mathcal {K}}_{\infty }}
,
χ
∈
K
{\displaystyle \chi \in {\mathcal {K}}}
,以及[[
正定函数 (实值连续可微函数)|正定函数]]
α
{\displaystyle \alpha }
,使得下式成立:
ψ
1
(
|
x
|
)
≤
V
(
x
)
≤
ψ
2
(
|
x
|
)
,
∀
x
∈
R
n
{\displaystyle \psi _{1}(|x|)\leq V(x)\leq \psi _{2}(|x|),\quad \forall x\in \mathbb {R} ^{n}}
以及
∀
x
∈
R
n
,
∀
u
∈
R
m
{\displaystyle \forall x\in \mathbb {R} ^{n},\;\forall u\in \mathbb {R} ^{m}}
,下式成立:
|
x
|
≥
χ
(
|
u
|
)
⇒
∇
V
⋅
f
(
x
,
u
)
≤
−
α
(
|
x
|
)
,
{\displaystyle |x|\geq \chi (|u|)\ \Rightarrow \ \nabla V\cdot f(x,u)\leq -\alpha (|x|),}
函数
χ
{\displaystyle \chi }
称为李亚普诺夫增益 (Lyapunov gain)。
若系统(1 )没有输入(也就是
u
≡
0
{\displaystyle u\equiv 0}
),则最后一式可以简化如下
∇
V
⋅
f
(
x
,
u
)
≤
−
α
(
|
x
|
)
,
∀
x
≠
0
,
{\displaystyle \nabla V\cdot f(x,u)\leq -\alpha (|x|),\ \forall x\neq 0,}
因此
V
{\displaystyle V}
也是(一般定义的)李亚普诺夫函数 。
E. Sontag和Y. Wang得到的重要结论是系统(1 )为ISS,若且唯若存在光滑ISS李亚普诺夫函数[ 5] 。
例子
考虑一系统
x
˙
=
−
x
3
+
u
x
2
.
{\displaystyle {\dot {x}}=-x^{3}+ux^{2}.}
定义候选的ISS-李亚普诺夫函数
V
:
R
→
R
+
{\displaystyle V:\mathbb {R} \to \mathbb {R} _{+}}
如下
V
(
x
)
=
1
2
x
2
,
∀
x
∈
R
.
{\displaystyle V(x)={\frac {1}{2}}x^{2},\quad \forall x\in \mathbb {R} .}
V
˙
(
x
)
=
∇
V
⋅
(
−
x
3
+
u
x
2
)
=
−
x
4
+
u
x
3
.
{\displaystyle {\dot {V}}(x)=\nabla V\cdot (-x^{3}+ux^{2})=-x^{4}+ux^{3}.}
选择李亚普诺夫增益
χ
{\displaystyle \chi }
为
χ
(
r
)
:=
1
1
−
ϵ
r
{\displaystyle \chi (r):={\frac {1}{1-\epsilon }}r}
.
可以得到在
x
,
u
:
|
x
|
≥
χ
(
|
u
|
)
{\displaystyle x,u:\ |x|\geq \chi (|u|)}
的条件下,下式成立
V
˙
(
x
)
≤
−
|
x
|
4
+
(
1
−
ϵ
)
|
x
|
4
=
−
ϵ
|
x
|
4
.
{\displaystyle {\dot {V}}(x)\leq -|x|^{4}+(1-\epsilon )|x|^{4}=-\epsilon |x|^{4}.}
可得
V
{\displaystyle V}
是该系统的ISS-李亚普诺夫函数,李亚普诺夫增益为
χ
{\displaystyle \chi }
。
其他相关概念
积分输入-状态稳定性(iISS)
系统(1 )为积分输入-状态稳定性(integral input-to-state stable,iISS)若存在函数
α
,
γ
∈
K
{\displaystyle \alpha ,\gamma \in {\mathcal {K}}}
及
β
∈
K
L
{\displaystyle \beta \in {\mathcal {K}}{\mathcal {L}}}
,使得针对所有初值
x
0
{\displaystyle x_{0}}
,所有可行的输入
u
{\displaystyle u}
及任意时间
t
≥
0
{\displaystyle t\geq 0}
下,以下不等式都会成立:
α
(
|
x
(
t
)
|
)
≤
β
(
|
x
0
|
,
t
)
+
∫
0
t
γ
(
|
u
(
s
)
|
)
d
s
.
{\displaystyle \alpha (|x(t)|)\leq \beta (|x_{0}|,t)+\int _{0}^{t}\gamma (|u(s)|)ds.}
3
积分输入-状态稳定性(iISS)系统和ISS系统不同,若系统是iISS系统,在有界输入下其轨迹仍可能会成长到无限大。例如,在所有
r
≥
0
{\displaystyle r\geq 0}
,令
α
(
r
)
=
γ
(
r
)
=
r
{\displaystyle \alpha (r)=\gamma (r)=r}
,且令
u
≡
c
=
c
o
n
s
t
{\displaystyle u\equiv c=const}
,则估计(3 )会变成以下的形式
|
x
(
t
)
|
≤
β
(
|
x
0
|
,
t
)
+
∫
0
t
c
d
s
=
β
(
|
x
0
|
,
t
)
+
c
t
,
{\displaystyle |x(t)|\leq \beta (|x_{0}|,t)+\int _{0}^{t}cds=\beta (|x_{0}|,t)+ct,}
随著
t
→
∞
{\displaystyle t\to \infty }
,等号右侧会趋近无限大
t
→
∞
{\displaystyle t\to \infty }
。
局部输入-状态稳定性(LISS)
局部输入-状态稳定性也是一种输入-状态稳定性的特性。系统(1 )为局部输入-状态稳定性 (locally ISS、LISS)若存在常数
ρ
>
0
{\displaystyle \rho >0}
、函数
γ
∈
K
{\displaystyle \gamma \in {\mathcal {K}}}
及
β
∈
K
L
{\displaystyle \beta \in {\mathcal {K}}{\mathcal {L}}}
使得:针对所有
x
0
∈
R
n
:
|
x
0
|
≤
ρ
{\displaystyle x_{0}\in \mathbb {R} ^{n}:\;|x_{0}|\leq \rho }
,所有可行的输入
u
:
‖
u
‖
∞
≤
ρ
{\displaystyle u:\|u\|_{\infty }\leq \rho }
及任意时间
t
≥
0
{\displaystyle t\geq 0}
,下式都成立
|
x
(
t
)
|
≤
β
(
|
x
0
|
,
t
)
+
γ
(
‖
u
‖
∞
)
.
{\displaystyle |x(t)|\leq \beta (|x_{0}|,t)+\gamma (\|u\|_{\infty }).}
4
可以观察到0-GAS系统会有LISS系统的特性[ 6] 。
其他的稳定性
也有其他人提出和输入-状态稳定性有关的稳定性特性,例如增量输入-状态稳定性(incremental ISS)、输入至输出动态稳定性(input-to-state dynamical stability、ISDS)[ 7] 、输入至输出实务稳定性(input-to-state practical stability、ISpS)、输入至输出稳定性(input-to-output stability、IOS)[ 8] 等。
时滞系统的ISS
考虑非时变的时滞微分方程
x
˙
(
t
)
=
f
(
x
t
,
u
(
t
)
)
,
t
>
0.
{\displaystyle {\dot {x}}(t)=f(x^{t},u(t)),\quad t>0.}
TDS
其中
x
t
∈
C
(
[
−
θ
,
0
]
;
R
N
)
{\displaystyle x^{t}\in C([-\theta ,0];\mathbb {R} ^{N})}
是系统(TDS )在时间
t
{\displaystyle t}
的状态,
x
t
(
τ
)
=
x
(
t
+
τ
)
,
τ
∈
[
−
θ
,
0
]
{\displaystyle x^{t}(\tau )=x(t+\tau ),\ \tau \in [-\theta ,0]}
及
f
:
C
(
[
−
θ
,
0
]
;
R
N
)
×
R
m
{\displaystyle f:C([-\theta ,0];\mathbb {R} ^{N})\times \mathbb {R} ^{m}}
需满足特定假设,以确保系统(TDS )的解存在且唯一。
系统(TDS )为ISS,若且唯若存在函数
β
∈
K
L
{\displaystyle \beta \in {\mathcal {KL}}}
及
γ
∈
K
{\displaystyle \gamma \in {\mathcal {K}}}
,使得针对所有
ξ
∈
C
(
[
−
θ
,
0
]
,
R
N
)
{\displaystyle \xi \in C(\left[-\theta ,0\right],\mathbb {R} ^{N})}
,所有可行的输入,在任意时间
t
∈
R
+
{\displaystyle t\in \mathbb {R} _{+}}
下,下式都成立
|
x
(
t
)
|
≤
β
(
‖
ξ
‖
[
−
θ
,
0
]
,
t
)
+
γ
(
‖
u
‖
∞
)
.
{\displaystyle \left|x(t)\right|\leq \beta (\left\|\xi \right\|_{\left[-\theta ,0\right]},t)+\gamma (\left\|u\right\|_{\infty }).}
ISS-TDS
在时滞系统的ISS理论中,提出了二个不同的李亚普诺夫型的充份条件:透过ISS Lyapunov-Razumikhin函数[ 9] 及ISS Lyapunov-Krasovskii泛函[ 10] 。有些论文有提到有关时滞系统的逆李亚普诺夫定理[ 11] 。
其他类型系统的输入-状态稳定性
以非时变常微分方程为基础的输入-状态稳定性是已有相当发展的理论。也有研究者将此理论应用在其他的系统中,例如时变系统 [ 12] 、混合系统 [ 13] [ 14] 。近来也有人提出,将输入-状态稳定性的一些概念扩展到无限维系统的想法[ 15] [ 16] [ 1] [ 17] 。
参考资料
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