86
.pdfChapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
where
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N /2 |
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N |
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N |
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N |
N |
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N |
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/2 |
, |
P = |
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N |
21 |
N |
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N |
N |
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, |
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N |
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N |
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N |
N |
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22 |
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N |
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N |
N |
N |
N |
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2 |
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2 |
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N11 |
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N21 |
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N |
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N |
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N |
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||||||||||
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11 |
12 |
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N |
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P = |
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N |
= |
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N |
, |
N |
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= |
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N . |
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2 |
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12 |
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N |
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N |
N |
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11 |
N |
13 |
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N13 |
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N23 |
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|||||||
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12 |
13 |
N13 |
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2 |
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2 |
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Then the improper integral (v. (2.28)):
I |
5 |
= I |
1 |
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where matrices
I |
3 |
= |
|
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R1,
I |
I |
11 |
12 |
, W |
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1 |
1 |
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I |
|
= |
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[ y |
* |
(t)R y |
|
* |
* |
(t)W y(t)]dt = |
||
3 |
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(t) y |
(t) y(t) y |
||||||||
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1 |
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1 |
1 |
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0 |
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2 |
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( ) |
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i |
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< , |
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i=1 |
(0) |
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N /2 |
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1 |
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11 |
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11 |
2 |
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21 |
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R = |
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P = |
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2 |
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N |
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/2 |
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2 |
2 |
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, |
|||||||||||||
1 |
11 |
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21 |
1 |
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11 |
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2 |
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12 |
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|||||||||
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N |
21 |
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N |
22 |
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N23 |
|
||||
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|||||||
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2 |
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2 |
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|||||||
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= |
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22 |
P = |
1 |
12 |
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2 |
11( 1 1 ) 2 12 N21 |
||||||||||
|
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1 11 |
2 12 N21 |
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||||||
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( |
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|
) |
|
N |
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11 |
1 |
12 |
21 |
||||||
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1 |
2 |
|
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W1 |
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1 11 2 12 N11 |
||||||||
|
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|||||||||
|
|
1 |
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N11 N12 |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
|
2 |
|
|
|||||
|
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11 |
2 |
12 |
|
|
|
||
|
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1 11 |
N11 N13 |
|
|
||||
|
|
|
|
|||||||
|
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|
|
2 |
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|
||||
|
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1 11 ( 2 2 ) 12 N22 |
|
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N11 N23 |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
2 12 N22 |
|
|
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|
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|
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|
|
N12 N23 |
, |
|
||||||||||||||||
|
|
11 |
|
12 |
( |
2 |
|
2 |
) N |
22 |
|
N N |
23 |
|
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||||||||||||||||
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1 |
|
|
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13 |
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||||||||||||
= 13 23 P3 = |
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||||||||||||
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1 |
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|
N N |
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|
N |
11 |
N |
|
|||||||
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|
|
2 12 |
|
|
11 |
12 |
1 11 |
|
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|
13 |
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|
|||||||||||||||
2 |
|
|
2 |
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|
2 |
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|||||||||||||||||
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||||||
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|
1 |
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|
|
N12 N13 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
2 |
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|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
12 |
|
12 |
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
1 11 |
N12 N13 |
|
|
|
1 11 2 12 N13 |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
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|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
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|
2 |
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101
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
Here
D = SK |
1 |
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11 |
, |
|
12 |
, |
|
|
|
|
=1 1 1
2 2 2
N |
11 |
, |
N |
12 |
, |
N |
13 |
, |
N |
21 |
, |
N |
22 |
, |
N |
23 |
are arbitrary parameters, matrix |
|
|
|
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|
is a feedback matrix. If the equalities are satisfied |
||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
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11 |
( |
2 |
|
2 |
) |
12 |
N |
22 |
= |
11 |
|
12 |
N |
21 |
1 |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
11( 1 1 ) 2 12 N21 = N11 N23,
1 11 12 ( 2 2 ) N22 = N12 N23 ,
(2.42)
then matrix
= |
. |
|
|
* |
|
1 |
1 |
|
Now from (2.28) when performing equalities (2.42), we have
|
2 |
|
( ) |
i |
|
I 5 |
= |
|
* |
|
|
|
|
|
* |
(t)W y(t)]dt = |
|
|
|
|
( |
) |
|
d |
|
|
||||||
[ y |
(t)R y(t) y |
|
|
|
1i |
i |
||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
1 |
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|
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|
|
1 |
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|
i |
i |
|
|
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|||||
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|
0 |
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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i=1 |
(0) |
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i |
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d |
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1 |
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y |
* |
(t) y(t) |
dt < . |
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|||||||||
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|||||||||
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1 |
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|||||
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0 |
dt |
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||||
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(2.43)
due to the fact that |
| y( ) | c |
< , |
| y(0) | c |
< . |
Matrix |
R = R |
* |
0, |
when |
|||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
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|
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2 |
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1 |
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1 |
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2 |
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|||||
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1 |
11 |
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11 |
2 |
|
2 |
|
12 |
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|
|
= |
|
0, |
|
|
= |
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, |
|
| R |
| 0. |
||||
1 |
1 |
11 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
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1 |
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|||
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||||||||||
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1 |
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2 |
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2 |
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12 |
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2 |
12 |
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(2.44)
Consequently, when performing inequalities (2.44) from (2.43) it follows that the improper integral
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I |
|
= |
|
* |
(t)W y(t)dt < . |
50 |
|
y |
|||
|
|
|
1 |
||
|
|
|
0 |
|
|
(2.45)
W1
[0,
If arbitrary parameters and elements of the feedback matrix |
D selected so that |
||
* |
then all conditions of theorem 6 are satisfied. Consequently, in the sector |
||
= W1 > 0, |
|||
|
|
0 = diag( 01, 02 ), = diag( 1, 2 ), 1 > 0, 2 > 0 |
|
0 ], |
are arbitrarily small |
numbers, Iserman’s problem has a solution. The limit values 01, 02 are denoted from the condition of Hurwitz of the matrix A B 0 D.
For positive definiteness of the matrix W1 = W * > 0 it is necessary and sufficient that the following inequalities are performed:
102
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
|
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NN |
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1212 |
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1111 |
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|
NN |
N |
|||
|
11 |
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|
|
1111 |
1212 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
22 |
|
22 |
1212 |
|
|
|
22 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
12 |
N |
|
> 0, |
|
|||||
|
2 |
|
|
11 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
N |
|
|||||
11 |
|
1111 |
|
||||||||
|
|
22 |
|
|
22 |
1212 |
|
|
|
22 |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|||
|
|
|
|
|
22 |
1212 |
|
1212 |
N 1212
0,
|
|W 11
|| 0.0.
(2.46)
The characteristic polynomial of the matrix
A B |
D |
0 |
|
is equal to
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
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( ) =| I |
3 |
A B |
D |= |
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= |
||||
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a |
, |
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= a |
a |
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2 |
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1 |
0 |
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where
a2 = 3 01 1 02 2 , a1 = 3 01(2 1 1 1) 02 (2 2 2 )
01 02 ( 1 2 1 2 ), a0 = 2 01 1 02 ( 2 2 ) 01 02 ( 1 2
1 2 2 1 2 1 1 2 ).
For Hurwitz of the matrix |
A B 0 D |
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necessary and sufficient condition is perfor- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
mance of inequalities |
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a0 |
> 0, |
a1 |
> 0, |
a2 > 0, a2a1 a0 |
> 0. |
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(2.47) |
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Limit values |
01, 02 |
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are denoted from equalities |
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a |
= a |
( |
01 |
, |
02 |
) = 2 |
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02 |
( |
2 |
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2 |
) |
01 |
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02 |
( |
2 |
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2 |
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1 |
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1 |
a |
2 |
) = 0, |
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0 |
0 |
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a = a ( |
01 |
, |
02 |
) = 3 |
01 |
(2 |
1 |
) |
02 |
(2 |
2 |
|
2 |
) |
01 |
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02 |
( |
2 |
|
2 |
) = 0, |
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a2 = a2 ( 01, 02 ) = 3 01 1 02 2 = 0, |
a2 ( 01, 02 )a1( 01, 02 ) a0 ( 01, 02 ) = 0. |
From the above results it follows:
1. For absolute stability of equilibrium state of the system (2.41) with limited nonlinearities it is necessary and sufficient that equalities (2.42), and inequalities (2.44), (2.46), (2.47) are fulfilled. (The total number of conditions is 13, and the total number
of parameters selected is 15).
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11 |
, |
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12 |
, |
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N |
11 |
, |
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N |
12 |
, |
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N |
13 |
, |
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N |
21 |
, |
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N22,
N |
23 |
, |
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1,
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, |
1 |
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1 |
, |
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, |
2 |
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, |
2 |
|
2 to be
2.The effectiveness of the proposed method follows from the necessary and sufficient condition of absolute stability (2.42), (2.44), (2.45), (2.46), (2.47).
3.Constructiveness of the proposed method consists in that based on the necessary and sufficient condition of absolute stability you can select a region of absolute
103
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
stability in space of constructive parameters of the system
( A, B, S, |
). |
0 |
|
As follows
from [5, 6] by using the known methods it is not possible to select the area of absolute stability in space of constructive parameters for multidimensional regulated systems.
Absolute stability. Now consider equation (2.41) with given |
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1 |
= x , |
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0 |
0 |
Using transformation |
A = KAK 1, |
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D = SK 1, |
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B = KB, |
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where matrix S = |
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. |
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1 |
0 |
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y |
= y |
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y |
3 |
( |
1 |
), |
y |
2 |
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y |
2 |
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y |
3 |
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( |
2 |
), |
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y |
= y |
y |
2 |
y |
, |
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= y |
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||||||||||||
where matrix S = (S1, S 2 ) = |
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, |
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S1 |
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= |
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, |
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S 2 = |
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. |
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For this example improper integral |
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I |
= |
* |
( (t)) (t)dt = |
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[ y |
* |
(t) y |
(t) y |
* |
(t) |
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|
y(t) y |
* |
(t) |
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y(t)]dt = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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3 |
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( ) |
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i ( i ) 1i d i , |
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= x1 x2 ,
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(2.48)
Improper integral
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I |
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( (t)) (t)]dt = |
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(t) y(t) y |
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y(t) y |
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104
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
Improper integral
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2 |
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||||
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N13 N12 |
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1 |
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22 |
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2 |
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22 |
02 |
|
2 |
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. |
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N |
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1 |
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|
1 |
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13 |
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21 |
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01 |
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22 |
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02 |
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If the equalities are satisfied |
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|
|
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|
|
||||||||||||||||
N |
|
= |
|
2 |
|
|
|
1 |
, |
|
N |
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
= N |
|
|
N |
|
|
, |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1 |
= N |
|
N |
|
, |
|||||||||||||||||||||||||
21 |
12 |
22 |
02 |
11 |
21 |
21 |
01 |
|
|
|
|
23 |
|
12 |
|
22 |
02 |
12 |
23 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
11 |
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
then the matrix |
0 |
|
* |
, |
improper integral |
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|||||||||||||||||||||||||
= 0 |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||
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2 |
|
1 |
( ) |
|
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||||
|
|
|
|
|
I 4 = [ y* (t)R0 y(t) y* (t)W0 y(t)]dt |
|
i ( i ) 1i d i |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
0 |
|
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i=1 |
(0) |
|
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|
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|
||||||
|
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|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d 1
0 dt [ 2 y* (t) 0 y(t)]dt < .
(2.49)
105
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
* |
0 |
when inequalities are satisfied |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Matrix R0 = R0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
|
1 |
0, |
|
|
|
|
|
|
|
0, |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
01 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
21 |
|
01 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
(2.50) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22 |
02 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
2 |
|
|
|
||
| R |= ( 1 |
|
1 )( 1 |
|
1 )N |
|
|
21 |
( 1 |
|
|
1 ) |
22 ( 1 |
|
|
1 ) 0. |
|||||||||||||
21 |
22 |
23 |
|
|
22 |
|
|
21 |
||||||||||||||||||||
0 |
01 |
|
|
|
|
02 |
|
|
4 |
|
|
|
02 |
|
|
|
4 |
|
01 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
When equalities (2.49) and inequalities (2.50) are satisfied, the improper integral
Matrices
W |
= W |
* |
> 0 |
|
|||
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
= |
|
* |
(t)W y(t)]dt < . |
40 |
[ y |
||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
then and only then
(2.51)
N |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
> 0, |
|
21 |
01 |
22 |
02 |
|||||||
11 |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
N |
N |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||||
21 |
22 |
11 |
|
12 |
22 |
|
22 |
|
|
||||||||||||||||
|
11 |
|
01 |
|
|
02 |
|
2 |
|
|
02 |
|
2 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
| W |
||||
N |
N |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
11 |
|
12 |
|
22 |
|
|
22 |
N |
|
|
22 |
|
22 |
> 0 |
|
|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
02 |
|
|
|
2 |
12 |
|
02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|>
0
.
(2.52)
The characteristic polynomial of the matrix A B 0 D is equal to |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
01 |
|
0 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
( ) =| I |
3 |
A B |
0 |
D0 |= |
|
1 |
|
|
1 |
02 |
1 |
|
= |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
= b |
b b , |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
where b2 = 3 01 |
02 , |
b2 = 3 2 01 2 02 01 02 , |
b0 |
= 2 01 02. |
It is easy to prove |
||||||||||||
that matrix A B |
D is a Hurwitz matrix. |
|
|
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|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Thus, when conditions (2.49), (2.50), (2.52) are satisfied, from evaluation (2.51) it |
|||||||||||||||||
follows that |
lim y(t) = 0 |
(v. proof of Theorem 5). |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
So, the following statements are true:
1. For absolute stability of equilibrium state of multidimensional regulated systems with limited nonlinearities it is sufficient that equality (2.49), and inequalities (2.50), (2.52) are satisfied. (The total number of conditions is 9, and the total number of
parameters 11, 12, 22 > 0, 21 > 0, N11, N12 , N13 , N21, N22, N23 to be selected is 10).
2. Constructiveness of the proposed method is that based on relations (2.49), (2.50), (2.52) we can find the area of absolute stability in space of constructive parameters of the system which is essential for application problems.
106
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
3. The effectiveness of the proposed method follows from using properties of the
improper integral |
I |
3 |
. |
Notice, that in the absence of the improper integral |
I3 |
the total |
|
|
number of selected parameters is 4, conditions is 10.
|
11 |
, |
|
|
|
12 |
, |
|
|
|
22 |
> 0, |
|
|
|
21 |
> 0, |
|
|
and the number of
Lecture 18.
Absolute stability and Iserman’s problem of multidimensional systems in a simple critical case. Problem statement. Nonsingular transformation
Problem statement. Equations of motion of multidimensional regulated systems in a simple critical case have a form:
x = Ax B ( ), |
= ( ), |
= Dx E , |
x(0) = x |
, |
(0) = |
, |
t I = [0, ), |
0 |
|
0 |
|
|
(2.53)
where
A,
B,
,
D,
E
are constant matrices of orders
n n,
n m,
m m,
m n,
m m , respectively, |
A |
is a Hurwitz matrix, i.e. |
|
|
|||
eigenvalues of the matrix |
A. |
||
Function |
|
|
|
Re |
( A) < 0, |
j |
|
j = 1, n,
|
( A) |
j |
|
are
( ) |
|
= { ( ) = ( ( ),..., |
|
|
( )) C(R |
m |
, R |
m |
) | ( ) = |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
m |
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
i |
||
0 |
( |
) |
|
|
2 |
, |
( ) = ( |
|
( |
|
),..., |
|
( |
|
|
)), |
|
(0) = 0, |
|||||||||||
i |
i |
|
|
m |
m |
|
|||||||||||||||||||||||
i |
i |
|
|
0i |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
)R |
|
, |
|
|
|
|
|
< }, |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
, = ( |
,..., |
|
|
m |
|
0 < |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
i |
|
( |
) |
i |
i |
i |
|
| ( ) | |
, |
* |
|
(2.54)
where = diag ( 1,..., m ) > 0, |
i |
> 0, |
i = 1, m |
are arbitrarily small numbers. |
Notice, that |
|
|
|
|
|
( ) = { ( ) C(R |
m |
, R |
m |
) | 0 |
( ) |
2 |
, |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
i = 1, m, |
, |
1 |
|
, |
( ) = 0, |
|
i |
|
i |
i |
0i |
|
i |
|
|||
R |
m |
| ( ) | |
, |
0 < |
|
< }. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
(2.55)
Practical systems of automatic control relate to the systems with limited resources and for such systems function ( ) satisfies the conditions (2.54), (2.55).
As follows from inclusions (2.54), (2.55) equations of motion (2.53) can be represented as
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z = A1z B1 ( ), |
= S1z, |
z(0) = z0 , | z0 |< , t I, ( ) 1, |
(2.56) |
|||||
where A1, B1, S1 matrices of orders (n m) (n m), |
(n m) m, |
m (n m) , respecti- |
||||||
vely: |
|
|
|
|
|
|
107
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
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|
A B D |
|
B E |
= A ( ), |
|
|
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|
|
|
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||||||||||||||
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z = |
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, |
A = |
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||||||||||||
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1 |
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D |
|
E |
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1 |
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|||||||
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|||||
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B = |
B |
|
S = D, |
|
|
E . |
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||||||||
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|
, |
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|||||||||
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1 |
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1 |
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||
|
|
|
|
The equilibrium states of the system (2.53), (2.54) are determined from solutions |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
of algebraic equations |
A z |
B ( |
* |
) = 0, |
* |
= S z |
. |
If the matrix |
|
A = A ( ) is a |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 * |
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|
1 |
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|
1 |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
||
Hurwitz matrix, the function ( ) 1 turns to zero only when |
= 0, |
then the system |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(2.53), |
(2.54) |
has |
the |
only |
|
equilibrium state |
|
z |
|
= (x , ) = 0. |
Consequently |
x = 0, |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
* |
|
|
|
* |
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
= 0, where |
|
* |
= |
0. |
|
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|||||
* |
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|||
|
|
|
|
Notice, that trivial solutions |
x(t) 0, |
(t) 0, |
|
t I |
(2.53), (2.54) correspond to the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
equilibrium state. We study the stability of generally unperturbed movement |
x(t) 0, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(t) 0, |
t I |
in the system (2.53), (2.54) for all |
|
( ) 0 (or |
z(t) 0, |
t |
I , , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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||||
( ) 1 ). |
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|
||||||
|
|
|
|
We assume with a sufficiently small neighborhood of the point |
= 0, |
function |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
( ) can be approximated by the linear function |
( ) = , |
where = diag ( 1,..., m ). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Consequently, when | |< , |
|
> 0 |
|
is a sufficiently small number, perturbed motion |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
equation (2.56) can be written as: |
|
|
|
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|||||||||||||||
|
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|
|
|
|
|
z = A1z B1 S1z = A1( )z, |
z(0) = z0 , |
| z0 |
|< , |
t I, |
|
|
|
|
|
(2.57) |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
|
|
|
where |
A ( ) = A B S , |
< |
0 |
, |
|
|
0 |
= diag( |
01 |
,..., |
|
0m |
) |
is a limit diagonal matrix |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
||||||
determined by |
|
Hurwitz |
of |
|
the |
matrix |
A1( ). |
|
If |
the |
matrix |
|
A1( ) = A1( ) B1 S, |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
0 is a Hurwitz matrix, then there is a number |
1 |
|
> 0 such as |
| x(t) |< 1 when |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| z |
0 |
|< |
1 |
moreover |
lim z(t) = 0. Thus, when the matrix |
A ( ), |
|
0 |
< |
0 |
|
is a Hur- |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
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|
1 |
|
|
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|||||
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|
|
witz matrix, trivial solution |
z(t) 0, |
|
t I , (x(t) 0, |
|
(t) 0, |
t I ) |
of the system (2.57) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
is asymmetrically stable by Lyapunov when t . |
|
|
|
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|
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|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Definition |
|
4. |
The |
trivial solution |
|
x(t) 0, |
|
(t) 0, |
|
t I |
of the |
|
system |
(2.53), |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.54) is called absolutely stable if matrices A1 = A1( ), are Hurwitz matrices (asymptotic stability by Lyapunov
( ) 1 |
the solution of the differential equation |
A1( ), when (2.56)
t
0
.);
has the
, |
|
0 |
> |
0 |
|
|
|
2) for all property
lim z(t;0, z0 , ) = |
||
t |
|
|
0 , |
| x0 |< , |
| |
0,
0 |
|< |
|
| z |
0 |
|< |
(or |
lim |
x(t;0, x , ) = 0, |
lim |
(t;0, x |
, |
, ) = 0, |
, |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
t |
|
t |
|
|
|
|
). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Definition 5. Conditions of absolute stability of the system (2.53), (2.54) are
called ratios, binding constructive parameters of the system ( A, |
B, , |
D, E, 0 ), |
0 = diag ( 01,..., 0m ), under whichthe equilibrium state ( x* = 0, |
* = 0) |
is absolutely |
stable. |
|
|
108
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
|
|
Problem 5. Find the condition of absolute stability of the equilibrium state of the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
system (2.53), (2.54). |
|
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|
||||||||||
|
|
Function |
(t) = S1z(t), |
t I is a control formed by the principle of feedback, and |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the matrix |
S |
|
of order |
m (m n) |
is called a feedback matrix. Iserman’s problem con- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
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|
sists in choosing a feedback matrix |
S |
, |
|
|
so that from asymptotic stability of the trivial |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 |
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|
|
|
|
solution |
z(t) 0, |
t |
I |
|
of the linear system |
(2.57) for any , |
0 , |
0 = 0 2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
there follows absolute stability of the trivial solution |
x(t) 0, |
(t) 0, |
t I |
of the sys- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
tem (2.53), (2.54), where |
|
0 |
= diag( |
0 |
,..., |
0m |
) is a limit diagonal matrix of Hurwitz of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
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|
|
||||
the matrix |
A1 |
( ), |
|
2 > 0 |
is a diagonal matrix of order m m with arbitrarily small |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
positive elements. |
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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|
|
|||||||
|
|
Definition 6. We assume that in the sector [ , |
0 |
] Iserman’s problem has a solu- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
tion, if: 1) there exists matrix S1 of order |
|
m (m n) |
such as |
0 = 0 |
2 |
; 2) for any |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
( ) = , |
0 |
|
|
0 |
2 |
solution of the system (2.56) is asymptotically stable; 3) for |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
any ( ) 1 |
trivial solution of the system (2.53), (2.54), (2.55) is absolutely stable. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Problem 6. Find the sector [ , |
= |
0 |
2 ], where Iserman’s problem has a solution. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Note that Iserman’s problem does not always have a solution. The problem con- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
sists of finding such a feedback matrix |
|
S |
|
of order |
m (m n), |
for that in the sector |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[ , 0 ], where 0 = 0 2 |
Iserman’s problem had a solution. Sector |
[ , |
0 |
], |
0 = 0 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
means that |
[ i , 0i ], |
0i |
= 0i 2i , |
where |
|
= diag ( 1,..., m ), |
0 |
= diag ( 01,..., 0m ), |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
= diag( |
01 |
,..., |
0m |
), |
|
2 |
= diag( |
21 |
,..., |
2m |
), |
> 0, 2 > 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nonsingular transformation. For ease of verification of the proposed condition of absolute stability it is advisable to convert the original equation (2.56). Let the
matrix B1 =|| b1,...,bm ||, |
where bi , |
i = |
|
are column vectors (m n) 1. |
|
|
1, m |
|
|||||
Lemma 7. Let the vectors i |
R |
n m |
, i = 1, m such that: |
|
||
|
|
|||||
|
* |
* |
= 0, i = 1, m, i j, |
|
||
|
i bi = 1, |
i bj |
(2.58) |
where bi bj , i j,
(*)
is a transpose sign. Then along the solution of the system
(2.56) the following identities hold
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
*z(t) = * A z(t) |
( |
(t)), t I = [0, ), i = 1, m. |
|
(2.59) |
|||||||||||
i |
|
|
|
i 1 |
|
|
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|
If in addition rank |
B |
* |
= m |
and Gram determinant is the following |
|
||||||||||
|
|
||||||||||||||
1 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
< 1, 1 > |
|
< 1, 2 > |
... |
< 1, m > |
|
|
|||||
( 1,..., m ) = |
|
... |
|
|
|
... |
... |
... |
|
0, |
(2.60) |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
< m , 1 > |
|
< m , 2 > |
... |
< m , m > |
|
|
109
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
then vectors i , |
i = 1, m |
scalar product of vectors
exist and they are linearly independent, where
|
, |
|
j |
, |
i, j = 1, m. |
i |
|
|
|
|
|
, |
j |
|
i |
|
|
is a
left
Proof. As
z(t) = A1z(t
|
* |
= ( |
|
,..., |
|
), |
i = 1, m, then by multiplying the identity on the |
||
i |
i1 |
im n |
|||||||
|
|
|
|
||||||
) B1 i ( i (t)), |
t I |
* |
|
||||||
on i |
we have |
i*z(t) = i* A1z(t) i*B1 i ( i (t)), t I, i = 1, m,
where i* that ratio
|
* |
|
B = ( |
b ,..., |
|
1 |
i |
1 |
(2.58) can be
* |
Hence taking into account (2.58), we get (2.59). Notice, |
i bm ). |
written as
|
|
|
b |
|
|
i2 |
b |
|
|
... |
|
b |
|
|
= 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
i1 11 |
|
|
|
12 |
|
|
|
|
in m |
1n m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
........ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
i1bi1 |
i2bi2 ... in mbin m = 1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
........ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
b |
|
|
|
b |
|
|
|
... |
|
b |
|
= 0, i =1, m, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
i1 m1 |
|
|
i2 |
m2 |
|
|
|
|
|
|
|
in m |
mn m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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k1 |
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b |
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b |
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= |
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k 2 |
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|||||||
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, k = 1, m. |
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k |
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... |
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b |
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kn m |
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||||
* |
= m then this system of equations has a solution |
i , |
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|
From the |
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If rank B1 |
|
i = 1, m. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
condition (2.60) it follows that vectors |
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i , |
|
i = 1, m |
are linearly independent. The lem- |
||||||||||||||||||||||||||||
ma is proved. |
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,..., |
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n m |
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* |
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||||||
Lemma 8. Let the vectors |
01 |
0n |
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from |
R |
such that |
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b = 0, |
i = 1, m, |
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|||||||||||||||||||||||||||||
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0k |
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i |
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k = 1, n |
, i j. Then along the solution of the system (2.56) the |
identities hold |
|||||||||||||||||||||||||||||||
, bi bj |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
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* |
|
z(t) = |
* |
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A z(t), k = 1, n, t I. |
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(2.61) |
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0k |
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0k |
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1 |
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||||
If in addition rank B* = m and |
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Gram determinant is the following |
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1 |
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< 01, 01 |
> ... |
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< 01, 0n > |
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||||||||||||||
|
( 01,..., 0n ) = |
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... |
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... |
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|
... |
0, |
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(2.62) |
< 0n , 01 > ... < 0n , 0n >
then vectors 01,..., 0n exist and are linearly independent.
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