广西民族大学学报(自然科学版) 第14卷第4期 2008年11月 JOURNAL OF GUANGⅪUNIVERSITY FOR NATIONALITIES V01.14 NO.4 NOV.2008 (Natural Science Edition) 具滞后的离散广义双线性系统的 稳定控制分析 黎艳萍 ,王汝凉。,郭炜伟 ,李晓霞 (1.广西师范学院数学与计算机科学系,广西南宁 530023; 2.广西师范学院信息技术系,广西南宁 530023) 摘 要:针对两类不同形式的滞后离散广义双线性系统的稳定控制问题进行了讨论.首先通过构造广义 Lyapunov函数的方法,对其中一类形式的闭环系统稳定性问题进行分析,给出了系统零解E一 渐近稳定的充分条件.在此条件基础上,利用等价变换和等价系统的方法,得到了该闭环系统 Lyapunov意义下渐近稳定的充分条件.然后,研究了另一形式的滞后离散广义双线性系统稳定 控制存在的条件,并给出了使闭环系统局部渐近稳定的充分条件. 关键词:广义时滞系统;离散;双线性;Lyapunov函数;稳定控制 中图分类号:TP13;O231 文献标识码:A 文章编号:1673—8462(2008)O3—0036—05 O 引言 近年来,广义系统在电网、经济、航天、和生物工程等领域得到了广泛的应用,并吸引了大量的学者从事这 些方面的研究u .而双线性广义系统是一类特殊的非线性微分代数系统,它是从物理、化学、生物、生态、经济 等过程中的许多现象进行描述而得到的数学模型 ,具有一定的实际应用背景.随着控制理论的不断发展及向 其他学科的渗透,有关正常的双线性系统的研究已取得不少成果 .而与正常系统相比,广义系统是一类更 具广泛形式的动力系统,具有更大的保持系统物理等特性的能力.另一方面,由于数字计算机的飞速发展,离散 系统的研究已经引起了工程和科学界人们的关注.所以离散广义双线性系统的研究有~定的实际意义,但关于 这方面的研究结果还较少.文献[9]基于Lyapunov函数,分别采用广义系统分解与不分解的方法研究了离散 广义双线性系统稳定控制存在的条件,并给出了相应的控制方案以及使闭环系统稳定的条件.文献E1o]就双线 性离散广义系统的全局渐近镇定性,基于LaSalle不变原理和隐函数定理同时给出了使闭环系统存在唯一解 和全局渐近稳定的充分条件.但在实际的控制系统中,常常不可避免受到滞后因素的影响,它是引起系统不稳 定的一个重要影响,因此对具滞后的离散广义双线性系统稳定性的研究还是很重要的.而对于滞后离散广义双 线性系统的稳定控制问题,至今还没有相关报道.本文通过构造广义Lyapunov函数的方法,研究了两种不同 形式的滞后离散广义双线性系统的稳定控制问题,给出了其闭环系统渐近稳定的充分条件. -收稿日期:2008—08—20. 基金项目:国家自然科学基金(60864001);广西自然科学基金(0640073,0679021,0679024). 作者简介:黎艳萍(1982一),女,湖北汉川人,广西师范学院数学与计算机科学系硕士研究生,研究方向:离散广义系统的鲁 棒控制. 36 2008年第4期 ●黎艳萍,王汝凉,郭炜伟。等/具滞后的离散广义双线性系统的稳定控制分析 1 问题描述与预备知识 考虑如下具有时滞的离散广义双线性系统 EX(五+1)一Ax(志)+Fx(是一^)+ :N x( )“ ( )+B (五) X(忌。)一 (走。),一h 惫。 0 (1) 其中X(志)∈R 是状态变量,“(志)∈R 是输入控制, (是)一( l(是), (是),…,“ ( )) ,E,A,F,N ∈R , B∈R 是常量矩阵,记B一(6 ,b。,…,bm),b ∈R ,i一1,2,…,m,rank E<,2,h 0为一正整数是滞后量, (志)为初始向量函数.为方便起见,记X—X(愚), 。一U (£). 系统(1)的标称系统为 EX(是+1)一AX(愚)+FX(志一 ) (2) 系统(2)的标称系统为 EX(点+1)一AX(忌) (3) 定义l L3 系统(2)称为是E一稳定的,如果对于任意的£>0,存在 >0,使得当l lEX。ll< 时,恒有 I}EX(|毛)ll<£,其中X(忌)是满足相容初始条件EX(点。)一E (志。),一h 屉。 0的解. 定义2 系统(2)称为是E一渐近稳定的,如果它是E一稳定的,且有limEX(愚)一0. 定义3[3 系统(3)称为是容许的,若它是正则,稳定且具有因果性. 定义4C 称系统(2)是具有因果与滞后自由的,如果存在可逆阵P,Q,使得PEQ—I j,PAQ: 舶Q一[乏 。]订邈其 。可逆. 弓l理1 。 对于任意的72维向量z,Y∈R删,r∈R ,必有:2z z+y_ yry 引理2 对于系统(2),如果关于EX(忌)的二次标量函数V(EX( ))满足如下条件: (i) (ElX(志))三三=(EX(惫)) Vl(EX(五)),这里V1 0,且有rank(E V E)一rank E—r; (ii)/XV(k):V(EX(志+1))一V(EX(愚)) 一(EX(志)) W(EX(矗)),这里W>0,则系统(1)是E一渐 近稳定的. 2 主要结果 2.1 第一形式的滞后离散广义双线性系统稳定性分析 定理1 若系统(3)是容许的,且存在可逆对称矩阵M∈R 和正定矩阵w满足如下条件: (i)若存在常数 >0,y>0, >0使得 (1+7-  ̄)ArMA—E ME+( +』B+7)F F WE,其中 一.;【 (M) (ii)X满足X∈ ,且X≠0 一(x f∑(N x+bi)rMrAX(N X+ )rM∑(N,x+bi)XrArM(N X+bi)一o) 则存在控制U。一一XrArM(N X+bi)使系统(1)的闭环系统是E一渐近稳定的. 证明:系统(1)在控制U 一一XrArM(N X+bi)的作用下,得到形如 EX(惫+1):Ax十Fx(忌一 )一∑(N x+b1)XrA M(N X+bi) (4) 的闭环系统. 取系统(1)的广义李雅普诺夫函数为:V(EX(志))一V,(ElX(是))+V ( (愚)) 其中, (EX(志))=(EX(是))rM(EX(志)) 37 广西民族大学学报l自然科学版) 2008年11月 第14卷 V2(x(五)):==( + +y)∑X (忌一h+i)F FX(k—h+ ) 沿系统(4)的状态轨迹求V(EX)对k的差分,得 △、,r(是)=△V (愚)+△、,r (五) 其中,△ (是):(EX(志+1))rM(EX(k+1))一(Ex(愚)) (EX(愚))=XrArMAX一2∑XrArM(N X+ i薯l bi)XTATM(N x+bi)+2XrA MFX(k一^)+∑(N x+bi)rMAX(N X+b1)rM∑(N x+ I 1 育1 b1)x A M(N X+b1)+2X (五一h)F M∑(N x+bi)“ +X (是一h)FrMFX(k一,I)一x ErMEX 又根据引理1,知; 2XrATMFX( 一,1) 厂 XrArM AX+yX (是一h)F FX(是一^); 2X (忌一h)FrM∑(N x+bi)M。 f 1 i一1 、 一1 ≤ (忌一h)F FX(k一^)+ [M∑(N x+bi) ] [∑M(N X+6 ) ] (是一h)F FX(k一^)+ ∑(N。x+bi) M AX(N X+bi)rM ∑M(NiX+b1)XrArM(N X+bi) f 1 i=l 故△V (五) XrArMAX一2∑[XTATM(N x+ )] + XrArM AX+ (k--h)F FX(k--h)+ (愚 f罩I —h)F FX(k一^)一X ErMEX+∑(N x+bi)rMAX(NiX+bi)TM∑(N x+b1)XrArM(N X+bi)+ ∑(N x+b1) MrAX(N X+bi) MrM∑(N x+bi)XrArM(N X+bi)+ (志一h)F FX(k一^) l=1 i=1 而△ (是)一(艿+卢+),)∑X (忌+1一h+i)F FX(k+1一h+ )一( +|l9+y)∑X ( 一h+i)F FX(k —h+ )=( +卢+y)X ( )F FX( )一( +卢+r)X (愚一h)F FX(矗一^) 所以△ (志)=△V (志)+△ (志) X ̄ArMAX一2∑[XrArM(N x+b1)]。+ XTArM AX+(1+p- )∑(N X+ )rMAX(N X+ b )rM∑(N X+6。)XrATM(N X+bi)一X ErMEX+( + +r)X (忌)F FX(k) X [(1+ 3)ArMA—ErME+( + +y)F FIX一2∑[XrATM(N X+bi)]。 一rI(EX(志)) W(EX(是))<0 这样由引理2可得:limEX(忌)=0,即闭环系统(4)是E一渐近稳定的. 定理2 若定理1的条件得到满足,且(2)是因果与滞后自由的,则系统(1)的闭环系统(4)是Lyapunov 意义下渐近稳定的. ‘ 证明:由定理1知系统(1)的闭环系统(4)是E一渐近稳定的,即limEX(志)=0.由(2)是因果与滞后自由 的,则存在P,Q使下述式子成立: 艘Q=[ Q:[2 ],阡Q一[El l 02]可逆.其中 可逆. 作变换 (走)=[yvl,(k五)]: (七),则(4)受限等价于如下系统: Y1(志+1)一AllY1(忌)+A12Y2(愚)+Fl1 1(忌一^)+F12Yz(愚一^)+g1(.),) (5) 38 2008年第4期 ●黎艳萍。王汝凉。郭炜伟。等/Jl滞后的离散广义双线性系统的稳定控制分析 0一A2lY1(志)+A22Y2( )+F21Yl(志一^)+g2( ) (6) 由(6)可得Y2(点)一一A22 [A2lY1(忌)+Fzlyl(点一^)+g2( )] 由limEx( )=0知limy1(忌)=0,limg1( )==:0, img2( )=0,]Jk ̄1imy2(量)=0,i ̄1imX(k)=0,即(4)是 ..Lyapunov意义下渐近稳定的. 2.2 第二形式的滞后离散广义双线性系统稳定性分析 考虑如下具有时滞的离散广义双线性系统 EX(志+1)一Ax(五)+Fx(志一II1)+ (愚)N (忌)+Bu(七) (7) =i X(惫。)一 (志0),一h k。 0 其中x(愚)∈R“是状态变量, (是)∈R 是输入控制,E,A,F∈R ,B,N ∈R ( =1,2,…, )是常量矩 阵,rank E—r<,l,h三三=0为一正整数是滞后量, (惫)为初始向量函数.简记毛(量)一 ,X(忌)=X. 系统(7)在控制U—KX的作用下,得到形如 EX(志+1)一(A+BK)x(点)+Fx(是一^)+ 毛(五)N‘KX(忌) (8) =l 的闭环系统. 定理3 如果适当选取矩阵M,F和K,使对正定矩阵 满足 (1+7- )X1’(A+BK)rM(A+BK)X—X ErMEX+2X (A+BK)rMZ+( + +y)X F FX+(1+ )X K SKX一一W1 式中z一 z。N。KX,S满足如下的集合: i;l 三{x}s (∑z N )丁M(∑X N ))c R (9) 其中, >0,y>0, 一 (M).S和M为正定对称矩阵.则存在反馈控制 =KX,使具有时滞的离散广 义双线性系统(7)的闭环系统(8)是局部渐近稳定的. 证明:设闭环系统(8)的一个广义李雅普诺夫函数仍为:V(EX(点))=V。(EX(走))+ ( (点)) 其中,V (EX(志))一(EX(志)) l^ (EX(是)) h-.-I V2(x(是))一( +卢+y)∑x (是一h+i)F FX(k—h+ ) 求 (Ex)对k的差分,并考虑式(8),则有: AV(k)一△ 1(忌)+/XVz( 其中,△ ( )一(EX(点+1))rM(EX(志+1))一(EX(是))rM(EX(忌)) =X (A+BK)rM(A+BK)X+2X (A+BK) X(愚一^)+2X (A+BK) +X1’( 一h)F MFX(五 一^)+2X (忌一h)FrMZ+Z 一X ErMEX 据(9)显然有:ZTMZ—x K (∑ N ) (∑X N )KX≤x K SKX 进一步,根据引理1,有: 2X (A+BK)rMFX(五一.I1)≤y- X1’(A+BK) lM。(A+BK)X+yX (走一h)F FX(五一^); 2X (是一h)FrMZ (忌一h)F FX(惫一^)+ zrM。Z. 因此:△V ≤X (A+BK)rM(A+BK)X+2X (A+BK)rMZ+ZrMZ—X E lMEX+( + +7)X (忌一 ^) FX(志一J1)+Z- X (A+BK)TM。(A+BK)X+ ZrM。Z h--1^一l 而I ̄Vz(k)一( +卢+y)∑X (愚+1一|Il+i)FrFX(k+1--h+i)一( + +y)∑x (志一JIl+i)FrFX(k —h+ )一( +卢+7)X了’(点)F FX(志)一( + +y)X ( 一h)F1’FX(志~II1) 39 广西民族大学学报I自然科学版) 2008年11月 第14卷 故:△V(矗) X (A+BK) M(A+BK)X+2X (A+BK)rMZ+ZTMZ~X ErMEX+7- X (A+ BK)rM (A+BK)X+ Z M Z+( +p+y)x F FX三三三(1+ a)X ,(A+BK)rM(A+BK)X+2Xr(A +BK) MZ—X E MEX+( + +y)X F fFX+(1+fl- ) K SKX一(1+ )(XrK SKX—ZrMZ) 如果选择M,F和K,使满足: (1+y- )X (A+BK) M(A+BK)X—X E MEX+2X (A+BK) ’MZ+( +p+r)X F FX+(1 + 3)X K SKX一一 则对于X≠0,X∈ 有: △ 三三三一X W X<0. 故根据李雅普诺夫判别法,闭环系统(8)是局部渐近稳定的. 3 结语 本文主要研究了具时滞的离散广义双线性系统稳定控制存在的条件,利用广义Lyapunov’s方法,给出了 使闭环系统渐近稳定的条件.本文有关几类具时滞的离散广义双线性系统的理论分析与证明,可以看作是对离 散广义双线性系统的补充和拓广. 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[责任编辑苏琴][责任校对 方丽菁] Stable Controlling Analysis for Discrete Singular Bilinear Systems with Time-delay LI Yan—ping ,WANG Ru—liang ,GUO Wei—wei ,LI Xiao—xia 1.Department of Mathematics and Computer Science,Guangxi Teachers Education University,Nanning 530023,China 2.Department of Information Technology,Guangxi Teachers Education University, Nanning 530023,China) Abstract:In this paper,the stability problems of two forms about the discrete singular bilinear system with time.delay are investigated.Firstly,analysis on the problem of stability for the closed loop system in one forn of the above system is presented by constructing singular Lyapunov function,a sufficient condition on E-asymptotic stabil— ity of the system is given.Based on it,another sufficient condition on asymptotic stability undefing the meaning of Lyapunov’s is obtained via the method of equivalent transformation and equivalent system.Furthermore,the existing condition of stable controlling for another form of the system is studied and the sufficient condition of making a closed loop system asymptotically stable in local bound is also discussed. Key Words:singular delay systems;discrete;bilinear;Lyapunov function;stable control 40