非線性系統(tǒng)的最小廣義Lyapunov函數(shù)定理

玉 強，吳保衛(wèi)

（陜西師范大學數(shù)學與信息科學學院，西安 710062）

非線性系統(tǒng)的最小廣義Lyapunov函數(shù)定理

玉 強，吳保衛(wèi)

（陜西師范大學數(shù)學與信息科學學院，西安 710062）

利用Zorn引理和LaSalle不變原理，研究一般非線性系統(tǒng)最小廣義Lyapunov函數(shù)的存在性，證明了最小（非負）廣義Lyapunov函數(shù)和最?。ǚ秦摚姀V義Lyapunov函數(shù)的存在性定理.

廣義Lyapunov函數(shù)；LaSalle不變原理；Zorn引理；偏序；非線性系統(tǒng)

Lyapunov函數(shù)法和LaSalle不變原理［1］是研究動力系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩種主要工具.LaSalle不變原理不要求Lyapunov函數(shù)的正定性，且放松了Lyapunov函數(shù)導數(shù)的嚴格負定要求.因而，能處理許多Lyapunov函數(shù)方法失效的情形.LaSalle不變原理是分析自治系統(tǒng)和周期系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效工具［2－4］，但該原理不能直接應用到非線性時變系統(tǒng)中，因為ω－極限集可能是一個時變集［2，5］.文獻［6－15］推廣了LaSalle不變原理，使其能在更大范圍內(nèi)得到應用.

但目前研究結(jié)果中，多數(shù)Lyapunov穩(wěn)定性及不變集理論都要求系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)具有一階連續(xù)導數(shù)且導函數(shù)負（半）定.而由于實際系統(tǒng)的復雜性，如混雜系統(tǒng)、切換系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)等，對Lyapunov函數(shù)的可導性通常不一定能滿足［6］.另一方面，目前關(guān)于LaSalle不變原理的研究主要集中在對其使用條件及范圍的推廣，而關(guān)于如何選取及是否存在Lyapunov函數(shù)使得該函數(shù)的導數(shù)為零的區(qū)域“最接近”系統(tǒng)軌線的正極限集的研究報道較少.一般地，給定兩個Lyapunov函數(shù)V1和V2，稱V1“優(yōu)”于V2是指使得函數(shù)V1的導數(shù)為零的區(qū)域包含于函數(shù)V2的導數(shù)為零的區(qū)域.

本文發(fā)展了（最?。V義Lyapunov函數(shù)和（最小）強廣義Lyapunov函數(shù)等概念，這些概念不同于通常Lyapunov函數(shù)之處在于放寬了對Lyapunov函數(shù)正定性及具有一階連續(xù)導數(shù)的要求，給出了最?。ǚ秦摚V義Lyapunov函數(shù)存在性（唯一性）定理及最?。ǚ秦摚姀V義Lyapunov函數(shù)存在性（唯一性）定理，從而推廣了LaSalle不變原理，且保證了“最優(yōu)”廣義Lyapunov函數(shù)的存在性.

1 系統(tǒng)模型及引理

考慮如下非線性動力系統(tǒng)：

其中：x（t）∈D?Rn表示t時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，D為包含0的開集；f：D→Rn為滿足Lipsitiz條件的連續(xù)函數(shù).設系統(tǒng)（1）的原點是其平衡點.

若存在時間序列tn，當n→∞時，tn→∞，使得當n→∞時，x（tn）→p∈Rn，則稱p是x（t）的ω－極限點（正極限點）.x（t）所有ω－極限點構(gòu)成的集合稱為x（t）的ω－極限集（正極限集）.本文用L表示x（t）的ω－極限集.

一個連續(xù)函數(shù)V（·）：D→R，若滿足對任意的t≥τ≥0，都有V（x（t））≤V（x（τ））成立，則稱V（·）為系統(tǒng)（1）定義在D上的廣義Lyapunov函數(shù).令E?｛x∈D：ΔV（x（t））＝0｝，ΔV（x（t））表示“存在τ＞t，使得對任意的t′∈（t，τ），有V（x（t））＝V（x（t′））”.一般地，由LaSalle不變原理知，L?E.如果存在廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t）），使得L＝E，則稱V（x（t））為最小廣義Lyapunov函數(shù).

一個連續(xù)的函數(shù)V（·）：D→R，若滿足V（·）存在連續(xù)右導數(shù)，對任意的t≥0，都有D＋V（x（t））≤0成立，其中D＋V（x（t））表示V（x（t））的右導數(shù).則稱V（·）為系統(tǒng)（1）定義在D上的強廣義Lyapunov函數(shù).令E?｛x∈D：D＋V（x（t））＝0｝.如果存在強廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t）），使得L＝E，則稱V（x（t））為最小強廣義Lyapunov函數(shù).

引理1設g∈C1（R＋，R），其中R和R＋分別表示全體實數(shù)和非負實數(shù)構(gòu)成的集合，C1（R＋，R）表示具有一階連續(xù)導數(shù)的函數(shù)g：R＋R全體.則

連續(xù)，且具有連續(xù)的右導數(shù).

證明：先證明f（t）的連續(xù)性，分兩種情形討論.

1）若存在t1＞t≥0，使得

由g（t）的連續(xù)性知，f（t）右連續(xù).

上述兩種情形表明，f（t）右連續(xù).同理可證明f（t）左連續(xù).因而f（t）連續(xù).

下面證明f（t）右導數(shù)存在，分兩種情形討論.

因而g（t）在t點的導數(shù)g′（t）≥0.由導函數(shù)g′（t）的連續(xù)性知，存在t2＞t，使得對任意的t′∈（t，t2），有g(shù)′（t′）＞0.若不然，設存在t3＞t，使得對任意的t′∈（t，t3），有g(shù)′（t′）≤0，則有g(shù)（t）≥g（t′），這與對任意的t′＞t都有g(shù)（t）＜g（t′）矛盾.因而，存在t2＞t，使得對任意的t′∈（t，t2）有g(shù)′（t′）＞0.

由1′），2′）知，f（t）右導數(shù)存在.

最后證明f（t）右導數(shù)的連續(xù)性.由證明f（t）右導數(shù)存在的兩種情形討論可知，f（t）右導數(shù)f′＋（t）或者為零或者等于g′（t）.無論哪種情形，都有

設A是一個集合，?是A上的一個嚴格偏序.若B是A的一個子集，c∈A，使得對于每個b∈B，都有b?c或c＝b，則稱c是B的一個上界.若m是A的一個元素，并且對于每個a∈A，m?a都不成立，則稱m是A的一個極大元.

類似極大元的定義，下面給出極小元的定義.設A是一個集合，?是A上的一個嚴格偏序.若B是A的一個子集，c∈A，使得對于每個b∈B，都有c?b或c＝b，則稱c是B的一個下界.若m是A的一個元素，并且對于每個a∈A，a?m都不成立，則稱m是A的一個極小元.

引理2（Zorn引理）［16］設A是一個嚴格偏序集，若A的每個全序子集都有上界，則A中必有一個極大元.

引理3設A是一個嚴格偏序集，若A的每個全序子集都有下界，則A中必有一個極小元.

證明：給定偏序集（A，?），定義新的偏序關(guān)系?′，其中?′滿足：若a，b∈A，且a?b，則b?′a.則偏序集（A，?）中的任一全序集必為偏序集（A，?′）的全序集，反之也成立.下證偏序集（A，?）中的極大元c為偏序集（A，?′）中的極小元.

設m是偏序集（A，?）的一個極大元，由極大元定義知，m∈A，且對任意的a∈A，都有m?／a.由偏序?與?′關(guān)系知，存在m∈A，且對任意的a∈A，都有a′?／m，從而m是偏序集（A，?′）的極小元.證畢.

設Λ表示系統(tǒng)（1）全體廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合.對Λ進行如下分類.稱V1∈Λ與V2∈Λ同類，是指

2 主要結(jié)果

結(jié)合L x0?E和E?L x0可知，存在廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t）），使得L x0＝E.證畢.

注1 顯然，最小廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t））并不唯一.若用廣義Lyapunov函數(shù)等價類集合ˉΛ替換全體廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合Λ，則可獲得最小廣義Lyapunov函數(shù)存在的唯一性定理.

注2 定理1對廣義Lyapunov函數(shù)連續(xù)性的要求可放寬到文獻［6］的下半連續(xù).

注3 定理1表明了最小廣義Lyapunov函數(shù)的存在性，但并未給出實際構(gòu)造或?qū)ふ易钚V義Lyapunov函數(shù)的方法.

可以將定理1中的結(jié)論2）加強為“對系統(tǒng)（1）存在非負廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t）），使得L x0＝E＝｛x∈D：ΔV（x（t））＝0｝”.證明過程與定理1類似，只需將定理1及其證明中的“全體廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合Λ”改為“全體非負廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合Λ＋”，同時將1）中∈Λ＋即可.

定理2（最小非負廣義Lyapunov函數(shù)存在性定理）設Ω?D為緊集，x（t）是以x0為初態(tài)、系統(tǒng)（1）t時刻的狀態(tài)軌跡，且系統(tǒng)的解對于t＞0均停留在Ω內(nèi).L x0表示x（t）的ω－極限集，若系統(tǒng)（1）存在連續(xù)的正定函數(shù)V0（x（t））∈Λ＋，其中Λ＋表示全體非負廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合.則：

1）系統(tǒng)原點x＝0是（Lyapunov意義下）穩(wěn)定的；

2）系統(tǒng)（1）存在非負廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t））∈Λ＋，使得L x0＝E＝｛x∈D：ΔV（x（t））＝0｝.

系統(tǒng)（1）的平衡點x＝0是半穩(wěn)定的，是指平衡點x＝0為Lyapunov穩(wěn)定的，且包含在平衡點x＝0某一鄰域內(nèi)的系統(tǒng)軌線收斂到一穩(wěn)定平衡點.即平衡點x＝0是Lyapunov穩(wěn)定的，且包含平衡點x＝0某一鄰域內(nèi)的系統(tǒng)軌線的ω－極限集為單點集.因而有如下推論.

推論1設Ω?D為緊集，x（t）是以x0為初態(tài)、系統(tǒng)（1）t時刻的狀態(tài)軌跡，且系統(tǒng)的解對于t＞0均停留在Ω內(nèi).L x0表示x（t）的ω－極限集，系統(tǒng)（1）存在連續(xù)的正定函數(shù)V0（x（t））∈Λ，且若系統(tǒng)（1）存在廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t）），使得E＝｛x∈D：ΔV（x（t））＝0｝＝｛a（x0）｝為單點集，其中a：D→Rn即對確定的初始狀態(tài)x0，a（x0）為唯一確定的值，則平衡點x＝0是半穩(wěn)定的.進一步，若對任意的x0∈D，有a（x0）＝0，則平衡點x＝0是漸近穩(wěn)定的.

證明：由定理1結(jié)合半穩(wěn)定及漸近穩(wěn)定定義即可得到.由E為單點集知x（t）→a（x0），由推論1的條件知，平衡點x＝0是Lyapunov穩(wěn)定的.再由半穩(wěn)定定義知，平衡點x＝0是半穩(wěn)定的.進一步，若對任意的x0∈D，有a（x0）＝0，則x（t）→0.因而，平衡點x＝0是漸近穩(wěn)定的.證畢.

由引理1易知，定理1證明1）中選取的V u（x（t））連續(xù)，且具有連續(xù)右導數(shù).因此，V u（x（t））為強廣義Lyapunov函數(shù).因而，可將定理1加強為如下結(jié)論.證明過程同定理1.只需將定理1及證明中的“全體廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合Λ”改為“全體強廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合Γ”.

定理3（最小強廣義Lyapunov函數(shù)存在性定理）設Ω?D為緊集，x（t）是以x0為初態(tài)、系統(tǒng)（1）在t時刻的狀態(tài)軌跡，且系統(tǒng)的解對于t＞0均停留在Ω內(nèi).L x0表示x（t）的ω－極限集，若系統(tǒng)（1）存在連續(xù)的正定函數(shù)V0（x（t））∈Γ，則：

1）系統(tǒng)原點x＝0是（Lyapunov意義下）穩(wěn)定的；

2）系統(tǒng)（1）存在強廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t））∈Γ，使得＝E＝｛x∈D：D＋V（x（t））＝0｝.

類似于定理2的說明，將定理3的結(jié)論2）加強為“對系統(tǒng)（1）存在非負強廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t）），使得L x0＝E＝｛x∈D：D＋V（x（t））＝0｝”，則有如下結(jié)果.

定理4（最小非負強廣義Lyapunov函數(shù)存在性定理）設Ω?D為緊集，x（t）是以x0為初態(tài)、系統(tǒng)（1）在t時刻的狀態(tài)軌跡，且系統(tǒng)的解對于t＞0均停留在Ω內(nèi).表示x（t）的ω－極限集，若系統(tǒng)（1）存在連續(xù)的正定函數(shù)V0（x（t））∈Γ＋，則：

1）系統(tǒng)原點x＝0是（Lyapunov意義下）穩(wěn)定的；

2）系統(tǒng)（1）存在非負強廣義Lyapunov函數(shù)V（x（t））∈Γ＋，使得＝E＝｛x∈D：D＋V（x（t））＝0｝.其中T＋表示全體非負強廣義Lyapunov函數(shù)組成的集合.

例1考慮如下非線性系統(tǒng)：

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Minimal Generalized Lyapunov Function Theorems for Nonlinear Systems

YU Qiang，WU Baowei
（CollegeofMathematicsandInformationScience，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China）

Based on Zorn’s lemma and LaSalle’s invariance principle，the existence of the minimal generalized Lyapunov function for nonlinear systems was considered.We developed the minimal generalized Lyapunov function theorems and the minimal strong generalized Lyapunov function theorems for nonlinear dynamical systems.

generalized Lyapunov function；LaSalle’s invariance principle；Zorn’s lemma；partial order；nonlinear system

O231.2

A

1671－5489（2014）03－0445－06

10.13413／j.cnki.jdxblxb.2014.03.08

2013－06－26.

玉 強（1979—），男，漢族，博士研究生，從事非線性分析及穩(wěn)定性的研究，E－mail：yuqiang111111＠126.com.通信作者：吳保衛(wèi)（1963—），男，漢族，博士，教授，從事控制理論及線性系統(tǒng)的研究，E－mail：wubw＠snnu.edu.cn.

國家自然科學基金（批準號：11171197）.

趙立芹）