О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием

В работе получены условия связной асимптотической устойчивости крупномасштабных систем с запаздыванием и импульсным воздействием. Использованы векторная функция Ляпунова и метод Разумихина....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автори: Мартынюк, А.А., Иванов, И.Л.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Назва видання:Доповіді НАН України
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84299
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием / А.А. Мартынюк, И.Л. Иванов // Доп. НАН України. — 2012. — № 7. — С. 60-66. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-84299
record_format dspace
spelling irk-123456789-842992015-07-07T03:02:09Z О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием Мартынюк, А.А. Иванов, И.Л. Механіка В работе получены условия связной асимптотической устойчивости крупномасштабных систем с запаздыванием и импульсным воздействием. Использованы векторная функция Ляпунова и метод Разумихина. У роботi встановлено умови зв’язної асимптотичної стiйкостi великомасштабних систем iз запiзненням та iмпульсною дiєю. Використано векторну функцiю Ляпунова i метод Разумiхiна. We establish the stability conditions for large-scale systems with delay and impulses via the vector Lyapunov function and the Razumikhin method. 2012 Article О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием / А.А. Мартынюк, И.Л. Иванов // Доп. НАН України. — 2012. — № 7. — С. 60-66. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84299 517.36 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Механіка
Механіка
spellingShingle Механіка
Механіка
Мартынюк, А.А.
Иванов, И.Л.
О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
Доповіді НАН України
description В работе получены условия связной асимптотической устойчивости крупномасштабных систем с запаздыванием и импульсным воздействием. Использованы векторная функция Ляпунова и метод Разумихина.
format Article
author Мартынюк, А.А.
Иванов, И.Л.
author_facet Мартынюк, А.А.
Иванов, И.Л.
author_sort Мартынюк, А.А.
title О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
title_short О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
title_full О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
title_fullStr О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
title_full_unstemmed О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
title_sort о связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2012
topic_facet Механіка
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84299
citation_txt О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием / А.А. Мартынюк, И.Л. Иванов // Доп. НАН України. — 2012. — № 7. — С. 60-66. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT martynûkaa osvâznojustojčivostiimpulʹsnyhkrupnomasštabnyhsistemszapazdyvaniem
AT ivanovil osvâznojustojčivostiimpulʹsnyhkrupnomasštabnyhsistemszapazdyvaniem
first_indexed 2025-07-06T11:17:28Z
last_indexed 2025-07-06T11:17:28Z
_version_ 1836896120161173504
fulltext УДК 517.36 © 2012 Академик НАН Украины А.А. Мартынюк, И. Л. Иванов О связной устойчивости импульсных крупномасштабных систем с запаздыванием В работе получены условия связной асимптотической устойчивости крупномасшта- бных систем с запаздыванием и импульсным воздействием. Использованы векторная функция Ляпунова и метод Разумихина. Системы с импульсным возмущением [1, 2] при значительных размерностях вектора состоя- ния x(t) исследованы при помощи векторных либо матричных функций Ляпунова. Эти ре- зультаты изложены в работах [3, 4]. Для систем с запаздыванием элементы теории связной устойчивости приведены в [5]. В работе [6] изложены результаты анализа устойчивости систем с запаздыванием на основе матричнозначных функционалов Ляпунова. Постановка задачи. Пусть n ∈ N, r > 0, E = {ϕ : [−r, 0] → R n}, Ei = {ϕi : [−r, 0] → → R ni}. Введем нормы: ‖.‖ — эвклидова норма в R n либо в R ni , ‖ϕ‖E = sup θ∈[−r,0] ‖ϕ(θ)‖ — для произвольного ϕ : [−r, 0] → R n; ‖ϕi‖Ei = sup θ∈[−r,0] ‖ϕi(θ)‖ для произвольного ϕi : [−r, 0] → R ni . Рассмотрим крупномасштабную систему уравнений с запаздыванием и импульсным во- здействием следующего вида: dx dt = f(t, xt), t 6= τk, k ∈ N, ∆x(τk) = Ik(x), (1) где f : [t0 − r,∞) × E → R n, моменты импульсного воздействия удовлетворяют условию 0 < τ1 < τ2 < · · · < τk < · · · → +∞, τk ∈ [t0 − r,∞), f(t, 0) = 0, ∆x(τk) = x(τ+k ) − x(τk), k ∈ N. Предположим, что в системе (1) функция f : [t0 − r,∞) × E → R n такова, что решение этой системы существует и единственно на [t0 − r,∞). Зададим начальные условия для системы (1) x(t) = ϕ0(t− t0), t ∈ [t0 − r, t0], t0 > 0. (2) Решение x(t; t0, ϕ0) коротко будем обозначать через x(t) либо в виде однопараметриче- ского семейства функций через xt(t0, ϕ0) ∈ E. Пусть система (1) допускает декомпозицию вида dx dt = gi(t, xt,i) + hi(t, xt), t 6= τk, k ∈ N, ∆x(τk) = Jik(xi) +Kik(x), (3) где функции gi : [−r,+∞)×Ei → R ni , Jik : R ni → R ni описывают динамику подсистемы (3) без взаимосвязей с другими подсистемами (1), а функции hi : [−r,+∞)×E → R ni , Kik : R n → → R ni отвечают только за взаимосвязи. 60 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7 Далее введем некоторые понятия из теории связной устойчивости для системы (3) ана- логично тому, как это сделано в работе [7] для системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Функции h(t, x) и Kk(x), отвечающие за взаимосвязи, будем представлять зависимыми от так называемых матриц взаимосвязи E = [eij ] s i,j=1 и E′ = [e′ij ] s i,j=1, определяемых сле- дующим образом: eij = { 1, если непрерывная часть Sj действует на непрерывную часть Si, 0, если непрерывная часть Sj не действует на непрерывную часть Si, e′ij = { 1, если дискретная часть Sj действует на дискретную часть Si, 0, если дискретная часть Sj не действует на дискретную часть Si. Эта зависимость имеет следующий вид: hi(t, xt) ≡ hi(t, ei1xt,1, ei2xt,2, . . . , eisxt,s), Kik ≡ Kik(t, ei1x1, ei2x2, . . . , eisxs), где i = 1, s. Определение 1. Положение равновесия x = 0 системы (1) называется: а) устойчивым, если для любого ε > 0, t0 ∈ R+ существует δ = δ(ε, t0) > 0 такое, что из условия ‖ϕ0‖E < δ следует неравенство ‖x(t; t0, ϕ0)‖ < ε при всех t ∈ [t0,+∞); б) равномерно устойчивым, если величина δ в пункте а не зависит от t0; в) асимптотически устойчивым, если оно устойчиво и существует δ0 > 0 такое, что из условия ‖ϕ0‖E < δ0 следует lim t→+∞ x(t; t0, ϕ0) = 0; г) равномерно асимптотически устойчивым, если выполняются условия определений б и в; д) устойчивым в целом, если в определении 1, а при ε → +∞ можно выбрать δ(ε, t0) так, чтобы δ(ε, t0) → +∞. Определение 2. Крупномасштабная система связно устойчива, если она устойчива в смысле Ляпунова для любых матриц взаимосвязи E и E′. Определение 3 [7]. Фундаментальной матрицей взаимосвязи Ef называется матри- ца E, соответствующая ситуации, когда все существующие между подсистемами (3) связи “включены”, т. е. равны единице соответствующие им элементы eij . Определение 4 [2]. Функция v(t, x) принадлежит классу V0, если выполняются усло- вия: 1) v(t, x) непрерывно дифференцируема на множестве T ×R n, где T = [t0−r,∞)\{τk}k∈N; 2) существуют функции a, b класса Хана, такие, что выполняется двусторонняя оценка a(‖x‖) 6 v(t, x) 6 b(‖x‖) при всех (t, x) ∈ R+ × R n; 3) существуют пределы lim t→τk−0 v(t, x) = v(τk, x), lim t→τk+0 v(t, x) = v(τk + 0, x) при всех k = 1, 2, . . . . Таким образом, задача состоит в получении условий связной асимптотической устойчи- вости указанного класса нелинейных систем на основе метода агрегирования крупномас- штабной системы с последействием при импульсном возмущении. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №7 61 Основной результат. Далее понадобится следующее утверждение. Теорема 1 (ср. [8]). Пусть система уравнений (1) такова, что существует функция v(t, x) класса V0, число p ∈ N и непрерывная неубывающая функция p(s) > s при s > 0, удовлетворяющие условиям: 1) D+v(t, x)|(1) 6 −κ‖x‖p, (t, x) ∈ R+ × N , где N ∈ R n, κ > 0 (D+v(t, x)|(1) означает верхнюю правую производную функции v(t, x) вдоль решений (1)), если p(v(t, x)) > v(t+ ζ, ϕ(ζ)), ζ ∈ [−r, 0]; 2) v(τi + 0, x(τi + 0)) 6 v(τi, x(τi)) при всех i ∈ N. Тогда состояние равновесия x = 0 системы (1) асимптотически устойчиво. Замечание 1. В работе [8] теорема 1 рассмотрена для линейной системы и при p = 2. Доказательство общего случая проводится без изменения способа доказательства. В предположениях, представленных ниже, используются следующие обозначения [9]: D+ t vi(t, xi) = lim θ→0+ sup { vi(t+ θ, xi)− vi(t, xi) θ } ; D+ xij vi(t, xi) = lim θ→0+, ‖xij‖→0 sup { vi(t+ θ, xi + Ii,j+1∆xi)− vi(t+ θ, xi + Ii,j∆xi) ∆xij } ; D+ xi vi(t, xi) = (D+ xi1 vi(t, xi),D + xi2 vi(t, xi), . . . ,D + xini vi(t, xi)) T . Легко проверить, что D+vi(t, xi) 6 D+vi(t, xi) + (D+ xi vi(t, xi)) Tdxi/dt. Не уменьшая общности, положим t0 = 0 и сформулируем некоторые условия. Предположение 1. Существуют открытые связные окрестности Ni ⊂ R ni состоя- ний xi = 0, функции vi : R × R ni → R+, Γik : R ni → R+, строго возрастающая функция p(s) > s, p(0) = 0, действительные числа αij , βij , αi, βi такие, что: 1) функции vi и Γik положительно определены на Ni, i = 1, s, k ∈ N; 2) αi < 0, βi ∈ {−1, 0}, i = 1, s; 3) αij > 0, βij > 0, i, j = 1, s, i 6= j; 4) существует вектор u0 ∈ R s, u0 > 0 такой, что Au0 < 0, Bu0 6 0, где A, B ∈ R s×s, A = {aij} s i,j=1, B = {bij} s i,j=1, aij = αiδij + eijαij , bij = δijβi + e′ijβij ; 5) vi(τk, xi + Jik(xi)) − vi(τk, xi) 6 βiΓik(xi); 6) vi(τk, xi + Jik(xi) +Kik(x)) − vi(τk, xi + Jik(xi)(x)) 6 s ∑ j=1 e′ijβijΓjk(xj); 7) D+ t vi(t, xi) + (D+ xi vi(t, xi)) T gi(t, xt,i) 6 αi‖xi‖, ∀ (t, xi) ∈ [−r,+∞) ×Ni, если vi(t, x) > p(vi(t+ ζ, x(t+ ζ))), ∀ ζ ∈ [−r, 0]. (4) Здесь vi(t, x) = bTV (t, x), V (t, x) = (v1(t, x1), v2(t, x2), . . . , vs(t, xs)) T , b = −(AT )−1c1, где b, c ∈ R s, b > 0, c > 0 (возможность одновременного выполнения последних двух нера- венств гарантируется условием 4 данного предположения); 62 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7 8) (D+ xi vi(t, xi)) Thi(t, xt) 6 s ∑ j=1 eijαij , ∀ (t, xi) ∈ [−r,+∞)×Ni, если выполняется условие Разумихина (4). Теорема 2. Пусть а) выполняются условия предположения 1 при E = Ef , E ′ = E′ f ; б) функции vi(t, xi) положительно определенные на [−r,+∞) ×Ni, i = 1, s. Тогда состояние равновесия x = 0 системы (1) связно асимптотически устойчиво. Доказательство. Согласно условию 4 предположения 1, существуют векторы b, c1, c2 ∈ R s, b > 0, c1 > 0, c2 > 0 такие, что c2 = −BT b, b = −(AT )−1c1. Пусть A — матрица, соответствующая фундаментальной матрице взаимодействия Ef . Аналогично введем матрицу B. Тогда матрицы A и B, соответствующие произвольным матрицам взаимодействия E и E′, ввиду неотрицательности элементов αij и βij , удовлетво- ряют матричным неравенствам A 6 A, B 6 B. (5) Из условий 5, 6 предположения 1 и второго неравенства в (5) следует, что в окрестности N = N1 × N2 × · · · × Ns выполняется оценка: v(τk, x(τ + k ))− v(τk, x(τk)) = v(τk, x+ Ik(x))− v(τk, x) = = bTV (τk, x+ Ik(x))− bTV (τk, x) = = bT ((V (τk, x+ Ik(x))− V (τk, x+ Jk(x))) + (V (τk, x+ Jk(x))− V (τk, x))) 6 6 bT ([e′ijβij] s i,j=1 + diag(β1, β2, . . . , βs)) · (Γ1k(x1),Γ2k(x2), . . . ,Γsk(xs)) T = = bTBγk(x) 6 bTBγk(x) = −cT2 γk(x) 6 0 (6) для всех (t, x) ∈ R+ × N . Аналогично, условия 7, 8 предположения 1 и первое неравенство в (5) гарантируют существование окрестности N = N1 × N2 × · · · × Ns такой, что при выполнении условия Разумихина (4) имеет место оценка D+(t, x)|(1) 6 bTAω(x) 6 bTAω(x) = −cT1 ω(x) (7) для всех (t, x) ∈ R+ × N , где ω(x) = (‖x1‖, ‖x2‖, . . . , ‖xs‖) T . Функции v и D+v, свойства которых описываются выражениями (6) и (7), удовлетво- ряют условиям теоремы 1 при p = 1. Поэтому (1) связно асимптотически устойчива. Предположение 2. Существуют открытые связные окрестности Ni ⊂ R ni состоя- ний xi = 0, функции vi : R × R ni → R+, Γik : R ni → R+, строго возрастающая функция p(s) > s, p(0) = 0, действительные числа αij , βij , αi, βi такие, что: 1) функции vi и Γik положительно определены на Ni, i = 1, s, k ∈ N; 2) αi < 0, βi ∈ {−1, 0}, i = 1, s; 3) αij > 0, βij > 0, i, j = 1, s, i 6= j; 4) существует диагональная матрица с положительными элементами D = diag(d1, d2, . . . , ds) такая, что ATD +DA < 0, BTD +DB 6 0, где A, B ∈ R s×s, A = {aij} s i,j=1, B = {bij} s i,j=1, aij = αiδij + eijαij , bij = δijβi + e′ijβij ; ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №7 63 5) vi(τk, xi + Jik(xi)) − vi(τk, xi) 6 βiΓ 2 ik(xi); 6) vi(τk, xi + Jik(xi) +Kik(x)) − vi(τk, xi + Jik(xi)(x)) 6 Γik(xi) s ∑ j=1 e′ijβijΓjk(xj); 7) D+ t vi(t, xi) + (D+ xi vi(t, xi)) T gi(t, xt,i) 6 αi‖xi‖ 2, ∀ (t, xi) ∈ [−r,+∞) × Ni, если выпол- няется условие (4), где v(t, x) = dTV (t, x), V (t, x) = (v1(t, x1), v2(t, x2), . . . , vs(t, xs)), d = = (d1, d2, . . . , ds) T ; 8) (D+ xi vi(t, xi)) Thi(t, xt) 6 ‖xi‖ s ∑ j=1 eijαij, ∀ (t, xi) ∈ [−r,+∞) × Ni, если выполняется условие Разумихина (4). Теорема 3. Пусть а) выполняются условия предположения 2 при E = Ef , E ′ = E′ f ; б) существуют положительные числа ηi1, ηi2 такие, что ηi1‖xi‖ 2 6 vi(t, xi) 6 ηi2‖xi‖ 2 при всех (t, xi) ∈ [−r,+∞) × Ni, i = 1, s. Тогда состояние равновесия x = 0 системы (1) связно асимптотически устойчиво. Доказательство. Рассмотрим функцию v(t, x) = dTV (t, x). Положительность компо- нент вектора d, положительная определенность функций vi на Ni при всех i = 1, 2, . . . , s и свойства всех окрестностей Ni обеспечивают существование окрестности N ⊂ N1×· · ·×Ns, в которой выполняется оценка v(τk, x(τ + k ))− v(τk, x(τk)) = v(τk, x+ Ik(x))− v(τk, x) = = dTV (τk,+Ik(x))− dTV (τk, x) = = dT ((V (τk, x+ Jk(x))− V (τk, x+ Ik(x))) + (V (τk, x+ Jk(x))− V (τk, x))) 6 6 dT ([ Γik(xi) s ∑ j=1 βije ′ ijΓjk(xj) ]s i=1 + [βiΓik(xi)] s i=1 ) = = dT [ Γik(xi) ( βiΓik(xi) + s ∑ j=1 βije ′ ijΓjk(xi) )]s i=1 = = γTk (x) [ di ( βiΓik(xi) + s ∑ j=1 βije ′ ijΓjk(xj) )]s i=1 6 6 γTk (x)(D diag(β1, . . . , βs) +D[βij ] s i,j=1)γk(x) = γTk (x)DBγk(x) = = 1 2 γTk (x)(DB +B T D)γk(x) 6 0. (8) Аналогично, условия 7, 8 предположения 2 и первое неравенство в (5) гарантируют, что в окрестности N ⊂ N1×· · ·×Ns при выполнении условия Разумихина выполняется оценка: D+v(t, x)|(1) = dT [D+vi(t, x)] s i=1|(1) = dT [D+ t vi(t, xi) + (D+ xi vi(t, x)) T gi(t, xt,i) + 64 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7 + (D+ xi vi(t, xi)) Thi(t, xt,i)] s i=1 6 dT [ αi‖xi‖ 2 + ‖xi‖ s ∑ j=1 eijαij‖xj‖ ]s i=1 6 6 dT [ αi‖xi‖ 2+‖xi‖ s ∑ j=1 eijαij‖xj‖ ]s i=1 = ωT (x) [ di ( αi‖xi‖+ s ∑ j=1 eijαij‖xj‖ )]s i=1 = = ωT (x)DAω(x) = 1 2 ωT (x)(DA +A T D)ω(x) 6 1 2 λmax(DA+A T D)‖x‖2 (9) для всех (t, x) ∈ R+×N , где ω(x) = (‖x1‖, ‖x2‖, . . . , ‖xs‖) T , λmax(DA+A T D) — максимальное собственное значение матрицы DA + A T D. Поскольку λmax(DA+A T D) < 0, то функции v и D+v, свойства которых описываются выражениями (8) и (9), удовлетворяют условиям теоремы А при p = 2. Поэтому (1) связно асимптотически устойчива. Теорема доказана. Заключительные замечания. В работах [10–12] изложены некоторые результаты ана- лиза устойчивости систем с запаздыванием при импульсном воздействии. Условия связной асимптотической устойчивости, приведенные в настоящей работе, сводятся к проверке сов- местимости некоторых неравенств (см. условие 4 ) и это может оказаться эффективным способом анализа в случаях, предусмотренных предположениями 1, 2. 1. Самойленко А.М., Перестюк Н.А. Дифференциальные уравнения с импульсным воздействием. – Киев: Вища шк., 1987. – 282 с. 2. Lakshmikantam V., Bainov D.D., Simeonov P. S. Theory of impulsive differential equations. – Singapore: World Scientific, 1989. – 520 p. 3. Haddad W.M., Chellaboina V. S., Nersesov S.G. Impulsive and hybrid dynamical systems. – Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 2006. – 504 p. 4. Martynyuk A.A. Qualitative Methods in nonlinear dynamics. Novel approaches to Liapunov’s matrix functi- ons. – New York, Marcel Dekker, 2002. – 301 p. 5. Shigui R. Connective stability for large scale systems described by functional differential equations // IEEE Trans. Automatic Control. – 1988. – 33, No 2. – P. 198–200. 6. Martynyuk A.A. Stability of motion. The role of multicomponent Liapunov’s functions. – Cambridge: Cambridge Sci. Publ., 2007. – 322 p. 7. Siljak D.D. Large-scale dynamic systems: stability and structure. – New York: North-Holland, 1978. – 416 p. 8. Слынько В.И. Об условиях устойчивости движения линейных импульсных систем с запаздыванием // Прикл. механика. – 2005. – 41, № 6. – С. 130–138. 9. Груйич Л.Т., Мартынюк А.А., Риббенс-Павелла М. Устойчивость крупномасштабных систем при структурных возмущениях. – Киев: Наук. думка, 1984. – 308 с. 10. Shen J., Luo Z., Liu X. Impulsive stabilization of functional differential equations via Liapunov functio- nals // J. Math. Anal. Appl. – 1999. – 240. – P. 1–15. 11. Shen J., Yan J. Razumikhin type stability theorems for impulsive functional differential equations // Nonlinear Anal. – 1998. – 33. – P. 519–531. 12. Martynyuk A.A., Shen J. H., Stavroulakis I. P. Stability theorems in impulsive functional differential equations with infinite delay // Advances in Stability Theory at the End of the 20th Century / Ed. A.A. Martynyuk. – London: Taylor & Francis, 2003. – 13. – P. 153–174. Поступило в редакцию 12.09.2011Институт механики им. С.П. Тимошенко НАН Украины, Киев ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №7 65 Академiк НАН України А.А. Мартинюк, I.Л. Iванов Про зв’язну стiйкiсть iмпульсних великомасштабних систем iз запiзненням У роботi встановлено умови зв’язної асимптотичної стiйкостi великомасштабних систем iз запiзненням та iмпульсною дiєю. Використано векторну функцiю Ляпунова i метод Ра- зумiхiна. Academician of the NAS of Ukraine A.A. Martynyuk, I. L. Ivanov On the connective stability of impulsive large scale systems with delay We establish the stability conditions for large-scale systems with delay and impulses via the vector Lyapunov function and the Razumikhin method. 66 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7