86
.pdfChapter 1. Absolute stability and Aizerman’s problem of one-dimensional regulated systems
Function
( ) |
|
= { ( ) C(R |
, R ) | ( ) = ( ), 0 ( ) |
|
, |
|||||||
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
0 |
|
, R |
, (0) = 0, |
| ( ) | |
, |
0 < |
|
0 |
|
|
|
0, |
|
< } |
|
|
||||||||
|
|
|
|
1 |
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|
* |
|
|
* |
|
|
|
(1.42)
where
> 0
is an arbitrarily small number. Notice that
( ) = { ( ) C(R |
, R ) | 0 ( ) |
|
, 0, |
|||||
|
|
1 |
1 |
|
|
|
2 |
|
1 |
R |
, (0) = 0, | ( ) | |
, 0 < |
0 |
< } |
|||
, |
|
|||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
* |
|
|
|
(1.43)
The automatic control systems encountered in practice are systems with limited
resources, and for such systems the function |
( ) |
satisfies conditions (1.42), (1.43). |
|
As the value |
|
* |
, |
0 < |
* |
< , > 0 |
is an arbitrarily |
small number, then |
||
|
|
|
|
|||||||
inclusions (1.42), (1.43) contain all nonlinearities from the sector |
[0, |
0 |
]. |
|||||||
|
|
As follows from the inclusions (1.42), (1.43) equations of motion (1.41) can be represented as
z = A z B ( ), = Sz, |
z(0) = z |
, |
| z |
|< , t I, |
||||||||||
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
|
where |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
A B D |
B E |
B |
= |
B |
S = D |
E , |
||||||
z = |
, |
A = |
|
|
|
, |
|
|
, |
|||||
|
|
1 |
|
D |
E |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
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|
(1.44)
> 0 is an arbitrarily small number, function |
( ) |
, |
A = A ( ). |
|||||||||
|
1 |
|
1 |
1 |
|
|||||||
The equilibrium state of the system (1.41), (1.42) is determined by the solution of |
||||||||||||
algebraic equations A z |
B ( |
* |
) = 0, |
|
* |
= Sz . |
If the matrix |
A |
is a Hurwitz |
|||
1 * |
1 |
|
|
|
* |
|
|
|
1 |
|
||
matrix, function ( ) 1 turns to zero only when |
= 0, |
|
then the system (1.41), |
|||||||||
|
|
(1.42) has a single equilibrium state = ( , ) = 0. Consequently, x* = 0, * = 0, where * = 0.
Notice that the equilibrium position corresponds to the trivial solutions x(t) 0,
(t) 0, |
t |
I |
of the system (1.41), (1.42). In this work, we study the asymptotic |
|||||||
|
|
|||||||||
stability of |
the |
whole unperturbed motion x(t) 0, (t) 0, t I of |
the system |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(1.41), (1.42) for any ( ) 0 (or z(t) 0, t I , |
( ) 1 ). |
|
||||||||
We assume that for a sufficiently small neighborhood of the point |
= 0, the |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
function ( ) |
can be approximated by a linear function ( ) = . Consequently, |
31
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
when | |< , > 0 is an arbitrarily small number, and the perturbed motion equation (1.44) can be written in the form
z = A z B Sz = A ( )z, |
z(0) = z |
, | z |
0 |
|< , t I , |
||
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
(1.45)
where A ( ) = A B S, |
< |
0 |
, |
|
0 |
||||
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
||
Hurwitz matrix |
A1 |
( ). |
If the matrix A1( ), |
||||||
then there is a number |
1 |
> 0 |
such that | x(t) |< |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
is a limit value |
|
|
determined from the |
||
|
|
|
|
|
|
0 |
< 0 , |
is a Hurwitz matrix, |
|||
1 when | x0 |
|< 1 |
, moreover lim z(t) = 0. |
|||
|
|
|
|
|
t |
So when the matrix |
A ( ), |
where |
|
0 |
< |
0 |
|
|
is a Hurwitz matrix, the trivial |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
1 |
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|
|
|||
solution |
z |
(t) |
0, |
t |
I |
|
( |
x(t) 0, (t) 0, |
t I |
|
) of the system (1.45) is asymp- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||
totically stable by Lyapunov for t . |
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|||||||||||||||||||||
Definition 4. Trivial |
solution |
x(t) 0 , |
(t) 0, |
|
|
|
t I |
of the system (1.41), |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(1.42) is called absolutely stable if: 1) matrices |
A |
, |
|
|
A |
|
( ), |
|
0 |
, |
|
0 |
> |
0 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
are |
Hurwitz matricies |
(asymptotic Lyapunov |
stability |
for |
t ); |
|
|
2) |
|
for |
all |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( ) 1 |
solution |
of |
the |
|
differential equation |
|
(1.44) possesses the |
property |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
lim z(t;0, z0 , ) = 0, |
| z0 |
|< |
(or lim x(t;0, x0 , 0 , ) = 0, |
lim (t;0, x0 , 0 , ) = 0, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
t |
|
|
|
|
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t |
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t |
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|
|
||
, |
|
0 |
, |
|
| |
x |
|
|< , |
| |
0 |
|< |
|
). |
|
|
|
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||||||||
|
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|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|||||
Definition 5. The conditions for the absolute stability of the system (1.41), (1.42) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
are |
the |
|
|
relations |
connecting |
|
the constructive |
|
parameters |
|
|
of |
the |
|
system |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
( A, B, D, E, |
0 |
), |
at which the equilibrium state |
(x* |
|
= 0, * = 0) is absolutely stable. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Problem 3. Find the condition for the absolute stability of the equilibrium state of |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the system (1.41), (1.42). |
|
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|
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|
|
||||||||||||||
Function |
|
(t) = Sz(t), |
|
t I |
is a control formed by the principle of feedback, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and the vector string S = (S1, , Sn 1 ) R |
n 1 |
|
is called a feedback vector. Iserman's |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
problem is that how to choose feedback vectors |
S R |
n 1 |
, |
so that from the asymptotic |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
stability of the trivial solution |
z(t) 0, |
t I |
|
of the linear system (1.45) for any |
, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
, |
|
|
|
= |
0 |
|
|
we |
|
get |
absolute stability |
|
of |
the trivial |
solution |
|
x(t) 0, |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
|||
|
|
t I |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( ) 0, |
|
|
of the system (1.41), (1.42), where |
|
0 is a limiting value of the Hur- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
witz matrix |
A1( ), |
|
> 0 is an arbitrarily small number. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Definition |
|
6. We assume that in the sector |
[ , |
0 |
] |
Iserman's problem has a |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
solution if: 1) there is a feedback vector S Rn 1 |
such that |
|
|
|
|
|
2) for any |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 = 0 ; |
|
|
( ) = , 0 0 the solution of system (1.41) is asymptotically stable;
3) for any ( ) 1 the trivial solution of system (1.41), (1.42), (1.43) is absolutely stable.
|
|
|
|
Problem 4. Find the sector [ , 0 |
= 0 ], where Iserman's problem has a |
||
solution. |
|
|
|
32
Chapter 1. Absolute stability and Aizerman’s problem of one-dimensional regulated systems
Note that, as follows from [11], the Iserman problem does not always have a solution. The problem consists in finding such a feedback vector S Rn 1, for which
in sector [ , 0 ], |
|
|
|
|
|
Iserman's problem has a solution, where > 0 is an |
||||||||||||||||||||||||||
0 = 0 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
A1( ). |
|
||||||||||||||||||||||||||||
arbitrarily small number, 0 is the limiting value of the Hurwitz matrix |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Nonsingular |
transformation. The |
characteristic |
polynomial of |
the matrix |
||||||||||||||||||||||||||||
A1 = A1 |
( ) |
is equal to |
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
( ) =| I |
n 1 |
A |= n 1 a |
n a |
|
|
n 1 a a , |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
n 1 |
|
|
|
1 |
0 |
|
|
|||||||
where |
I |
n 1 |
is an identity matrix of order |
|
(n 1) (n 1), |
a = a ( ), |
i = 1, n. |
As |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
i |
|
||||||||||||||||||
follows from the Hamilton-Cayley theorem, the matrix |
(A1) = 0 |
. Then |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
A |
n 1 |
= |
a |
|
A |
n |
a |
|
A |
n 1 |
a A a |
I |
|
. |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
n 1 |
|
|
|
n 1 |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
||||
Lemma 6. Let the row vector |
= ( , |
|
, , |
|
, |
|
) R |
n 1 |
such that |
|
||||||||||||||||||||||
2 |
n |
n 1 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
n |
0. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
B = 0, A B = 0, , A |
|
B = 0, A B |
|
|
|
(1.46) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
Then equation (1.44) can be represented as
|
|
y |
= y |
, |
|
y |
2 |
= y |
, , y |
n |
= y |
n 1 |
, |
|||
y |
|
1 |
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
B ( ), |
|||
|
= a y |
a y |
|
a y |
|
|
|
A |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
n 1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
|
2 |
|
n |
n 1 |
|
1 |
1 |
(1.47)
where |
y1 = |
Proof.
get
z, y |
|
= A z, , y |
|
n |
z, z = z(t), |
y |
= y (t), i = 1, n 1. |
2 |
n 1 |
= A |
|||||
|
1 |
1 |
|
i |
i |
Consider the first equation from (1.44). Multiplying it from left by
,
we
z = A z B ( ) = A z, z(0) = z |
, t I, |
|||
1 |
1 |
1 |
0 |
|
(1.48)
by virtue of equality B1 |
= 0, |
where z = y1 |
, A1z = y2. Consequently, |
||||||||
t I. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Differentiating identity (1.48) by t , we obtain |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
y |
= z = A z = A [A z B ( )] = A2 z = y , |
y (0) = A z , |
|||||||||
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
1 |
3 |
2 |
1 |
0 |
where A1B1 = 0. In a similar way we obtain the following system of equations:
y |
(t) = y |
(t), |
1 |
2 |
|
t I,
differential
y |
= z = A2 z = A3 z = y |
, |
y |
(0) = A2 z |
, , |
|||
3 |
1 |
1 |
4 |
|
3 |
1 |
0 |
|
33
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
y |
= y |
n 1 |
, y |
= a y a y An B ( ), |
||||
|
|
|
n |
|
|
n 1 |
0 1 1 2 |
1 1 |
|
|
|
where |
y |
n 1 |
(0) = An z |
. |
The lemma is proved. |
|
|
|
|||
|
|
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Lemma 7. Let the conditions of Lemma 6 be satisfied, and let, in addition, the rank of the matrix
R = |
* |
, |
* |
* |
, , A |
*n |
* |
||
|
A |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
(1.49)
of (n 1) (n 1)
1. there exists
order be equal to a row vector =
n
( |
0 |
, |
|
|
1,
1
where
, , |
n |
|
(*)
) R
is a transpose sign. Then:
n 1 |
such that |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0 y1 1 y2 |
n yn 1; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.50) |
||||||||||
|
|
2. if |
|
y1 |
= z = 0, y2 = A1z = 0, , yn 1 |
|
n |
|
|
|
|
z = 0. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
= A1 z = 0, then |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
Proof. |
Notice |
|
that |
rank |
|
|
R = n 1 |
then |
and |
only |
then |
|
the |
|
vectors |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
, A |
|
, , |
A |
|
|
||||||
|
* |
* * |
|
|
|
|
*n * |
are linearly independent. Since vectors |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
form a |
||||||||||||||||
|
, A1 |
, , A1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|||||||||||||||||||||||
basis in |
R |
n 1 |
, |
then vector |
S |
* |
R |
n 1 |
can be represented unambiguously in the form |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
S |
* |
= 0 |
* |
|
|
|
* |
* |
|
|
|
|
*n |
* |
. |
Then |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 A1 |
|
n A1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
= Sz = z A* * z |
A*n * z = |
y y |
2 |
|
n |
y |
n 1 |
. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
0 1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Now the second equation from (1.44) can be written as (1.50). |
is controllable. Out |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
On the other hand, it follows from (1.49) that the pair |
( |
|
, A ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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* |
|
|
|
* |
|
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|
|
|
1 |
|
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|
|
|
|
|
|
of control of pairs ( |
* , A* ) |
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
z = 0, |
||||||||||
it follows that the equalities z = 0, A z = 0, , A |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
which entail
z = 0.
Consequently, from
y |
i |
= 0, |
|
|
i = 1, n 1
it follows that
z = 0.
The lemma is proved.
From lemmas 6, 7 it follows that if equalities (1.46) are satisfied and the rank
R = n 1, |
then the system (1.41) is equivalent to the system (1.47), (1.50). Moreover, |
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
from lim yi (t) = 0, |
i = 1, n 1 |
it follows that lim z(t) = 0. |
|
|
|||||||||||||||
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
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|
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|
|
Introducing the notation |
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|||||||
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|
|
0 |
1 |
|
0 |
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
0 |
0 |
|
1 |
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
A = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
, B = |
|
|
, S = ( , , , ), |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 1 |
n |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
a0 |
a1 |
a2 |
an |
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A1 |
B1 |
|
|
|
|||
|
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|
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|
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|
||
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
equations of motion (1.47), (1.50) can be represented as:
34
Chapter 1. Absolute stability and Aizerman’s problem of one-dimensional regulated systems
y = Ay B ( ), = S y, ( ) |
. |
1 |
|
(1.51)
Consider the differential equations (1.44), (1.51). As follows from the lemmas 6,
7, if z(t) 0, t I is a trivial solution to the equation (1.44), then |
y(t) 0, |
t I |
|||||
is a trivial solution to the equation (1.51). If | |< , |
|
|
|
|
< |
|
|
( ) = , |
0 |
, |
|||||
1 |
|
|
|
0 |
|
|
|
then the equation of perturbed motion can be written as |
|
|
|
|
|
|
|
y = Ay B S y = A( ) y, |
y(0) = y |
, | y |
|< |
, t I, |
(1.52) |
|
0 |
0 |
2 |
|
|
where A( ) = A B S, 0 < 0 , 1 > 0 is an arbitrarily small number. If
the matrix
| y(t) |< |
2 |
|
A( ) when
is a
| y |
0 |
|
Hurwitz |
matrix, |
then |
||
|< |
2 |
, |
moreover |
lim |
|
|
|||
|
|
|
|
t |
there is
y(t) = 0.
a number |
2 > 0 |
such that |
In this |
case, the |
solution |
y(t) 0, t .
t I
of the system (1.52) is asymptotically stable by Lyapunov when
From (1.44), we get (1.51): 1)
* |
A R |
* 1 |
, |
A = R |
|
||
|
1 |
|
|
* |
B |
, |
B = R |
||
|
1 |
|
S = SR |
* 1 |
; |
|
2) |
A1 = R |
* 1 |
* |
, |
|
AR |
B1 = R |
* 1 |
B, |
|
|
* |
; 3) matrices |
A1, |
A |
are similar, therefore |
j ( A1 ) = j ( A), |
||
|
S = SR |
|
||||||||||
j = 1, n 1; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
4) SB1 = S B. |
|
|
|
|
||||||||
Notice that the nonsingular transformation above is different from the transfor- |
||||||||||||
mation from [12; |
§ |
5, theorem 2]. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Lecture 7.
Properties of solutions in a simple critical case
We can show that solutions of the system (1.41), (1.42), as well as (1.47), (1.50), are limited. These properties can be used when estimating improper integrals.
Theorem 8. Let the matrix
A1
be a Hurwitz matrix, i.e.
Re |
( A ) < 0, |
j |
1 |
j = 1, n 1,
function ( ) 1 , and let, in addition, equalities (1.46)take place and the rank
R = n 1. Then true estimates |
|
|
|
| z(t) | c0 , | z(t) | c1, |
t, |
t I = [0, ), |
(1.53) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
| yi (t) | mi1, | yi (t) | mi2 , i = 1, n 1, t I, |
(1.54) |
||||||
|
|
|
| (t) | c2 , | (t) | c3 , t, |
t I , |
(1.55) |
|||||
where mi1, mi 2 = const < , |
|
|
|
i = 0,1,2,3, functions |
z(t), |
|||||
i = 1, n 1, ci = const < , |
||||||||||
|
|
|
(t), t I |
|
|
|||||
yi (t), i = 1, n 1, |
are uniformly continuous. |
|
35
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Proof. |
From inclusion |
( ) 1 |
it follows that |
| ( (t)) | |
||||||||
t, |
t I. |
As matrix |
A = A ( ) |
|
is a Hurwitz matrix, i.e. |
a = max |
|||||||
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 j n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
then |
e A1t |
ce (a )t |
t, t I , c = c( ) > 0, > 0 is |
an |
arbitrarily |
||||||||
[13; § 13, inequality (7)]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
The solution of differential equation (1.44) can be written as: |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
A t |
|
t |
|
(t ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
A |
1 |
|
|
||
|
|
|
z(t) = e 1 z |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
e 1 |
|
B ( ( ))d , t I. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
* |
, 0 < |
* |
< , |
|
|
Re |
(A ) < 0, |
j |
1 |
small number
Then
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A t |
|
|
|
|
|
t |
|
|
(t ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
| z(t) | |
|
|
|
| z |
|
| |
|
|
A |
|
|
| B |
|
|| ( ( )) | d c | z |
|
| e |
(a )t |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
e |
1 |
|
0 |
|
e 1 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
ce |
(a )t |
B |
|
|
|
e |
(a ) |
d |
= c | z |
|
|
| e |
(a )t |
ce |
(a )t |
B |
|
|
|
e |
(a )t |
|
= |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= c | z |
|
| e |
(a )t |
|
1 |
|
|
c |
|
B |
|
|
|
( 1 e |
(a )t |
) c |
, |
t, |
t I , |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
(a )t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
where |
e |
1, |
|
t, t I , a < 0. |
|
Hence, we get a limited solution of the sys- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
tem (1.44). Consequently, we get a limited solution of the system (1.41), (1.42). It follows from (1.44) that
|
| |
z(t) | |
|
A |
|
|
| |
z(t) | | B |
|| ( (t)) | |
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
c | B |
| |
* |
= c |
, |
t, t I , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
| (t) | |
|
|
|
S |
|
|
|
| z(t) | c |
, |
| (t) | |
|
|
|
S |
|
|
|
|
| z(t) | c |
|
, |
t, |
t I |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
From limitation |
|
z(t), (t), |
t I |
|
it follows that they are uniformly continuous. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
y (t) = z(t), |
|
y |
|
(t) = A z(t), , y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
z(t), |
t I , |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
As |
|
2 |
n 1 |
(t) = A |
then |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
| y1 (t) | | || z(t) | | | c0 = m11, | y2 (t) | | | A1 |
|
|
| z(t) | m21, , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| y |
n 1 |
(t) | | | An |
| z(t) | m |
n 1,1 |
, t, |
|
|
t I. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
| yi (t) | | |
yi 1 (t) | mi 2 , |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
From (1.47) it follows that |
i = 1, n, t, |
t I , |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| y |
|
|
(t) | | a |
|
|
|
|| y (t) | | a |
|
|| y |
|
|
(t) | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
, t, t I. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
n 1 |
0 |
|
|
n |
n 1 |
|
|
An B |
|
* |
|
n 1,2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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1 |
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||||||||||||||
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From the limitations of derivatives |
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(t), i = 1, n 1 we get uniform continuity of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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yi |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
function |
yi (t), i = 1, n 1, t I. The theorem is proved. |
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36
Chapter 1. Absolute stability and Aizerman’s problem of one-dimensional regulated systems
It should be noted that: 1) from estimation | z(t) | c0 , |
t, |
t I we get |
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1 |
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c |
|
< , |
lim | z(t) |=| z( ) | c | z0 |
| |
c B1 * = c0 , |
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0 |
|||||||||
|
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||||||||||||
a |
|
||||||||||||
t |
|
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t, t I |
we get |
lim | |
y(t) |=| y( ) | R |
* |
lim | z |
||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
t |
||
Theorem |
9. |
Let |
the |
conditions |
|
of |
|
the |
|||||
n |
0. |
Then along the solution of the |
|||||||||||
= A1 B1 |
identities are true
a < 0; 2) from estimation | y(t) | m0 ,
|
* |
|
|
|
|
|
(t) | R |
c0 |
= m0 , |
m0 < . |
|||
|
lemmas 6, 7 be satisfied, value system (1.47), (1.50) the following
where
=
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
( (t) = 1 (t) |
1a y (t) |
1a y |
(t), t I, |
||||||||||||||||
|
|
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0 |
1 |
|
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|
|
|
n n 1 |
|
|
|
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|
(t) = |
y (t) y |
(t) |
n |
y |
n 1 |
(t), |
t I , |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
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0 1 |
1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(t) = |
0 |
y |
(t) y |
(t) |
n 1 |
y |
n 1 |
(t) (t), |
t I , |
||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
1 3 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
||||
(t) = y |
|
|
|
(t), |
t I. |
|
|
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|||
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n 1 |
|
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||
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|
(1.56)
(1.57)
(1.58)
Proof. Along the solution of the system (1.51) (v. (1.47), (1.50)) the following identity is true
|
|
|
y |
n 1 |
(t) = (t) |
= a |
y (t) a y |
|
|
(t) a |
|
y |
|
|
(t) ( (t)), |
t I, |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
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0 |
|
|
|
1 |
|
|
1 2 |
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|
n |
n 1 |
|
|
|
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|
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||||||
|
|
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|
n |
|
|
|
0. |
|
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|
where |
= A B |
|
From here we get the identity (1.56). Identity (1.57) follows |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
from (1.50). As |
(t) = |
0 |
y |
(t) y |
2 |
(t) |
n |
y |
n 1 |
(t), t I , |
then and identity |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 |
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|
1 |
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||||||||||||||||||||
(1.58) is true. The theorem is proved. |
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|||||||||||||||||||||||
|
Lemma 8. Let the conditions of the lemmas 6, 7 be satisfied, matrix |
A1 be a Hur- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
witz matrix, function ( ) 1. Then for any constant matrix |
Q |
of (n 2) (n 2) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
order quadratic form |
|
* |
(t)Q (t), (t) = ( (t), y1 (t), , yn 1 (t)) |
can be represented |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
as |
|
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|
* |
(t)Q (t) = q |
2 |
(t) q y |
2 |
(t) q |
|
|
y |
2 |
|
(t) |
|
d |
|
* |
(t)Fz(t)], t |
I = [0, ), (1.59) |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
n 1 |
n 1 |
|
|
[z |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
0 |
|
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1 |
1 |
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|
|
dt |
|
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||||||||
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|
||
where F is a constant matrix of order |
(n 1) (n 1). |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Proof. Let n 1 = n1. It is easy to verify that: |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||
|
a) if n1, k are odd numbers and k n1, then |
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||||||||||||||||||||||||||||||||
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n1 k |
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|||
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|
|
|
d |
|
|
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|
1 |
|
|
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|
y2 |
|
|
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|
|
|
n k |
|
||||||
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|
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|
2 |
|
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||||||||||||||||
|
|
|
|
y |
|
= |
|
y |
|
y |
|
y |
|
|
y |
|
|
|
|
|
( 1) |
|
|
|
|
, k m < |
1 |
|
; |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
n1 1 |
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
k |
|
dt |
|
k |
|
n1 |
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
n1 k |
|
|
2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
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2 |
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37
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
b) if n1 |
is odd, k |
|
|
is an even number and k < n1, then |
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|
n k 1 |
|
|
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|
|
|
|
|
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|||||||||
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|
d |
|
|
|
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|
|
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1 |
|
|
|
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|
||
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|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
= |
|
y |
|
|
y |
|
|
|
y |
|
|
y |
|
|
|
( 1) |
|
2 |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
k |
|
1 |
|
k 1 |
n |
1 |
|
|
|
|
|
|
k 1 |
n k 1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
dt |
|
|
|
|
|
n |
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|
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1 |
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|
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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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|
|
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|
|
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|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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||||||
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|
n k 1 |
|
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|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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||||||||
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1 |
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|
n k 1 |
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|
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|
||||||||||
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|
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( 1) |
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|
2 |
|
|
y |
2 |
|
|
|
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|
|
|
, |
|
k m < |
|
; |
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||
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n k |
1 |
|
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|
1 |
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|
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|
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2 |
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|||||||||||||
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1 |
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||||
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2 |
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Chapter 1. Absolute stability and Aizerman’s problem of one-dimensional regulated systems
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||||||
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As the quadratic form |
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* |
(t)Q (t) |
|
contains terms with constant coefficients of the |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
product of components of the vector |
(t), |
|
then true representation of the form (1.59). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The lemma is proved. |
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Lemma 9. Let the conditions of lemma 8 be satisfied. Then the equality holds |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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* |
(t)Q (t)dt |
|
= |
|
|
[q |
2 |
(t) q y |
2 |
(t) q |
|
|
|
y |
2 |
|
]dt l |
, |
|
|
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(1.60) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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n 1 |
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0 |
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1 |
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|
1 |
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n 1 |
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0 |
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||||||||||
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|
0 |
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|
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|
0 |
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|
d |
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|
l |
|
= |
|
[ y |
* |
(t)Fy(t)]dt = y |
* |
( )Fy( ) y |
* |
(0)Fy(0) = y |
* |
(t)Fy(t) | |
|
, |
|
| l |
|
|< . |
(1.61) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
dt |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|||||
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|
0 |
|
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|
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Proof. Integrating identity (1.59), taking into account the estimate (1.54), where |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| yi |
(0) | mi,1 , |
| |
yi ( ) | mi,1 , |
|
i = 1, n 1, |
|
we |
|
|
obtain |
the |
|
relations |
(1.60), |
|
(1.61). The |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
lemma is proved. |
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Lemma 10. Let the following conditions hold: |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
1. vector function |
|
y(t) = ( y1 |
(t), , yn 1 (t)), |
t I |
= [0, ) |
|
is |
bounded |
|
| y(t) | a, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
t I |
|
and is continuously differentiable, moreover |
| |
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|
t I , |
a < , |
|
c < ; |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
y(t) | c, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2. scalar continuous function V (x) > 0 for any |
x R |
n 1 |
, |
|
|
x |
0, |
|
V (0) = 0; |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
3. improper integral
Then lim y(t) = 0.
t
V ( y(t))dt < .
0
39
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
Proof. Let the conditions of Lemmas 1)-3) be fulfilled. Let us show that |
lim |
y(t) = 0. |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
Suppose the contrary i.e. |
lim y(t) 0. |
Then there is a sequence {tk } [0, ) such |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
that | y |
k |
(t) | > 0, |
k = 1,2, . We choose |
tk 1 tk |
m > 0. |
As y(t), t I |
is conti- |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
|
nuously |
|
differentiable and |
| y(t) |< c, |
t, t I , |
then |
| y(t) y(t |
k |
) | c | t t |
k |
|, |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
t [t |
|
|
m |
, t |
|
|
m |
], |
k = 1,2, . |
Then |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
2 |
k |
2 |
|
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||||||||
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||||
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||
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t |
m |
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k |
2 |
|
|
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|
V ( y(t))dt |
|
V ( y(t))dt, |
|
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|||
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|
|
|
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|
|
0 |
k =1 |
t |
m |
|
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|||
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|
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|
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|
|
|
|
k |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
where |
| y(t) |=| y(tk ) y(t) y(tk ) | | y(tk ) | | |
|||||
t |
m |
|
|
|
|
|
k |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
V ( y(t))dt V |
m, V = |
|
min V (x), then |
|
|
|
min |
min |
0 |
|x| a |
|
t |
|
m |
|
|
||
k |
|
2 |
|
|
|
|
y(t) y(tk ) | c |
m |
= 0 > 0. As |
|
||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
V ( y(t))dt = . |
|
|
0 |
|
|
This contradicts the third condition of the lemma. The proof of Lemma 10 for the
case when
y(t),
t I
is the scalar function is given in [2].
Lecture 8.
Improper integrals and absolute stability in a simple critical case
Based on identities (1.56)–(1.58), assessments (1.53)–(1.55) and taking into account (1.59)–(1.61) estimates of improper integrals can be obtained along the solution of the system (1.51).
Theorem 10. Let the conditions of lemmas 6, 7 be satisfied, matrices |
A, |
A1 |
be |
|
Hurwitz matricies, function |
( ) 1. |
Then along the solution of the system (1.51) |
improper integral
|
|
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I |
|
= |
( (t)) (t)dt = |
[N |
2 |
(t) N y |
2 |
(t) |
N |
|
y |
2 |
|
(t)]dt |
l |
= |
|||||||||
1 |
|
|
|
n 1 |
n 1 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
( ) |
|
|
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|
c |
2 |
|
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|
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|||
|
|
= |
( )d |
|
|
( )d = c1 , | c1 |< , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
(0) |
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
* |
|
|
|
|
* |
|
|
|
* |
(0)F y(0), |
| l |< , |
|
|||||||||
|
|
|
|
= y |
(t)F y(t) | |
= y |
|
( )F y( ) y |
|
||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
where F1 |
is a constant matrix of order (n 1) (n 1). |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Proof. Products |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
( (t)) (t) = 1[ (t) a y (t) a y |
n 1 |
(t)] |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
n |
|
|
|
|
(1.62)
(1.63)
40