第37卷 第5期2009年9月河南师范大学学报(自然科学版)J ournal of Henan N ormal Universit y(N atural Science) V ol.37 N o.5 Se pt.2009 文章编号:1000-2367(2009)05-0011-03不确定线性时滞系统新的鲁棒稳定性分析陈永刚,白春阳(河南科技学院数学系,河南新乡453003)摘 要:考虑了一类含有时变时滞的不确定线性系统的鲁棒稳定性问题.基于新构造的L yapunov函数和自由权矩阵方法,得到了较小保守的时滞相关的稳定性准则.数值例子说明了所得结果的有效性和较小保守性.关键词:线性系统;稳定性;时变时滞;线性矩阵不等式中图分类号:TP273文献标识码:A在许多实际系统中,时滞现象是经常存在的.时滞的存在往往会导致系统的不稳定性和系统性能变差,因此在过去20年内,时滞系统的稳定性分析和控制综合问题受到很多学者关注[1-5].通过利用新的L ya2 p unov函数,本文进一步考虑了含有不确定参数的线性时滞系统的鲁棒稳定性问题.所构造的L yap unov函数将充分利用系统状态x(t),x(t-δ1(t)),x(t-h(t)),x(t-δ2(t))和x(t-h)的信息.而且为了减小可能的保守性,引入了自由权矩阵来表示x(t),x(t-δ1(t),x(t-h(t)),x(t-δ2(t)和x(t-)之间的关系.所得结果用线性矩阵不等式表示,该结果能很好的用Matlab中的L M I工具箱求解.最后,两个数值例子说明了所得的稳定性准则改进了文献[4-5]中的结果.1 问题描述考虑如下一类含有时变时滞的不确定线性系统:x(t)=(A+ΔA)x(t)+(B+ΔB)x(t-h(t)),t>0;x(s)=φ(s),Πs∈[-h,0],(1)其中x(t)∈R n是系统状态向量,A,B是具有相应维数的已知实常矩阵,φ(t)是初始状态函数,h(t)是时变时滞且满足0Φh(t)Φh和h(t)Φμ.ΔA和ΔB表示不确定参数且满足:[ΔAΔB]=D F(t)[E a E b],其中D,E a,E b是具有相应维数的已知常矩阵,F(t)是未知矩阵且满足F T(t)F(t)ΦI.2 主要结果首先考虑系统(1)不含参数不确定性的情形,即下面标称系统的稳定性:x(t)=A x(t)+B x(t-h(t)),t>0;x(s)=φ(s),Πs∈[-h,0].(2)定理1 对于给定的常数h和μ,系统(3)是渐近稳定的,如果存在对称正定矩阵P>0,Q i>0,i=1, 2,3,4,R>0和矩阵M j,N j,U j,V j,j=1,2,3,4,5,使得下面的线性矩阵不等式成立:Ξ1=(Ωij)5×5hΨT R h2Mh2N3-hR0033-h2R0333-h2R<0,Ξ2=(Ωij)5×5hΨT Rh2Uh2V3-hR0033-h2R0333-h2R<0,(3)收稿日期:2009-02-22基金项目:河南科技学院自然科学基础研究计划项目(6053)作者简介:陈永刚(1981-),男,河南西平人,河南科技学院讲师,研究方向:时滞系统,神经网络.其中3表示矩阵中对称位置中元素的转置,Ψ=[A 0 B 0 0],且Ω11=PA+A T P+Q1+Q2+Q3+Q4+M1+MT1,Ω12=M T2-M1+N1,Ω13=P B+M T3-N1+U1,Ω14=M T4-U1+V1,Ω15=M T5-V1,Ω22=-(1-μ2)Q1-M2-M T2+N2+N T2,Ω23=-M T3+N T3-N2+U2,Ω24=N T4-M T4-U2+V2,Ω25=N T5-M T5-V2,Ω33=-(1-μ)Q2-N3-N T3+U3+U T3,Ω34=-N T4+U T4-U3+V3,Ω35=-N T5+U T5-V3,Ω44=-(1-μ2)Q3-U4-U T4+V4+V T4,Ω45=-U T5+V T5-V4,Ω55=-Q4-V5-V T5,M=[M T1M T2M T3M T4M T5], N=[N T1 N T2 N T3 N T4 N T5],U=[U T1 U T2 U T3 U T4 U T5],V=[V T1 V T2 V T3 V T4 V T5].证明 选取标称系统(2)的L yap unov函数为:V(t)=x T(t)Px(t)+∫t t-δ1(t)x T(s)Q1x(s)d s+∫t t-h(t)x T(s)Q2x(s)d s+∫t t-δ2(t)x T(s)Q3x(s)d s+∫t t-h x T(s)Q4x(s)d s+∫0-h∫t t+θ x T(s)R x(s)d s dθ,δ1(t)=h(t)2,δ2(t)=h(t)+h2.(4) V(t)沿着系统(2)对t求导可得:V(t)Φ2x T(t)P x(t)+x T(t)(Q1+Q2+Q3+Q4)x(t)-(1-μ2)x T(t-δ1(t))Q1x(t-δ1(t))-(1-μ)x T(t-h(t))Q2x(t-h(t))-(1-μ2)x T(t-δ2(t))Q3x(t-δ2(t))-x T(t-h)Q4x(t-h)+h x T(t)R x(t)-∫t t-h x T(s)R x(s)d s.(5)根据Leibniz2Newton公式,对于具有相应维数的矩阵M,N,U和V,可得下面方程成立:2ξT(t)M T[x(t)-x(t-δ1(t))-∫t t-δ1(t) x(s)d s]=0,(6)2ξT(t)N T[x(t-δ1(t))-x(t-h(t))-∫t-δ1(t)t-h(t) x(s)d s]=0,(7)2ξT(t)U T[x(t-h(t))-x(t-δ2(t))-∫t-h(t)t-δ2(t) x(s)d s]=0,(8)2ξT(t)V T[x(t-δ2(t))-x(t-h)-∫t-δ2(t)t-h x(s)d s]=0,(9)其中M,N,U,和V和定理1中定义相同,且ξT(t)=[x T(t) x T(t-δ1(t) x T(t-h(t)) x T(t-δ2(t) x T(t-h)].利用不等式±2a T bΦa T Qa+b T Q-1b(a,b为实向量,Q为正定矩阵),可得:-2ξT(t)M T∫t t-δ1(t) x(s)d sΦh(t)2ξT(t)M T R-1Mξ(t)+∫t t-δ1(t) x T(s)R x(s)d s,(10)-2ξT(t)N T∫t-δ1(t)t-h(t) x(s)d sΦh(t)2ξT(t)N T R-1Nξ(t)+∫t-δ1(t)t-h(t) x T(s)R x(s)d s,(11)-2ξT(t)U T∫t-h(t)t-δ2(t) x(s)d sΦh-h(t)2ξT(t)U T R-1Uξ(t)+∫t-h(t)t-δ2(t) x T(s)R x(s)d s,(12)-2ξT(t)V T∫t-δ2(t)t-h x(s)d s<h-h(t)2ξT(t)V T R-1Vξ(t)+∫t-δ2(t)t-h x T(s)R x(s)d s.(13)把方程(6)-(9)左端加到V(t),并利用(10)-(13)式可得:V(t)ΦξT(t)[(Ωij)5×5+hΨT RΨ+h(t)2M T R-1M+h(t)2N T R-1N+h-h(t)2U T R-1U+h-h(t)2V T R-1]ξ(t)=h(t)hξT(t)[(Ωij)5×5+hΨT RΨ+h2M T R-1M+h2N T R-1]ξ(t)+h-h(t)hξT(t)・[(Ωij)5×5+hΨT RΨ+h2U T R-1U+h2V T R-1]ξ(t),(14)21河南师范大学学报(自然科学版) 2009年其中(Ωij )5×5,Ψ与定理1中的定义相同.由上式可知,如果矩阵不等式(Ωij )5×5+hΨT R Ψ+h 2M T R -1M +h2N T R-1N <0和(Ωij )5×5+hΨT R Ψ+h 2U T R -1U +h 2V T R -1V 成立,可得 V (t )<0,从而能够保证标称系统(3)渐近稳定.由舒尔补性质可知,线性矩阵不等式(4)和(5)分别等价于(Ωij )5×5+h ΨT R Ψ+h2M T R-1M +h2N T R-1N <0和(Ωij )5×5+hΨTR Ψ+h2U T R -1U +h2V T R -1V.证毕.利用一般的处理不确定参数的方法[2-4],很容易得到系统(1)的鲁棒稳定性准则.定理2 对于给定的常数h 和μ,系统(1)是鲁棒渐近稳定的,如果存在正定矩阵P >0,Q i >0,i =1,2,3,4,R >0,矩阵M j ,N j ,U j ,V j ,j =1,2,3,4,5,以及常数ε>0使得下面的线性矩阵不等式成立:Ξ1 H ε1E T3-ε1I33-ε1I<0,Ξ2H ε2E T3-ε2I33-ε2I<0,(15)其中Ξ1,Ξ2和定理1中相同,且 H =[H TP 0 0 0 0 h H TR 0 0]T, E=[E a 0 E b 0 0 0 0 0].3 数值例子例1 考虑标称系统(2),其中:A=-2 0 0-0.9,B=-1 0-1-1,μ=1.文献[4]和[5]给出的允许时滞界分别为1.345和1.868.利用本文定理1,可得更大的时滞界1.960.例2 考虑不确定时滞系统(1),其中相关参数定义如下:A =-0.5-2 1-1,B =-0.5-1 0 0.6,H =1001,E a =0.2000.2,E b =0.2000.6.当μ=0.5和μ=0.9时,文献[4]中给出的允许时滞界为0.3420和0.3378.利用本文定理2,容易得到时滞界为0.4006和0.3998.显然,对于这个例子,本文结果较文献[4]降低了保守性.参 考 文 献[1] Gu K ,Kharitonov V L ,Chen J.Stability of time 2delay systems [M ].Boston :Birkh user ,2003.[2] Wu M ,He Y ,She J H ,et al.Delay 2dependent criteria for robust stability of time 2varying delay systems indent [J ].Automatica ,2004,40(8):1435-1439.[3] 陈永刚,陈科委,毕卫萍.一类中立型时滞系统的时滞依赖保性能控制[J ].河南师范大学学报(自然科学版),2006,34(4):28-31.[4] He Y ,Wang Q G ,Xie L.Furt her improvement of free 2weighting matrices technique for systems wit h time 2varying delay [J ].IEEETrans Autom Control ,2007,52(2):293-299.[5] Park P ,K o J W.Stability and robust stability for systems wit h a time 2varying delay [J ].Automatica ,2007,43(10):1855-1858.N e w Robust Stability Analysis for U ncertain Linear Time 2Delay SystemsC H EN Y ong 2gang ,BA I Chun 2yang(Depart ment of Mat hematics ,Henan Institute of Science and Technology ,Xinxiang 453003,China )Abstract :This paper considers the robust stability problem for uncertain linear systems with time 2varying delay.Basedon the new constructed L yapunov f unctional and f ree weight matrix method ,the less conservative delay 2dependent stability cri 2teria are obtained.Numerical examples are given to show the effectiveness and less conservativeness of the obtained results.K ey w ords :linear systems ;stability ;time 2varying delay ;linear matrix inequality (L MI )31第5期 陈永刚等:不确定线性时滞系统新的鲁棒稳定性分析。