[系統理論] 離散時間系統的穩定度理論 (0) - 先備概念

穩定度理論可追朔至 Aleksandr Lyapunov在 1892 出版的 The General Problem of Stability of Motion 提出，主要是透過建構 Lyapunov 函數 來判別動態系統是否穩定。以下討論我們將以 離散時間 非線性動態系統為主。

現在考慮以下 離散時間 非線性動態系統
\[
x^+ = f(x,u)
\]其中 $x \in \mathbb{R}^n$ 為當前系統狀態 且  $u \in \mathbb{R}^m$ 為當前的控制力；$x^+$ 為下個時刻的系統狀態。且假設 $f: \mathbb{R}^n \times \mathbb{R}^m \to \mathbb{R}^n$ 為連續函數。

定義 $\phi(k; x, {\bf u}) $為在時刻 $k$，對於動態系統 $x^+ = f(x,u)$ 的解 (初始值為 $x(0)=x$ ； 控制力序列 $\bf u$ $:=\{u(0), u(1), ...\}$)

若 控制律 $u := \kappa (x)$ 決定，則系統閉迴路可表為
\[
x^+ = f(x,\kappa(x)):=f_c(x)
\]注意到 $\kappa(\cdot)$ 不一定為連續函數，此時對應的 $f(x, \kappa(\cdot))$ 亦不一定為連續。對此不連續的情況我們額外假設 $f_c(\cdot)$ 為 局部有界(locally bounded)。

目標：我們希望 控制系統 要"穩定"。

在此所謂的穩定 意指 控制系統對於 初始狀態 的小擾動 不會 導致 閉迴路系統響應 大幅度擾動 且 系統狀態能夠收斂到指定的狀態 或者 收斂到指定的 狀態集合 (此情況多半發生在有外部干擾的時候)。


以下我們會針對定義 系統的 穩定度 與 漸進穩定度；在介紹之前我們需要先定義一些名詞：首先是 如何指出系統狀態的收斂

============
Definition: Equilibrium Point or Steady-State
狀態 $x^*$ 被稱作 $x^+ = f(x)$ 的 平衡點(equilibrium point) 若 $$x(0) = x^* \Rightarrow x(k) = \phi(k;x^*) = x^*, \;\; \forall k \ge 0$$
============

Comment:
1. 上述定義表示 $x^*$ 為 平衡點 若其滿足 $x^* = f(x^*)$
2. equilibrium point 為 被隔離的(isolated) 若在 $x^*$ 附近沒有其他的平衡點。
3. 非線性系統可能有多個 被隔離的平衡點


Example: Equilibrium Point of Linear System
考慮離散時間線性系統
\[
x^+  = Ax +b
\]具有平衡點 $x^*$ 則
\[\begin{array}{l}
{x^ + } = Ax + b\
 \Rightarrow {x^*} = A{x^*} + b\\
 \Rightarrow \left( {I - A} \right){x^*} = b
\end{array}\]若 $I-A$ 反矩陣存在，則我們說 此線性系統有 unique (isolated) 平衡點
\[{x^*} = {\left( {I - A} \right)^{ - 1}}b\]若 $I-A$ 反矩陣不存在，則我們說此線性系統有 連續統 (continuum) $\{x: (I-A) x=b\}$ 的平衡點。


若我們考慮 震盪系統 的穩定度，則此時不再是討論 是否收斂到某個狀態 (平衡點)；而是討論收斂到某個集合。以下我們給出此類集合所需的定義：

=============

Definition: Positive Invariant Set
一個集合 $\mathcal{A}$ 稱作 positive invariant for system $x^+ = f(x)$ 若下列條件成立：
\[
x \in A \Rightarrow f(x) \in \mathcal{A}
\]=============

Comment:

1. Positive 來自於 $x^+ = f(x)$ 為動態系統隨時間 $k$ "增加" 而持續變動。
2. 考慮 closed set $\mathcal{A}:=\{x^*\}$ 且 $x^*$ 為系統 $x^+ = f(x)$ 的平衡點，則

\[
x \in \mathcal{A}\;\; (\text{since} \;x^* \in \mathcal{A}) \Rightarrow f(x) \in \mathcal{A} \;\;(\text{since} \;f(x) = x^*)
\]

=============

Definition: K, K infinity, KL function
一個函數 $g: \mathbb{R}_{\ge 0} \to \mathbb{R}_{\ge 0}$ 為 $\mathcal{K}$ 類函數若下列條件滿足：

1. $g$ 為連續
2. $g(0) = 0$
3. 嚴格遞增(strictly increasing)；亦即 $\forall x,y$，$y > x \Rightarrow g(y) > g(x)$

我們說 一個函數 $g: \mathbb{R}_{\ge 0} \to \mathbb{R}_{\ge 0}$ 為 $\mathcal{K}_\infty$ 類函數若下列條件滿足：

1. $g$ 為 $\mathcal{K}$ 類函數
2. 當 $t \to \infty$，$g(t) \to \infty$

我們說一個函數 $h: \mathbb{R}_{\ge 0} \times \mathbb{Z}_{\ge 0} \to \mathbb{R}_{\ge 0}$ 為 $\mathcal{KL}$ 類函數若下列條件滿足：

1. 對任意 $t \ge 0$，$h(\cdot, t)$ 為 $\mathcal{K}$ 類函數
2. 對任意 $s \ge 0$，$h(s, \cdot)$ 為非遞增(nonincreasing) 且 滿足 $\lim_{t\to \infty} h(s,t) =0$

=============

Example

1. $g(x) := x$  為 $\mathcal{K}$類函數 (亦為 $\mathcal{K}_\infty $ 函數)

2. $erf(x)$ 為  $\mathcal{K}$類函數

以下我們將前述 $\mathcal{K}$類函數的重要性質：

=============

FACT 1: Inverse K function is a K function
若 $\alpha_1(\cdot), \alpha_2(\cdot)$ 為 $\mathcal{K}$ 類函數 (或者 $\mathcal{K}_\infty$ 函數)，則其反函數 $\alpha_1^{-1}(\cdot), \alpha_1^{-1}(\cdot)$ 亦仍為 $\mathcal{K}$ 類函數 (或者 $\mathcal{K}_\infty$ 函數)

=============

Proof: omitted

=============

FACT 2: 
若 $\alpha_1(\cdot)$ 與 $\alpha_2(\cdot)$ 為  $\mathcal{K}$ 類函數 且 $\beta(\cdot)$ 為 $\mathcal{KL}$ 函數，則 $\sigma (r,s): = {\alpha _1}(\beta \left( {{\alpha _2}\left( r \right)} \right),s)$ 為 $\mathcal{KL}$函數。

=============

Proof: omitted


有了以上定義我們可以開始引入 穩定度 的嚴格定義。以下我們考慮 $x^+ = f(x)$ 且假設 $f(\cdot)$ 為 局部有界(locally bounded) 且集合 $A$ 為 closed 與 positive invariant 。

==================
Definition: Local Stability (Stability in Lyapunov Sense)
給定 closed positive invariant 集合 $\mathcal{A}$ 。我們稱 此集合 $\mathcal{A}$ 為 locally stable for $x^+ = f(x)$ 若下列條件成立：
對任意 $\varepsilon>0$ 存在 $\delta >0$ 使得對任意 $i \in Z_{\ge 0}$， $|x|_\mathcal{A} < \delta \Rightarrow |\phi(i; x)|_\mathcal{A} < \varepsilon$
其中 $|x|_\mathcal{A} := \inf_{z \in \mathcal{A}} |x - z|$ 

==================

Example:
考慮 $A:= \{0\}$ 則 Local Stability 可由下圖得知

上圖顯示了若給定任意初始位置 $x$ 且此 $x$ 與原點 $A:=\{0\}$ 距離落在 開球 $B_{\delta}$ 之中，且若系統 $x^+ = f(x)$ 隨時間變化演進，其解 $\phi(i,x)$ 到原點距離 $A=\{0\}$ 持續落在另一開球 $B_\varepsilon$之中，故此系統稱為 Local stable。

======================
Definition: Global Attraction
給定 closed positive invariant 集合 $\mathcal{A}$ 。我們說此集合 $A$ 為 globally attractive for system $x^+ = f(x)$ 若下列條件成立：
\[
|\phi(i;x)|_\mathcal{A} \to 0 \text{ as $i \to \infty$} \;\; \forall x\in \mathbb{R}^n
\]======================

======================

Definition: (Global Asymptotic Stability (GAS))

給定  closed positive invariant 集合 $\mathcal{A}$ 為 globally asymptotically stable for system $x^+ = f(x)$ 若下列條件成立：

$\mathcal{A}$ 為 locally stable 且 globally attractive
======================

Comment:
考慮 $\mathcal{A}:=\{0\}$，有可能 globally attractive 但並非 locally stable。比如說考慮\[
x^+ = Ax + \phi(x)
\]其中 $A$ 有 eigenvalue $\lambda_1 = 0.5$ 與 $\lambda_2 = 2$ 且對應的 eigenvector 為 $w_1, w_2$且 $\phi(\cdot)$為 平滑函數 滿足 $\phi(0) = 0$ 與 ${\left. {\frac{\partial }{{\partial x}}\phi (x)} \right|_{x = 0}} = 0$

故在 $0$ 附近，$x^+ = Ax + \phi(x)$ 行為將會非常接近 $x^+ = Ax$ ；故若 $\phi(x) =0$ 則 特徵向量$w_1$ 因為具有特徵值 $\lambda_1 = 0.5$ (落在 unit circle 之中)故此特徵向量會迫使狀態收斂到 $0$點，但 特徵向量 $w_2$ 具有不穩定的特徵值 $\lambda_2 = 2$ 故此特徵向量會迫使狀態發散。故總和此兩者，可知儘管有 globally attractive 但卻沒有 stable origin ($\mathcal{A}:=\{0\}$無法滿足 local stability 定義)


以下我們將相關的穩定度定義總結如下：
=============================
Definition: Stability without constraint
給定 closed positive invariant 集合 $\mathcal{A}$ 為

1. locally stable 若 對任意 $\varepsilon >0$ 存在 $\delta >0$ 使得對任意 $i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}$ $|x|_\mathcal{A} < \delta \Rightarrow |\phi(i;x)|_\mathcal{A} <\varepsilon $
2. unstable 若 其 不為 locally stable
3. locally attractive 若 存在 $\eta >0$ 使得 $|x|_\mathcal{A} < \eta \Rightarrow |\phi(i;x)|_\mathcal{A} \to 0\;\; \text{as $i \to \infty$} $
4. globally attractive 若對任意 $x \in \mathbb{R}^n$， $|\phi(i;x)|_\mathcal{A} \to 0\;\; \text{as $i \to \infty$} $ 
5. locally asymptotically stable 若其為 locally stable 與 locally attractive
6. globally asymptotically stable 若其為 locally stable 與 globally attractive
7. locally exponentially stable 若 存在 $\eta >0, c>0$ 與 $\gamma \in (0,1)$ 使得 對任意 $i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}$ 而言， $|x|_\mathcal{A} < \eta \Rightarrow |\phi(i;x)|_{\mathcal{A}} \le c |x|_\mathcal{A} \gamma^i$
8. globally exponentially stable 若 存在 $c>0$ 與 $\gamma \in (0,1)$ 使得 對任意 $i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}$ 而言， $|\phi(i;x)|_{\mathcal{A}} \le c |x|_\mathcal{A} \gamma^i$

=============================

以下結果將前述穩定度定義 與 KL 函數做連結：
=============================
FACT: (Globally Asymptotic Stable and KL function)
令集合 $\mathcal{A}$ 為 compact 且 positive invariant； $f(\cdot)$ 為連續函數。則 $\mathcal{A}$ 為 globally asymptotic stable for $x^+ = f(x)$ 若且唯若 存在 $\mathcal{KL}$ 函數 $\beta(\cdot)$ 使得 對任意 $x \in \mathbb{R}^n$，
\[
|\phi(i;x)|_\mathcal{A} \le \beta(|x|_\mathcal{A},i)\;\; \forall i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}
\]=============================

另外，實際上若考慮系統狀態有拘束的情形，則 globally asymptotic stability 並不保證能夠達成，此時我們需要再次拓展前述定義來滿足有拘束的情況：

=============================
Definition: Stability with Constraint Set X
假設狀態拘束集合  $X \subset \mathbb{R}^n$ 為 positive invariant for $x^+ = f(x)$ 且集合 $\mathcal{A}$  closed positive invariant for $x^+ = f(x)$  且 $\mathcal{A} \subset int(X)$  ( $int(X) :=$ interior of $X$) 則我們說集合 $\mathcal{A}$ 為

1. locally stable in $X$ 若 對任意 $\varepsilon >0$ 存在 $\delta >0$ 使得對任意 $i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}$ $x \in X \cap (\mathcal{A} \oplus  B_\delta) \Rightarrow |\phi(i;x)|_\mathcal{A} <\varepsilon $
2. locally attractive in $X$ 若 存在 $\eta >0$ 使得 $x \in X \cap (\mathcal{A} \oplus  B_\delta) \Rightarrow |\phi(i;x)|_\mathcal{A} \to 0\;\; \text{as $i \to \infty$} $
3. attractive in $X$ 若 $ |\phi(i;x)|_\mathcal{A} \to 0\;\; \text{as $i \to \infty$} \; \forall x \in X$
4. locally asymptotically stable in $X$ 若其為 locally stable in $X$ 與 locally attractive in $X$
5. asymptotically stable  with region of attraction $X$ 若其為 locally stable in $X$ 與 attractive in $X$。
6. locally exponentially stable with region of attraction $X$ 若 存在 $\eta >0, c>0$ 與 $\gamma \in (0,1)$ 使得 對任意 $i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}$ 而言， $x \in X \cap (\mathcal{A} \oplus  B_\eta) \Rightarrow |\phi(i;x)|_{\mathcal{A}} \le c |x|_\mathcal{A} \gamma^i$
7. globally exponentially stable with region of attraction $X$ 若 存在 $c>0$ 與 $\gamma \in (0,1)$ 使得 對任意 $i \in \mathbb{Z}_{\ge 0}$ 而言， $|\phi(i;x)|_{\mathcal{A}} \le c |x|_\mathcal{A} \gamma^i$

=============================

延伸閱讀
[系統理論] 離散時間系統的穩定度理論 (1) - Lyapunov Stability Theory


ref: J. B. Rawlings and D. Q. Mayne, "Model Predictive Control: Theory and Design", 2009