научная статья по теме НОВЫЕ ОБОБЩЕНИЯ ЛЕММЫ ПИТЕРСЕНА Автоматика. Вычислительная техника

Текст научной статьи на тему «НОВЫЕ ОБОБЩЕНИЯ ЛЕММЫ ПИТЕРСЕНА»

Автоматика и телемеханика, № 5, 2014

© 2014 г. М.В. ХЛЕБНИКОВ, д-р физ.-мат. наук (khlebnik@ipu.ru) (Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва)

НОВЫЕ ОБОБЩЕНИЯ ЛЕММЫ ПИТЕРСЕНА

Рассматриваются обобщения леммы Питерсена о матричной неопределенности, которая является одним из основных технических средств работы со структурированными матричными неопределенностями и эффективно применяется в разнообразных робастных постановках задач стабилизации и управления.

1. Введение

Реальные системы управления неизбежно содержат неопределенности описания; при этом среди различных моделей неопределенности, используемых при описании систем в пространстве состояний, важное место занимает модель структурированной матричной неопределенности.

Пусть С € §пхп — вещественная симметричная матрица; рассмотрим ее возмущение вида

(1) С + М ДЖ + N ТДТМт,

где Д € Шрхд — возмущающая матрица, а М € Мпхр и N € Шдхп — постоянные "обрамляющие" матрицы соответствующих размерностей, задающие структуру неопределенности. Подчеркнем, что в этой схеме симметричное возмущение задается с помощью матрицы Д, которая не обязана быть ни симметричной, ни даже квадратной.

Такая симметризованная схема структурированной неопределенности естественным образом возникает в задачах, связанных с построением квадратичной функции Ляпунова для динамической системы, матрица которой содержит произвольную, но ограниченную по норме матричную неопределенность Д. Именно этим фактом объясняется многообразие приложений, в которых встречается модель (1).

Предметом изучения в настоящей заметке являются обобщения леммы Пи-терсена [1], отвечающей на вопрос о том, при каких условиях возмущенная матрица (1) является знакоопределенной при всех ограниченных в спектральной норме возмущениях Д:

С + МДЖ + NТДТМт ^ 0 УД: ||Д||2 < 1

(здесь и далее все матричные неравенства понимаются в смысле знакоопределенности матриц).

Лемма Питерсена является одним из основных технических средств работы со структурированными матричными неопределенностями. Она эффективно применяется в разнообразных робастных постановках задач стабилизации и управления (см. например, [2]). В частности, эта лемма является удобным инструментом анализа робастной квадратичной устойчивости систем со структурированной неопределенностью, поскольку позволяет отыскивать общую квадратичную функцию Ляпунова.

Некоторым обобщениям леммы Питерсена, главным образом — на случай нескольких матричных неопределенностей, была посвящена работа [3]. В настоящей заметке сконцентрируемся на вопросе: для каких классов возмущений А (кроме ограниченных в 2-норме) лемма Питерсена остается справедливой.

Предварительные результаты исследования, содержащие обобщение леммы на случай ограниченности возмущающей матрицы во фробениусовой норме, докладывались на конференции [4].

2. Предварительные результаты

Приведем лемму Питерсена в формулировке, в которой фигурируют нестрогие матричные неравенства.

Лемма 1 (Питерсен, [1]). Пусть G = GT € Rnxn, а M € Rnxp, N € Rqxn -ненулевые матрицы. Неравенство

G + MAN + NТДТМТ ^ 0

справедливо для всех A € Rpxq: ЦДЦ2 < 1 тогда и только тогда, когда существует число е такое, что

(2) (GТ -NT) < 0.

Таким образом, лемма Питерсена сводит проверку знакоопределенности семейства (1) к задаче разрешимости линейного матричного неравенства относительно одной скалярной переменной е. Новое, простое доказательство леммы было получено в [3] на основе S-процедуры.

Далее понадобятся следующие предварительные результаты.

Лемма 2. Пусть М € Rpxn, N € Rqxn — ненулевые матрицы, A € Rpxq. Тогда

max trMTAN = ||MNT||F. I|A||f<I

Доказательство. Введем в пространстве матриц скалярное произведение

(M, N) = trMTN.

Тогда

max trMTAN = max tr((MNT)ТД) = max (MNT, A) = ||MNT||F. IIAIIF <1 ||A||F <1 v ||A||F <1

При этом максимум достигается на матрице

- MNт А

||MNT||f " Лемма 2 доказана.

Следствие 1. Пусть a € Rp, b € Rq — ненулевые векторы, А € Rpxq. Тогда: 1.

max aTAb = max aTAb = ||a|| ||Д|Ь<1 ||Д||2<1

причем максимум достигается на матрице

А = ]\аЬТ

2.

max aTAb = ||a -14Д41

при этом, если векторы a и b линейно зависимы, максимум достигается на матрице

~ abT А = -

| a|

в противном случае максимум достигается на матрице

А = e2eT — e1eT,

где e1, e2 — собственные векторы матрицы abT + baT, соответствующие собственным значениям 0 < А1 < Л2.

Доказательство. Первое утверждение очевидно, поскольку для матриц ранга 1 спектральная и фробениусова нормы совпадают. Далее, в силу первого утверждения

max aTAb < ||a||||b||.

........

В случае линейной зависимости векторов a и b утверждение очевидно; рассмотрим противный случай.

Заметим, что abT + baT — матрица ранга 2 с ненулевыми собственными значениями Л1 < Л2 такими, что

Л1 + Л2 = 2aT b, Л2 — Л1 = 2| a

а ее собственные векторы e1 и e2 ортогональны. Тогда

(abT + baT)e1 = Л^,

откуда

А1 = е^ (аЬт + Ьат)в1 = аЬтеь

Аналогично

А2 = ет (аЬт + Ьат)е2 = 2ет аЬте2.

Покажем, что матрица А доставляет искомый максимум. Действительно, А — симметрическая матрица ранга 2 с ненулевыми собственными значениями ±1, поэтому — I ^ А ^ I и

aTA b = aT (e2eT — e1eT)b = aTe2eTb — aTe1eTb =

T 7 T T i t ^2 — A1

= e2 ab e2 — ex ab e\ —

2

Наконец, заметим, что собственные векторы матрицы abT + baT имеют вид

а,11611 ±Ь||а.|| 61,2 ~ ||а||Ь|| ±Ь||а|||| '

Следствие 1 доказано.

3. Обобщения леммы Питерсена

Лемма 3. Пусть G = GT € Rnxn, а M € Rnxp, N € Rqxn — ненулевые матрицы. Тогда каждое из условий

(3) G + MAN + NTATMТ ^ 0 VA: ||A||F < 1

и

(4) G + MAN + NTAMТ ^ 0 VA: — I ^ A ^ I

эквивалентно выполнению (2).

Доказательство. Условие (3) эквивалентно выполнению

xTGx + 2xTMANx < 0 Vx € Rn для всех A: ||A||f < 1, или же

xTGx < —2 max xTMANx Vx € Rn I|A||f <1

С учетом первого утверждения следствия 1 имеем

max xTMANx = max xTMANx Vx € Rn I|A||F <1 1|Д||2<1

и, таким образом, приходим к эквивалентному условию

G + MAN + NTATMT ^ 0 VA: ||A||2 < 1.

Остается воспользоваться леммой Питерсена и получить условие (2).

Второе утверждение леммы 3 доказывается аналогично с учетом второго утверждения следствия 1. Лемма 3 доказана.

Замечание 1. Из доказательства леммы 3 следует, что лемма Питерсена остается справедливой для всех классов возмущений Д € Д, для которых выполнено условие

тах(Д а, Ь) = ||а||||Ь||, где а и Ь — произвольные векторы соответствующих размерностей.

4. Примеры

Пример 1. Рассмотрим задачу проверки квадратичной устойчивости семейства

ж = (А + МДЖ)ж УД: ||Д||^ < 1 с устойчивой номинальной матрицей А.

Как известно, существование общей квадратичной функции Ляпунова

V (ж) = жтдж, д ^ о,

для рассматриваемого семейства эквивалентно выполнению неравенства Ляпунова

(А + мдж)тд + д(А + мдж) ^ о,

или же

Атд + дА + дм дж + N тдтм тд ^ о

при некоторой матрице д >- 0 и при всех неопределенностях ||Д||^ ^ 1. Лемма 3 приводит к эквивалентному условию

/Атд + дА + ежтж дм\ V Мтд -е^ ^0

относительно скалярной переменной е и матричной переменной д >- 0. Поскольку полученное матричное неравенство однородно по д и е, полагаем е = 1 и окончательно имеем:

Атд + дА + Nтж дМ Мтд -/

(5) А д + " " ^ 0.

Таким образом, задача свелась к простой проверке разрешимости линейного матричного неравенства (5) относительно одной матричной переменной

д ^ 0.

Пример 2. При реализации градиентного метода минимизации квадратичного функционала

/(ж) = -хТ Ах — Ьтх

при наличии абсолютных детерминированных помех часто используется предположение, что неизвестная симметрическая матрица А удовлетворяет ограничениям

0 ^ И ^ А ^ Ы

и числа I и Ь известны (см. [5]). В этом случае при оценке области сходимости итерационного процесса естественно возникает условие вида (4).

Автор признателен Б.Т. Поляку и П.С. Щербакову за интерес к работе, плодотворные обсуждения и полезные предложения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Petersen I. A Stabilization Algorithm for a Class of Uncertain Systems // Syst. Control Lett. 1987. V. 8. P. 351-357.

2. Хлебников М.В., Поляк Б.Т., Кунцевич В.М. Оптимизация линейных систем при ограниченных внешних возмущениях (техника инвариантных эллипсоидов) // АиТ. 2011. № 11. С. 9-59.

Khlebnikov M. V., Polyak B. T., Kuntsevich V.M. Optimization of Linear Systems Subject to Bounded Exogenous Disturbances: The Invariant Ellipsoid Technique // Au-tom. Remote Control. 2011. V. 72. No. 11. P. 2227-2275.

3. Хлебников М.В., Щербаков П.С. Лемма Питерсена о матричной неопределенности и ее обобщения // АиТ. 2008. № 11. С. 125-139.

Khlebnikov M. V., Shcherbakov P.S. Petersen's Lemma on Matrix Uncertainty and Its Generalization // Autom. Remote Control. 2008. V. 69. No. 11. P. 1932-1945.

4. Щербаков П.С., Хлебников М.В. Новые обобщения леммы Питерсена о матричной неопределенности // Межд. конф. "Моделирование, управление и устойчивость" (MCS-2012). Севастополь, Украина, 10-14 сентября 2012 г. Симферополь: ДИАЙПИ, 2012. C. 110.

5. Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983.

Статья представлена к публикации членом 'редколлегии О.А. Степановым. Поступила в редакцию 02.07.2013

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком