由G-布朗运动驱动的随机系统稳定性研究

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本文在Peng[57]的G-期望、G-布郎运动和G-随机微分方程理论的基础上,在经典的Lyapunov隐定性理论[44],[45],[61]和比控制理论[29],[76],[78]的启发下,主要讨论了由G-布朗运动驱动的随机系统的均方稳定性和H∞控制问题.具体内容包括:G-随机微分方程解对初值的导数及性质,G-随机微分方程均方稳定性的Lyapunov准则和应用,G-随机系统的稳定化最优控制和H∞控制等问题.详细内容如下:第一章,主要回顾了G-期望理论框架和本文将用到的基本知识,并证明了如下形式的无穷时间区域G-随机微分方程和G-倒向随机微分方程解的存在性和唯一性.定理1.16设b,hij,σj满足Lipschitz条件(1.3.25)和(1.3.27),则G-随机微分方程(1.3.24)在MG,lp(R+,Rn)中存在唯一解.定理1.20设.f,hij满足Lipschitz条件(1.3.25)及(1.3.27),ξ∈LG1(Ω;R),则时域无穷的G-倒向随机微分方程(1.4.32)在MG,l1(R+;Rn)中存在唯一解.第二章,主要讨论G-随机微分方程解对初值x的导数,在G-随机微分方程生成元算子的基础上,证明了函数u(t,x)=E|xstx|2在粘性解意义下所满足的微分性质.具体内容有:定理2.19设b,hij,σj关于t是连续的,V∈C1,2(R+×Rn;R)),V,(?)tV关于x的二阶导数有界且满足Lipschitz条件,则生成元算子L具有下列形式:其中<(?)xV(t,x),h(t,x)>+<(?)xx2Vσ(t,x),σ(t,x)>是Sd(R)中的d×d对称矩阵,具体定义为并求出了G-随机微分方程解对初值的一、二二阶均方导数.定理2.24设G-随机微分方程(1.3.24)的系数b,hij,σj∈Cb1,2(R+×Rn;R),相应的解{XtS,x}t≥s∈MGA[0,T];Rn)则(1.3.24)的解Xts.x于x具有连续的。阶均方导数,并且一阶均方偏导数(?)xkXts,x满足下列G-随机微分方程阶G-偏导数(?)xkxlXts,x满足如下方程其中,(?)xx2b,(?)xx2hij,(?)xx2σj农示向量值函数对x偏导数所对应的分块矩阵,如(?)xx2b=((?)xxbv(u,Xus,x))v=1n∈Rn2×n,这里(?)xxbv是函数bv的Hermite阵.命题2.2设G-随机微分方程满足引理2.25的条件,则u(s,x)=E|Xts,r|2是方程的粘性解.第三章,主要讨论了G-随机微分方程均方稳定的Lyapunov判断准则及其在含不确定系数的随机系统稳定性判断中的应用.具体内容有:定理3.6如果存在V∈C1,2(R+Rn;R),满足如下两条件:(i)对任意(t,x)∈R+×Rn有fV(t,x)≤0,(ii)存在常数c1,c2>0,使得C1|x|2≤V(t,x)≤C2|x|.则G-随机微分方程(3.2.1)是均方稳定的.定理3.7如果存在非负函数V∈C1,2(R+×Rn;R)满足下而两个条件:(i)存在常数A>0,使得(?)V(t.x)≤-λV(t.x).(ii)存在常数c1,c2>0使得,对任意(t,x)∈R+×Rn,C1|x|(t,x)≤C2|x|2.,则G-随机微分方程(3.2.1)是均方指数渐近稳定的.对如下形式的线性随机微分方程,其稳定性有相应的代数判据.其中B,Hij,Cj∈Rn×n",而Lyapunov,函数V(x)具有形式V(x)=xTPx,p∈S+n(R).记分块矩阵H,C如下命题3.13设尸∈S+n(R),满足下列一对线性矩阵不等式其中α取-1或1,则P满足(3.3.16).从而线性G-随机微分方程(3.3.15)是均方指数渐近稳定的.并在一定的条件下讨论了G-随机微分方程Lyapunov准则的必要性.定理3.16设G-随机微分方程(3.3.15)的系数b,hij,σ满足引理3.14的的条件如果G-随机微分方程(3.3.15)是均方指数渐近稳定的,则存在V∈C12(R+×Rn;R)满足不等式(3.3.2)和(3.3.5).在G-随机微分方程Lyapunov判断准则的基础上,我们还讨论了其如下含不确定参数的随机系统的稳定性首先,构造G雨数,令G:Sd(R)→R按如下定义则存在着G-期望及G-正态随机变量η(?)N(0,∑),使得G(A)=1/2E<Aη,η>,相应的次线性期望空间为(Ω,(?),E).定理3.21设b,hij,σj满足引理3,14的条件,则不确定随机系统(3.4.3)一致均方指数渐近稳定的允分必要条件是G-随机微分方程(3.4.6)是均方指数渐近稳定的.第四章,讨论了以H∞范数作为主要指标的G-随机系统鲁棒性问题,具体包括G-随机微分方程的稳定化和基于状态反馈的H∞控制设计.具体内容有:对如下含外界干扰的G-随机系统其中v∈MG2(R+;Rnv)为外界干扰项,z∈,Rnz为观测项,定义算子(?)MG2(R+;Rnv)→MG2(R+;Rnz)如下(?)v=z(·.0,v).算子的范数(?)为如正的H∞范数定理4.4如果存和γ>0,∈C1,2(r+×Rn;R),使得,对任意(t,x.v)∈R+×Rn×Rnv,有HvoV(t,x):=(?)vV(t,x)+mT(t,x,v)m(t,x,v)-γ2|v|2≤0及(3.3.2),则(4.2.1)在R+上是外部稳定的.对如下形式的含外界干扰的G-随机系统还有如下结论:定理4.5设G-随机系统(4.2.11)的系数b.hij,σj满足引理3.14的条件,则下列三个条件是等价的:(i)系统(4.4.1)是内部稳定的;(ii)存在V∈C1,2(R+×Rn;R),Λ,c1,c2>0,使得(?)0V(t,x)≤-λV(t,x), c1|x|2≤V(t,x)≤c2|x|2,(iii)存在M>0,使E|x(x,x0,0)|2≤M|x0|2.且存在二阶导数(?)xx2xV有界的V满足(4.2.12)和(4.2.13).定理4.6如果存在V∈C1,2(R+×Rn;R)及γ>0,使得,对任意(t,x)∈R+×Rn,有其中及(3.3.2),则系统(4.2.11)在R+上是外部稳定的且‖(?)‖≤γ.对如下的由G-随机微分方程来描述的控制系统,考虑其稳定化最优控制.有下列结论.定理4.14设V∈C1,2(R+×Rn;R)及u0(t,x)∈u满足正列条件则,在控制u=u,0(t,x)下,系统(4.3.1)是均方指数渐近稳定的且u0(t,x)为满足最优问题(4.3.2)的最优化稳定控制,同时还有Js,x0(u0)=V(s,x0).我们还讨论了如正形式G-随机系统的状态反馈H∞控制设计问题定理4.18设γ>0,如果存在V∈C1,2(R+×Rn;R),满足其中则为系统(4.4.5)在R+上的状态反馈H∞控制,这里函数λij(t,x)定义为,对任意固定(t,x)∈R+×Rn,使得下式成立的λij为其值:
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