АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЖЕСТКИХ СИСТЕМ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
Аннотация
Предложен метод анализа устойчивости в смысле Ляпунова систем обыкновенных
дифференциальных уравнений. Метод базируется на критериях устойчивости в виде необхо-
димых и достаточных условий, полученных на основе векторно-матричных преобразований
разностных схем численного интегрирования. Представлены разновидности критериев в
мультипликативной, аддитивной и матричной форме. Конструкция критериев влечет воз-
можность их программной реализации. Для повышения достоверности анализа устойчиво-
сти приближения решения, входящего в конструкцию критериев, находятся на основе кусоч-
но-интерполяционной аппроксимации полиномами Лагранжа, преобразованными к форме с
числовыми коэффициентами. Проведен программный и численный эксперимент по анализу
устойчивости модели периодической реакции Белоусова-Жаботинского, относящейся к классу жестких систем, при заданных начальных условиях. Анализ выполняется на основе пред-
ставленных критериев и по результатам работы программы однозначно определяется ха-
рактер устойчивости в режиме реального времени. На основе результатов эксперимента
можно утверждать, что замена разностных приближений решения на кусочно-
интерполяционные приближения повышает достоверность анализа устойчивости, сокраща-
ет время исследования, позволяет определять асимптотические свойства решения. В целом
предложенный подход является альтернативой методам качественной теории дифференци-
альных уравнений и дает возможность в режиме реального времени достоверно установить
характер устойчивости жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
Литература
nelineynykh dinamicheskikh sistem pri postoyanno deystvuyushchikh vozmushcheniyakh
[tability of nonlinear dynamical system motion under constantly acting perturbations],
Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki [Scientific
and technical journal of information technologies, mechanics and optics], 2019, Vol. 19, No. 2,
pp. 216-221.
2. Mironov V.V., Mitrokhin Yu.S. Tekhnologicheskiy podkhod k issledovaniyu ustoychivosti
dinamicheskikh sistem: prikladnye voprosy [Constructive approach to the research of dynamic
systems stability: applied problems], Vestnik RGRTU [Vestnik of RSREU]. 2017, No. 59,
pp. 127-135.
3. Aleksandrov A.Yu., Zhabko A.P., Kosov A.A. Analiz ustoychivosti i stabilizatsiya nelineynykh
sistem na osnove dekompozitsii [Analysis of stability and stabilization of nonlinear systems
via decomposition], Sibirskiy matematicheskiy zhurnal [Siberian mathematical journal]. 2015,
Vol. 56, No. 6, pp. 1215-1233.
4. Hammarling S.J. Numerical solution of the stable, non-negative definite Lyapunov equation,
IMA J. of Num. Analysis, 1982, Vol. 2, No. 3, pp. 303-323.
5. Luyckx L., Loccufier M., Noldus E. Computational methods in nonlinear stability analysis:
stability boundary calculations, J. Comput. Appl. Math, 2004, Vol. 168, No. 12, pp. 289-297.
6. Giesl P., Hafstein S. Computation of Lyapunov functions for nonlinear discrete time systems
by linear programming, J. Difference Equ. Appl, 2014, Vol. 20, No. 4, pp. 610-640.
7. Olgac N., Sipahi R. A practical method for analyzing the stability of neutral type LTI-time
delayed systems, Automatica, 2004, Vol. 40, No. 5, pp. 847-853.
8. Hafstein S. A constructive converse Lyapunov theorem on asymptotic stability for nonlinear
autonomous ordinary differential equations, Dynamical Systems, 2005, Vol. 20, pp. 281-299.
9. Romm Ya.E. Komp'yuterno-orientirovannyy analiz ustoychivosti na osnove rekurrentnykh
preobrazovaniy raznostnykh resheniy obyknovennykh differentsial'nykh uravneniy [Computeroriented
stability analysis based on recurrent transformation of difference solutions of ordinary
differential equations], Kibernetika i sistemnyy analiz [Cybernetics and Systems Analysis],
2015, Vol. 51, No. 3, pp. 107-124.
10. Bulanov S.G. Analiz ustoychivosti sistem lineynykh differentsial'nykh uravneniy na osnove
preobrazovaniya raznostnykh skhem [Stability analysis of systems of linear differential equations
based on transformation of difference schemes], Mekhatronika, avtomatizatsiya,
upravlenie [Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie], 2019, Vol. 20, No. 9, pp. 542-549.
11. Romm Ya.E., Bulanov S.G. Programmnye kriterii ustoychivosti resheniya zadachi Koshi dlya
sistem lineynykh differentsial'nykh uravneniy na osnove raznostnykh skhem chislennogo
integrirovaniya [Program stability criteria for the solution of the Cauchy problem for systems
of linear differential equations based on difference numerical integration schemes], Izvestiya
vuzov. Severo-Kavkazskiy region. Tekhnicheskie nauki. Spetsial'nyy vypusk «Matematicheskoe
modelirovanie i komp'yuternye tekhnologii» [University news. North-caucasian region. Technical
sciences series. Special issue «Mathematical Modeling and Computer Technologies»],
2004, pp. 75-80.
12. Romm Ya.E., Bulanov S.G. Chislennyy eksperiment po komp'yuternomu analizu ustoychivosti
resheniy obyknovennykh differentsial'nykh uravneniy na osnove kriteriev matrichnogo vida
[Computer analysis of the stability of systems of linear differential equations with nonlinear
addition], Dep. v VINITI [Dep. in VINITI], 14.08.17, No. 89, 20 p.
13. Romm Ya.E., Bulanov S.G. Komp'yuternyy analiz ustoychivosti sistem lineynykh
differentsial'nykh uravneniy s nelineynoy dobavkoy [Computer analysis of the stability of systems
of linear differential equations with nonlinear addition], Dep. v VINITI [Dep. in VINITI],
11.03.10, No. 147, 33 p.
14. Romm Ya.E. Modelirovanie ustoychivosti po Lyapunovu na osnove preobrazovaniy
raznostnykh skhem resheniy obyknovennykh differentsial'nykh uravneniy [Modeling of stability
according to Lyapunov based on difference schemes transformations for solutions of ordinary
differential equations], Matematicheskoe modelirovanie [Mathematical Modeling], 2008,
Vol. 20, No. 12, pp. 105-118.
15. Romm Ya.E., Dzhanunts G.A. Kusochnaya interpolyatsiya funktsiy, proizvodnykh i integralov
s prilozheniem k resheniyu obyknovennykh differentsial'nykh uravneniy [Piecewise interpolation
of functions, derivatives and integrals with application to the solution of ordinary differential
equations], Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern high technologies], 2020, No.
12 (part 2), pp. 291-316.
16. Dzhanunts G.A., Romm Ya.E. Var'iruemoe kusochno-interpolyatsionnoe reshenie zadachi
Koshi dlya obyknovennykh differentsial'nykh uravneniy s iteratsionnym utochneniem [The
varying piecewise interpolation solution of the Cauchy problem for ordinary differential equations
with iterative refinement], Zhurnal vychislitel'noy matematiki i matematicheskoy fiziki
[Computational Mathematics and Mathematical Physics Journal], 2017, Vol. 57, No. 10,
pp. 1616-1634.
17. Romm Ya.E. Komp'yuterno-orientirovannyy analiz ustoychivosti resheniy differentsial'nykh
sistem [Computer-oriented stability analysis of solutions of differential systems], Sovremennye
naukoemkie tekhnologii [Modern high technologies], 2020, No. 4, pp. 42-63].
18. Bulanov S.G. Computer analysis of differential systems stability based on linearization and
matrix multiplicative criteria, Journal of Physics: Conf. Series, 2021, 1902 012101.
19. Khayrer E., Vanner G. Reshenie obyknovennykh differentsial'nykh uravneniy. Zhestkie i
differentsial'no-algebraicheskie zadachi [Solving ordinary differential equations. Rigid and differential-
algebraic problems]. Moscow: Mir, 1999, 685 p.
20. Doban A., Lazar M. Computation of Lyapunov functions for nonlinear differential equations
via a Yoshizawa-type construction, 10th IFAC Symp. on Nonlinear Control Systems NOLCOS:
IFAC-PapersOnLine, 2016, pp. 29-34.
21. Zhaolu T., Chuanqing G. A numerical algorithm for Lyapunov equations, J. Appl. Math.
Comput, 2008, Vol. 202, No. 1, pp. 44-53.
22. Xiao-Lin L., Yao-Lin J. Numerical algorithm for constructing Lyapunov functions of polynomial
differential systems, J. Appl. Math. Comput, 2009, Vol. 29, No. 1-2, pp. 247-262.