Simple Stability Conditions of Linear Switched Systems with Time-Dependent Switching

Abstract
In this paper, the stability of continuous-time and discrete-time linear switched systems with time-dependent switching is investigated. Solutions to the state equations are provided and sufficient conditions for the stability of such systems are established. The stability conditions presented for continuous-time systems are valid in the following cases: 1) there are no specific restrictions on the switching function if each switching interval is equal to or greater than 1 second; 2) the switching function has to be a periodic function (or a function describing permutations of identical sequences of subsystems) if at least one of the switching intervals is less than 1 second. In the case of discrete-time systems the switching function is arbitrary. The effectiveness of the presented approach is demonstrated by numerical examples.
Keywords
continuous-time, discrete-time, linear switched system, stability, time-dependent switching
Proste warunki stabilności liniowych układów przełączalnych z przełączaniem zależnym od czasu
Streszczenie
W artykule zbadano stabilność ciągłych i dyskretnych liniowych układów przełączalnych z przełączaniem zależnym od czasu. Podano rozwiązania równań stanu i wyznaczono warunki wystarczające stabilności takich układów. Warunki przedstawione dla układów ciągłych są słuszne w następujących przypadkach: 1) nie ma szczególnych ograniczeń na funkcję przełączania, jeżeli każdy przedział czasu w kolejnych przełączeniach jest nie krótszy niż 1 sekunda; 2) funkcja przełączająca musi być funkcją okresową (lub funkcją opisującą permutacje identycznych sekwencji załączanych podukładów), jeżeli co najmniej jeden z przedziałów czasu w kolejnych przełączeniach jest krótszy od 1 sekundy. W przypadku układów dyskretnych funkcja przełączająca jest dowolna. Skuteczność zaprezentowanego podejścia pokazano na przykładach numerycznych.
Słowa kluczowe
ciągły, dyskretny, liniowy, przełączanie zależne od czasu, stabilność, układ przełączalny
Bibliografia
- Morse A.S. (editor), Control Using Logic-Based Switching, “Lecture Notes in Control and Information Sciences”, Vol. 222, DOI: 10.1007/BFb0036078.
- Anh P.K., Linh P.T., Thuan D.D., Trenn S., Stability analysis for switched discrete-time linear singular systems, “Automatica”, Vol. 119, 2020, DOI: 10.1016/j.automatica.2020.109100.
- Antsaklis P.J., Michel A.N., Linear Systems, Birkhäuser, Boston, 2006.
- Branicky M.S., Stability of switched and hybrid systems, [In:] Proceedings of 33rd IEEE Conference on Decision and Control, 1994, 3498–3503, DOI: 10.1109/CDC.1994.411688.
- Chen S., Jiang L., Yao W., Wu Q.H., Application of switched system theory in power system stability, [In:] Proceedings of 49th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), 2014, DOI: 10.1109/UPEC.2014.6934651.
- Feng T., Guo L.H., Wu B.W., Chen Y.Q., Stability analysis of switched fractional-order continuous-time systems, “Nonlinear Dynamics”, Vol. 102, 2020, 2467–2478, DOI: 10.1007/s11071-020-06074-8.
- Fornasini E., Valcher M.E., Stability and stabilizability criteria for discrete-time positive switched systems, “IEEE Transactions on Automatic Control”, Vol. 57, No. 5, 2012, 1208–1221, DOI: 10.1109/TAC.2011.2173416.
- Girejko E., Malinowska A.B., On stability of multi-agent systems on time scales under denial-of-service attacks, [In:] Proceedings of 16th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV), 2020, 489–496, DOI: 10.1109/ICARCV50220.2020.9305492.
- HosseinNia S.H., Tejado I., Vinagre B.M., Stability of fractional-order switching systems, “Computers & Mathematics with Applications”, Vol. 66, No. 5, 2013, 585–596, DOI: 10.1016/j.camwa.2013.05.005.
- Kaczorek T., Linear Control Systems, Vol. 1. Research Studies Press, J. Wiley, New York, USA, 1992.
- Kaczorek T., Vectors and Matrices in Automation and Electrotechnics, WNT, Warsaw, 1998 (in Polish).
- Liberzon D., Switching in Systems and Control., Birkhäuser, Boston, 2003.
- Liberzon D., Morse A.S., Basic problems in stability and design of switched systems, “IEEE Control Systems Magazine”, Vol. 19, No. 5, 1999, 59–70, DOI: 10.1109/37.793443.
- Lin H., Antsaklis P.J., Stability and stabilizability of switched linear systems: A survey of recent results, “IEEE Transactions on Automatic Control”, Vol. 54, No. 2, 2009, 308–322, DOI: 10.1109/TAC.2008.2012009.
- Lin H., Antsaklis P.J., Hybrid dynamical systems: Stability and stabilization, [In:] W.S. Levine (editor), The Control Handbook: Control System Advanced Methods. CRC Press, 2010.
- Ndoye A., Delpoux R., Trégouët J.F., Lin-Shi X., Switching control design for LTI system with uncertain equilibrium: Application to parallel interconnection of DC/DC converters, “Automatica”, Vol. 145, 2022,DOI: 10.1016/j.automatica.2022.110522.
- Shorten R., Wirth F., Mason O., Wulff K., King C., Stability criteria for switched and hybrid systems, “SIAM Review”, Vol. 49, No. 4, 2007, 545–592, DOI: 10.1137/05063516X.
- Sun Z., Ge S.S., Switched Linear Systems: Control and Design, Springer, London, 2005.
- Sun Z., Ge S.S., Stability Theory of Switched Dynamical Systems, Springer-Verlag, London, 2011.
- Tomaszuk A., Borawski K., A new approach to examine the dynamics of switched-mode step-up DC–DC converters—a switched state-space model, “Energies”, Vol. 17, No. 17, 2024, DOI: 10.3390/en17174413.
- Wu C., Liu X.Z., Lyapunov and external stability of Caputo fractional-order switching systems, “Nonlinear Analysis: Hybrid Systems”, Vol. 34, 2019, 131–146, DOI: 10.1016/j.nahs.2019.06.002.
- Yin Y., Zhao X., Zheng X., New stability and stabilization conditions of switched systems with mode-dependent average dwell time, “Circuits, Systems and Signal Processing”, Vol. 36, 2017, 82–98, DOI: 10.1007/s00034-016-0306-7.
- Zhang X.F., Wang Z., Stability and robust stabilization of uncertain switched fractional-order systems, “ISA Transactions”, Vol. 103, 2020, DOI: 10.1016/j.isatra.2020.03.019.
- Zhao X., Kao Y., Niu B., Wu T., Control Synthesis of Switched Systems, Springer, Cham, 2017.
- Zhao X., Zhang L., Shi P., Liu M., Stability of switched positive linear systems with average dwell time switching, “Automatica”, Vol. 48, No. 6, 2012, 1132–1137, DOI: 10.1016/j.automatica.2012.03.008.
- Zhou L., Ho D.W.C., Zhai G., Stability analysis of switched linear singular systems, “Automatica”, Vol. 49, No. 5, 2013, 1481–1487, DOI: 10.1016/j.automatica.2013.02.002.