線性矩陣不等式

線性陣不等式被廣泛用來解決系統與控制中的一些問題，隨著求解線性矩陣不等式的內點法的提出、MATLAB 軟體中LMI 工具箱的推出，線性矩陣不等式這一工具越來越受到人們的關注和重視，套用線性矩陣不等式來解決系統和控制問題已成為一大研究熱點。

基本介紹

• 中文名：線性矩陣不等式
• 外文名：Linear Matrix Inequality
• 簡稱：LMI
• 特點：凸集，可用凸最佳化技術求解
• 套用領域：系統和控制領域
• 常用求解工具：Matlab LMI工具箱、YALMIP工具包

定義

具有下列形式的矩陣不等式稱為線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)或嚴格線性矩陣不等式

其中， 是個實數變數，稱為線性矩陣不等式(1)的決策變數； 是決策變數構成的決策向量。 ， 是給定的實對稱矩陣。 表示矩陣 是負定的，即對於任意的非零向量 有 ，或者 的最大特徵值小於零。而若下列矩陣不等式的成立

則稱為非嚴格線性矩陣不等式。

線性矩陣不等式的發展

線性矩陣不等式的發展可以分為三個階段：

最早的動態系統分析的LMI 方法可以追溯到100 多年以前。1890 年Lyapunov 在他出版的被稱為Lyapunov 理論的著作中，提出了微分方程

的穩定條件：若且唯若存在對稱正定矩陣 ，使得 。它是LMI的一種特殊形式稱為Lyapunov不等式。

LMI 發展的第二個里程碑是在二十世紀40 年代.當時，前蘇聯科學家Lur’e，Postnikov 及其他學者將Lyapunov 方法套用於控制工程中的一些經典問題，尤其是當執行機構具有非線性時滯時的穩定性，雖然他們沒有形成精確的矩陣不等式，但是所提出的穩定性準則具有LMI 的雛形。“Lyapunov 理論可以套用於控制工程中的重要問題” 這一新想法使Lur’e，Postnikov 等人受到啟發，將Lyapunov 理論套用於解決實際控制工程問題，解決LMI 問題的思想可以歸結於利用手工分析式的求解，當然其套用僅限於小系統。

LMI 發展的第三個里程碑是在二十世紀60 年代.Popov，Yakuovichl 及其它學者利用正實 (Positive Real-PR) 引理簡化Lur’e 問題，套用圖形原則進行求解，產生了Popov 判據.這種判據可以套用於高階系統，但不適合用於非線性系統。從LMI 的控制理論的發展觀點看，Yakuovichl，Popov 等人的貢獻在於給出了利用圖形方法解決LMI 問題。

70 年代，一些學者認識到LMI 問題不僅可以通過圖形方法獲得求解，而且可以通過求解代數Riccati 方程 (Algebraic Riccati Equation-ARE) 獲得求解。1971 年一些學者得到求解經典LMI 的方法，如圖形法以及Lyapunov 函式法.這些分析方法可以用於特殊形式的LMI 問題。

在LMI 歷史中最具實質性的階段是80 年代，這期間提出了多種LMI 標準問題的數值解法，主要的LMI 求解算法有替代凸投影算法，橢球算法及內點法。內點法又分為中心點法，投影法，原始-對偶法，這些方法的共同思路都是把LMI 問題看成凸最佳化問題處理。

1995 年MATLAB 推出了基於內點法的求解LMI 問題的LMI 工具箱，使得求解高維的LMI 成為可能.這種統一標準，統一解法的線性分析方法，設計規範的形式以及有效的數學計算工具包逐步研製成功，使得人們能夠更加方便和有效地處理，求解線性矩陣不等式，從而進一步推動了LMI 在系統和控制領域中的套用。

可轉化為線性矩陣不等式表示的問題

系統與控制中的許多問題初看想來不是一個線性矩陣不等式問題，但通過適當的處理可以轉換成一個線性矩陣不等式問題。下面給出一些典現例子。

1、多個線性矩陣不等式

表 示 一 個 線 性 矩 陣 不 等 式 系 統 。 引 進 ，則 同時成立若且唯若 。所以，一個線性矩陣不等式可以用來描述整個線性矩陣不等式系統。

2、矩陣 Schur 補性質可將非線性矩陣不等式轉換成線性矩陣不等式問題。

對於矩陣 ，把 分塊得：

其中 是 維的。設 非奇異，那么 叫做 在 內的Schur補。介紹矩陣的Schur 補性質。

Schur補引理：對給定的對稱矩陣 ，其中 是 維的。以下三個條件是等價的：

(i) ；

(ii)

(iii)

3、S-procedure可以把非凸約束問題變換為LMI 約束問題。

對 ，假定 為 上的實值泛函，針對下述條件：

：對使得 , 的所有 ，有 ；

：存在標量 , ，使得對任意的 ，

易知通過條件 可以導出條件 。S-procedure在檢驗條件 的準確性後，再推測條件 是否成立。相比較，條件 比 容易判斷，所以，利用S-procedure能夠方便判斷條件 是否可行。

一些標準的線性矩陣不等式問題

1、可行性問題（LMIP)：已知 ，是否能找到 ，滿足 。若有，那么此線性矩陣不等式可行；若沒有，那么不可行。其中，MATLAB LMI工具箱提供的相應的求解器為feasp。

2、特徵值問題（EVP）：以某線性矩陣不等式約束為基礎，解最小化 的最大特徵值問題，或者推出該約束為不可行的。它的一般形式是:

其可變換為下述問題，二者等價：

上式為特徵值問題求解器能解決的規範表示。其中，MATLAB LMI工具箱提供的相應的求解器為mincx。

3、 廣義特徵值問題（GEVP）：已知某線性矩陣不等式約束，解如何最小化二仿射矩陣函式的最大廣義特徵值。

已知維數相同對稱矩陣 、 ， 為一個標量，若存在一個非零向量y ，滿足 ，那么標量 叫作對稱矩陣 與 的廣義特徵值，求解 問題變換為針對線性矩陣不等式約束的最佳化分析：

其中，MATLAB LMI工具箱提供的相應的求解器為gevp。

在Matlab中解決LMI問題

在Matlab當中，我們可以採用圖形界面的lmiedit命令，來調用GUI接口，同樣可以採用程式的方式。

對於LMI Lab，其中有三種求解器（solver）：feasp，mincx和gevp。

每個求解器針對不同的問題：

feasp：解決可行性問題（feasibility problem），例如：A(x)<B(x)。

mincx：線上性矩陣不等式的限制下解決最小化問題（Minimization of a linear objective under LMI constraints），例如最小化c'x，在限制條件A(x) < B(x)下。

gevp：解決廣義特徵值最小化問題。例如：最小化lambda，在0<B(x),A(x)<lamba*B(x)限制條件下。

要解決一個LMI問題，首要的就是要把線性矩陣不等式表示出來。

對於以下類型的任意的LMI問題

N' * L(X1, . . . , XK) * N < M' * R(X1, . . . , XK) * M

其中X1, . . . , XK是結構已經事先確定的矩陣變數。左側和右側的外部因子（outer factors）N和M是給定的具有相同維數的矩陣。

左側和右側的內部因子（inner factors）L(.)和R(.)是具有相同結構的對稱塊矩陣。每一個塊由X1, . . . , XK以及它們的轉置組合而成形成的。

套用

有一些有效率的數值方法可以判斷線性矩陣不等式是否可行（是否存在向量y使得LMI(y)≥0），或解出有LMI限制條件的凸最佳化問題。 許多控制理論、系統識別及信號處理的最佳化問題都可以表示為線性矩陣不等式。線性矩陣不等式也可以套用在Polynomial SOS中。原型的原始半定規劃及對偶半定規劃都是實線性函式的最小化，分別屬於控制此LMI的原始凸錐及對偶凸錐。