39
1 Introduction Nonlinear system analysis has been very successfully applied to particular classes of  systems and problems, but it still lacks generality,  as e.g. in the case of  feedback linearization,  or explicitness,  as e.g. in the case of  Lyapunov theory. A body of  new results is derived using elementary tools from continuum mechanics and differential  geometry,  leading to what we shall call contraction analysis.  Intuitively,  contraction analysis is based on a slightly different  view of  what stability is, inspired by fluid mechanics.  Regardless of  the exact technical  form in which it is defined,  stability is generally viewed relative to some nominal  motion or equilibrium point. Basically,  a nonlinear dynamic system is called contracting if  initial conditions  or temporary disturbances  are forgotten exponentially  fast, so that all trajectories  converge to a unique trajectory.  After a brief  review of  key results of  contraction theory, we introduce the new concept of  partial  contraction,  which extends contraction analysis to include convergence to behaviors or to specific properties (such as equality of  state components,  or convergence to a manifold).  Partial  contraction provides a very general analysis tool to investigate the stability of  largescale systems. It is especially powerful  to study synchronization behaviors, and it inherits from contraction the feature that convergence and longterm behavior can be analyzed separately,  leading to significant conceptual  simplifications.  Contraction theory is a recent tool for analyzing the convergence behavior of  nonlinear systems in statespace form. One of  the main features of  contraction is that, contrary to traditional  Lyapunovbased analysis,  it does not require the explicit knowledge of  a specific attractor.  Stability analysis  is performed through extensive use of  virtual displacements,  with the system dynamics being described in a differential  framework.  Methodology,  i:e, how to apply the results of  a theory, is well established for Lyapunov functions.  Rather than  just importing these techniques  to the world of  contraction,  a more fruitful  approach is to take into account the specificities of  contraction theory and study their application to concrete examples.  Our purpose is to contribute to this important  issue, as well as suggest means to compare contraction with Lyapunov stability analysis.  

114731168-Contraction-Analysis.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 1/39

Introduction 

Nonlinear system analysis has been very successfully applied to particular classes of  

systems and problems, but it still lacks generality, as e.g. in the case of  feedback linearization, 

or explicitness, as e.g. in the case of  Lyapunov theory. A body of  new results is derived using 

elementary tools from continuum mechanics and differential geometry, leading to what we 

shall call contraction analysis. 

Intuitively, contraction analysis is based on a slightly different view of  what stability is, 

inspired by fluid mechanics. Regardless of  the exact technical form in which it is defined, 

stability is generally viewed relative to some nominal motion or equilibrium point. 

Basically, a nonlinear dynamic system is called contracting if  initial conditions or 

temporary disturbances are forgotten exponentially fast, so that all trajectories converge to a 

unique trajectory. After a brief  review of  key results of  contraction theory, we introduce the new concept of  partial contraction, which extends contraction analysis to include convergence 

to behaviors or to specific properties (such as equality of  state components, or convergence to 

a manifold). Partial contraction provides a very general analysis tool to investigate the stability 

of  large‐scale systems. It is especially powerful to study synchronization behaviors, and it 

inherits from contraction the feature that convergence and long‐term behavior can be analyzed 

separately, leading to significant conceptual simplifications. 

Contraction theory is a recent tool for analyzing the convergence behavior of  nonlinear 

systems in state‐space form. One of  the main features of  contraction is that, contrary to 

traditional Lyapunov‐based analysis, it does not require the explicit knowledge of  a specific 

attractor. Stability analysis is performed through extensive use of  virtual displacements, with 

the system dynamics being described in a differential framework. 

Methodology, i:e, how to apply the results of  a theory, is well‐established for Lyapunov 

functions. Rather than   just importing these techniques to the world of  contraction, a more 

fruitful approach is to take into account the specificities of  contraction theory and study their 

application to concrete examples. Our purpose is to contribute to this important issue, as well 

as suggest means to compare contraction with Lyapunov stability analysis. 

Page 2: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 2/39

1. 

Contraction Analysis 

Consider systems described by general nonlinear deterministic differential equations of  

the form 

 = f(x, t) 

where x is the n‐dimensional vector corresponding the state of  the system, t is time, and f  is a 

nonlinear vector field.  The above equation may also represent the closed‐loop dynamics of  a 

controlled system with state feedback u(x, t) resulting in a smooth nonlinear system of  the form 

(t) = f  (x(t), u(x, t), t) 

where x(t)   , and f  :  ×  ×  →  . 

All quantities are assumed to be real and smooth, by which is meant that any required 

derivative or partial derivative exists and is continuous. 

1.1 A basic convergence result 

Considering the local flow at a given point x leads to a convergence analysis between 

two neighboring trajectories. If  all neighboring trajectories converge to each other (contraction 

behavior) global exponential convergence to a single trajectory can then be concluded. 

The plant equation   = f(x, t) can be thought of  as an n‐dimensional fluid flow, where  is the n‐dimensional “velocity” vector at the n‐dimensional position x and time t. Assuming as 

we do that f(x, t) is continuously differentiable,   = f(x, t) yields the exact differential relation 

δ  =  (x, t) δx 

where δx is a virtual displacement (a virtual displacement is an infinitesimal displacement at 

fixed time). Note that virtual displacements, pervasive in physics and in the calculus of  

variations, and extensively used, are also well‐defined mathematical objects. Formally, δx 

defines a linear tangent differential form, and δδx the associated quadratic tangent form, 

both of  which are differentiable with respect to time. 

Consider now two neighboring trajectories in the flow field  = f(x, t), and the virtual 

displacement δx between them as shown in the figure. The squared distance between these 

two trajectories can be defined as δδx, leading from δ  to the rate of  change 

 (δδx) = 2 δ δ  = 2 δ  δx 

Page 3: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 3/39

Denoting by (x, t) the largest eigenvalue of  the symmetric part of  the Jacobian  

(i.e., the largest eigenvalue of   ( 

 + 

 )), we thus have 

 (δδx) ≤ 2  δδx 

and hence, 

|| δx || ≤ || δ

 || 

,  

Assume now that  (x, t) is uniformly strictly negative (i.e., β > 0, x, t ≥ 0,  

(x, t) ≤ −β < 0 ). Then, from (3) any infinitesimal length δx converges exponentially to zero. By 

path integration, this immediately implies that the length of  any finite path converges 

exponentially to zero. This motivates the following definition. 

Definition 1: Given the system equations   = f(x, t), a region of  the state space is called a 

contraction region if  the Jacobian  is uniformly negative definite in that region. 

By 

 uniformly negative definite we mean that 

β > 0, x, t ≥ 0,  ( 

 + 

 ) ≤ −β I < 0 

More generally, by convention all matrix inequalities will refer to the symmetric parts of  

the square matrices involved − for instance, we shall write the above as   ≤ −β I < 0. By a 

Page 4: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 4/39

region we mean an open connected set. Extending the above definition, a semi‐contraction 

region corresponds to  being negative semi‐definite, and an indifferent region to 

 being 

skew‐symmetric. 

Consider now a ball of  constant radius centered about a given trajectory, such that given this trajectory the ball remains within a contraction region at all times (i.e., t ≥ 0). Because any 

length within the ball decreases exponentially, any trajectory starting in the ball remains in the 

ball (since by definition the center of  the ball is a particular system trajectory) and converges 

exponentially to the given trajectory (Figure 2). Thus, as in stable linear time‐invariant (LTI) 

systems, the initial conditions are exponentially “forgotten.” This leads to the following 

theorem: 

Theorem 1: Given the system equations  = f(x, t), any trajectory, which starts in a ball of  

constant radius centered about a given trajectory and contained at all times in a contraction 

region, remains in that ball and converges exponentially to this trajectory. 

Furthermore, global exponential convergence to the given trajectory is guaranteed if  the 

whole state space is a contraction region. 

This sufficient exponential convergence result may be viewed as a strengthened version 

of  Krasovskii’s classical theorem on global asymptotic convergence. Note that its proof  is very 

straight‐forward, even in the non‐autonomous case, and even in the non‐global case, where it 

guarantees explicit regions of  convergence. Also, note that the ball in the above theorem may 

not be replaced by an arbitrary convex region  – while radial distances would still decrease, 

tangential velocities could let trajectories escape the region. 

Page 5: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 5/39

Example 1: In the system 

 = −x +  

the Jacobian is uniformly negative definite and exponential convergence to a single trajectory is 

guaranteed. This result is of  course obvious from linear control theory. 

Example 2: Consider the system 

 = −t ( + x) 

For t ≥ to > 0, the Jacobian is again uniformly negative definite and exponential convergence to 

the unique equilibrium point x = 0 is guaranteed. 

1.2 Generalization of  the convergence analysis 

Theorem 1 can be vastly extended simply by using a more general definition of  differential length. The result may be viewed as a generalization of  linear eigenvalue analysis 

and of  the Lyapunov matrix equation. Furthermore, it leads to a necessary and sufficient 

characterization of  exponential convergence. 

1.2.1 General definition of  length 

The line vector δx between two neighboring trajectories in Figure 1 can also be 

expressed using the differential coordinate transformation 

δz = Θδx 

where Θ(x, t) is a square matrix. This leads to a generalization of  our earlier definition of  

squared length 

δzδz = δxM δx 

where M(x, t) = ΘΘ represents a symmetric and continuously differentiable metric − formally, δzδz defines a Riemann space. Since δz is in general not integrable, we cannot expect to find 

explicit new coordinates z(x, t), but δz and δzδz can always be defined, which is all we need. 

We shall assume M to be uniformly positive definite, so that exponential convergence of  δz to 0 

also implies exponential convergence of  δx to 0. 

Distance between two points  and  with respect to the metric M is defined as the 

shortest path length (i.e., the smallest path integral  ||δz||   ) between these two points. 

Accordingly, a ball of  center c and radius R is defined as the set of  all points whose distance to c 

with respect to M is strictly less than R. The two equivalent definitions of  length in δzδz lead 

Page 6: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 6/39

to two formulations of  the rate of  change of  length: using local coordinates δz leads to a 

generalization of  linear eigenvalue analysis, while using the original system coordinates x leads 

to a generalized Lyapunov equation. 

1.2.2 Generalized eigenvalue analysis 

The time derivative of  δz = Θδx can be computed as 

δz = Θ  δx + Θδx    = Θ  δx + Θ δx = (Θ   + Θ

)δx = (Θ   + Θ) Θ δz = Fδz 

Formally, the generalized Jacobian 

F = (Θ   + Θ) Θ 

represents the covariant derivative of  f  in δz coordinates. The rate of  change of  squared length 

can be written   (δzδz) =  δz.δz + δz. δz  = 2δz δz = 2δzδz 

Similarly to the reasoning in Theorem 1, exponential convergence of  δz (and thus of  δx) 

to 0 can be determined in regions with uniformly negative definite F. This result may be 

regarded as an extension of  eigenvalue analysis in LTI systems, as the next example illustrates. 

Example 3: Consider first the LTI system 

 = Ax 

and the coordinate transformation z = Θx (where Θ is constant) into a Jordan form 

 = ΘAΘ z = Λ z 

For instance, one may have 

Λ = 

0 0 0 00 0 0 0

0 0

0 00 0 0 0 0 0  

where the  ’s are the eigenvalues of  the system, and ρ < 2 is the normalization factor of  the 

Jordan form. The covariant derivative F = Λ is uniformly negative definite if  and only if  the 

system is strictly stable, a result which obviously extends to the general n‐dimensional case. 

Page 7: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 7/39

Now, consider instead a gain‐scheduled system. Let A(x, t) =  be the Jacobian of  the 

corresponding nonlinear, non‐autonomous closed‐loop system   = f  (x, t), and define at each 

point a coordinate transformation Θ(x, t) as above. Uniform negative definiteness of  F = Λ + 

Θ  Θ (a condition on the “logarithmic” derivative of  Θ) then implies exponential convergence 

of  this design. 

This result also allows one to compute an explicit region of  exponential convergence for 

a controller design based on linearization about an equilibrium point, by using the 

corresponding constant Θ. 

Note that the above could not have been derived simply by using Krasovskii’s 

generalized asymptotic global convergence theorem, even in the global asymptotic case and 

even using a state transformation, since an explicit z does not exist in general. 

1.2.3 Metric

 analysis

 δz can equivalently be written in δx coordinates 

Θ δz =  M δ  + ΘΘ   δx = (M

 + ΘΘ  )δx 

using the covariant velocity differential Mδ  + ΘΘ   δx. The rate of  change of  length is 

 (

δxM δx) = 

δx (

   + 

M + M 

) δx 

so that exponential convergence to a single trajectory can be concluded in regions of  (   + M + M 

)  ≤ −M (where  is a strictly positive constant). It is immediate to verify that 

these are of  course exactly the regions of  uniformly negative definite F. If  we restrict the metric 

M to be constant, this exponential convergence result represents a generalization and 

strengthening of  Krasovskii’s generalized asymptotic global convergence theorem. It may also 

be regarded as an extension of  the Lyapunov matrix equation in LTI systems. 

1.2.4 Generalized contraction analysis 

The above leads to the following generalized definition, superseding Definition 1 (which 

corresponds to Θ = I and M = I). 

Definition 2: Given the system equations   = f(x, t), a region of  the state space is called a 

contraction region with respect to a uniformly positive definite metric M(x, t) = ΘΘ, if  

Page 8: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 8/39

equivalently F is uniformly negative definite    + 

M + M   ≤ −M (with constant  > 0) 

in that region. 

As earlier, regions where F or equivalently 

   + 

M + M 

 are negative semi‐definite 

(skew‐symmetric) are called semi‐contracting (indifferent). The generalized convergence result 

can be stated as: 

Theorem 2: Given the system equations  = f(x, t), any trajectory, which starts in a ball of  

constant radius with respect to the metric M(x, t), centered at a given trajectory and contained 

at all times in a contraction region with respect to M(x,t), remains in that ball and converges 

exponentially to this trajectory. 

Furthermore global exponential convergence to the given trajectory is guaranteed if  the 

whole state space is a contraction region with respect to the metric M(x, t). 

We always assume this generalized form when we discuss contraction behavior. 

1.3 A converse theorem 

Conversely, consider now an exponentially convergent system, which implies that β > 

0, k ≥ 1, such that along any system trajectory x(t) and t ≥ 0, 

δxδx ≤ k δδ  

Defining a metric M(x(t), t) by the ordinary differential equation (Lyapunov equation) 

   = ‐

M ‐ M   – βM  M(t = 0) = kI 

and using  (δxM δx), we can write δxδx as 

δxδx ≤ δxMδx = k δδ  

Since this holds for any δx, the above shows that M is uniformly positive definite, M ≥ I. 

Thus, any exponentially convergent system is contracting with respect to a suitable metric. 

Note from the linearity of     that M is always bounded for bounded t. Furthermore, 

while M may become unbounded as t → +∞, this does not create a technical difficulty, since 

the boundedness of  δxMδx still implies that δx tends to zero exponentially and also indicates 

that the metric could be renormalized by a further coordinate transformation. 

Page 9: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 9/39

Thus, Theorem 2 actually corresponds to a necessary and sufficient condition for 

exponential convergence of  a system. In this sense it generalizes and simplifies a number of  

previous results in dynamic systems theory. 

For instance, note that chaos theory leads at best to sufficient stability results. Lyapunov 

exponents, which are computed as numerical integrals of  the eigenvalues of  the symmetric part 

of  the Jacobian  , depend on the chosen coordinates x and hence do not represent intrinsic 

properties. 

1.4 A Note On Krasovskii’s Theorem 

It should be clear to the reader familiar with the many versions of  Krasovskii’s theorem 

that by now we have ventured quite far from this classical result. Indeed, Krasovskii’s theorem 

provides a sufficient, asymptotic convergence result, corresponding to a constant metric M. 

Also, it does not exploit the possibility of  a pure differential coordinate change as in δz. It is also interesting to notice that the type of  proof  used here is very significantly simpler than that 

used, say, for the global non‐autonomous version of  Krasovskii’s theorem. This in turn allows 

many further extensions, as the next sections demonstrate. 

1.5 Linear properties of  generalized contraction analysis 

Introductions to nonlinear control generally start with the warning that the behavior of  

general nonlinear non‐autonomous systems is fundamentally different from that of  linear 

systems. While this is unquestionably the case, contraction analysis extends a number of  

desirable properties of  linear system analysis to general nonlinear non‐autonomous systems. 

I.  Solutions in δz(t) can be superimposed, since  δz = F(x, t)δz around a specific trajectory 

x(t) represents a linear time‐varying (LTV) system in local δz coordinates. Note that the 

system needs not be contracting for this result to hold. 

II.  Using this point of  view, Theorem 2 can also be applied to other norms, such as |||| 

= || and |||| = ∑||, with associated balls defined accordingly. Using the 

same reasoning as in standard matrix measure results, the corresponding 

convergenceresults are 

 |||| ≤  (  + ∑ ||   ) ||||   |||| ≤  ( + ∑ ||   ) |||| 

III.  Global contraction precludes finite escape, under the very mild assumption  x* ,  c ≥ 0, t ≥ 0, ||Θf(x*, t)|| ≤ c 

Indeed, no trajectory can diverge faster from x* than bounded Θf(x*, t) and thus cannot 

become unbounded in finite time. The result can be extended to the case where x* may 

itself  depend on time, as long as it remains in an a priori bounded region. 

Page 10: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 10/39

10 

IV.  A convex contraction region contains at most one equilibrium point, since any length 

between two trajectories is shrinking exponentially in that region. 

V.  This further implies that, in a globally contracting autonomous system, all trajectories 

converge exponentially to a unique equilibrium point. Indeed, using V(x) =   M(x, t) 

f(x) as a Lyapunov‐like function (an extension of  the standard proof  of  Krasovskii’s 

Theorem for autonomous systems) yields    =   (   + M + M ) f(x) ≤ −V 

which shows that   = f(x) tends to 0 exponentially, and thus that x tends towards a finite 

equilibrium point. 

VI.  The output of  any time‐invariant contracting system driven by a periodic input tends 

exponentially to a periodic signal with the same period. Indeed, consider a time‐

invariant nonlinear system driven by a periodic input ω(t) of  period T > 0,   = f(x, ω(t)) 

Let (t) be the system trajectory corresponding to the initial condition  = , and let 

(t) be the system trajectory corresponding to the system being initialized instead at 

(T) =  . Since f  is time‐invariant and ω(t) has period T , (t) is simply as shifted version of  (t),  t ≥ T,  (t) = (t − T) 

Furthermore, if  we now assume that the dynamics   is contracting, then initial 

conditions are exponentially forgotten, and thus (t) tends to (t) exponentially. 

Therefore, from (t), (t − T) tends towards (t) exponentially. By recursion, this 

implies that t, 0 ≤ t < T , the sequence (t + nT) is a Cauchy sequence, and therefore 

the limiting function lim t nT exists, which completes the proof. 

VII.  Consider the distance R =  ||δz||   between two trajectories  and , contained at all 

times in a contraction region characterized by maximal eigenvalues 

λ(x, t) ≤ −β < 0 of  

F. The relative velocity between these trajectories verifies    + | λ| R ≤ 0 

Assume now, instead, that  represents a desired system trajectory and  the actual 

system trajectory in a disturbed flow field   = f(x, t) + d(x, t). Then    + | λ| R ≤ || Θd || 

For bounded disturbance || Θd || any trajectory remains in a boundary ball around the 

desired trajectory. Since initial conditions R(t = 0) are exponentially forgotten, we can 

also state that any trajectory converges exponentially to a ball of  radius R with arbitrary 

initial condition R(t = 0). 

VIII.  The above can be used to describe a contracting dynamics at multiple resolutions using 

multiscale approximation of  the dynamics with bounded basis functions, as e.g. in wavelet analysis. The radius R with respect to the metric M of  the boundary ball to 

which all trajectories converge exponentially becomes smaller as resolution is increased, 

making precise the usual “coarse grain” to “fine grain” terminology. 

1.6 The key advantages of  contraction analysis 

Page 11: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 11/39

11 

•  Contraction theory is a differential‐based analysis. Therefore, it is much easier to 

combine multiple systems. 

•  Contraction theory is more generalized. For instance, all examples and theorems in 

[158] are for autonomous systems whereas contraction theory can be easily applied to 

general time‐varying systems including systems with time‐varying desired trajectories. 

• 

Convergence of  contraction theory is stronger: exponential and global. Asymptotic convergence of  a PD controller is not enough for tracking demanding time‐varying 

reference inputs of  nonlinear systems. 

•  The proof  is intuitive and much simpler. This truly sets contraction analysis aside from 

other methodologies. For example, one can recall the proof  of  global and time‐varying 

version of  Krasovskii’s theorem. 

•  Contraction theory also permits a non‐constant metric and a pure differential 

coordinate change, which is not explicit in [158]. This generalization of  the metric 

(generalized Jacobian, not   just  ) is one of  the differences with other methodologies. 

Page 12: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 12/39

12 

2. 

Partial Contraction 

Theorem 3: Consider a nonlinear system of  the form 

x = f  (x, x, t) 

and assume that the auxiliary system 

 = f  (y, x, t) 

is contracting with respect to y. If  a particular solution of  the auxiliary y‐system verifies a 

smooth specific property, then all trajectories of  the original x‐system verify this property 

exponentially. The original system is said to be partially contracting. 

Proof: The virtual, observer‐like y‐system has two particular solutions, namely y(t) = x(t), t ≥ 0 

and the solution with the specific property. Since all trajectories of  the y‐system converge 

exponentially to a single trajectory, this implies that x(t) verifies the specific property 

exponentially. 

Example 4: Consider a system of  the form 

 = c(x, t) + d(x, t) 

where function c is contracting in a constant metric1 . The auxiliary contracting system may 

then be constructed as 

 = c(y, t) + d(x, t) 

The specific property may consist e.g. a relationship between state variables, or simply of  a 

particular trajectory. 

Example 5: Consider a convex combination or interpolation between contracting dynamics 

 = ∑  x, t  x, t  

where the individual systems   =    x, t) are contracting in a common metric M(x) = Θx Θ(x) 

and have a common trajectory 

(t) (for instance an equilibrium), with all 

x,t ≥ 0 and 

∑ x,t   = 1. Then all trajectories of  the system globally exponentially converge to the trajectory (t). Indeed, the auxiliary system 

 = ∑  x, t  y, t  

is contracting (with metric M(y) ) and has x(t) and (t) as particular solutions. 

Note that contraction may be trivially regarded as a particular case of  partial contraction. 

Page 13: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 13/39

13 

3. 

Combinations of  Contracting Systems 

Combinations of  contracting systems satisfy simple closure properties, subsets of  which 

are reminiscent of  the passivity formalism. 

3.1 Parallel

 combination

 

Consider two systems of  the same dimension 

    =   ( , t) 

    =   ( , t) 

with virtual dynamics 

δ

   = 

δz 

δ   = δz 

and connect them in a parallel combination. If  both systems are contracting in the the same 

metric, so is any uniformly positive superposition 

 (t) δ   +  (t) δ   where α > 0, t ≥ 0, (t) ≥ α 

Theorem 4: Consider two time‐varying nonlinear systems, contracting in the same metric 

function which does not explicitly depend on time such that M(x) = 

Θx Θ(x) and 

Θ    = 

 x : 

x  =  (x, t)  i = 1, 2 

Then, any positive superposition with α > 0 

x  = α (x, t) + α (x, t) 

is contracting in the same metric. By recursion, this parallel combination can be extended to 

any number of  systems. 

Proof: Since the original dynamics are contracting with a time‐independent metric, the 

generalized Jacobian, F becomes 

F = (Θ  (x) + Θ(x) ) Θx = (

  + Θ(x) ) Θx 

Since the individual systems are contracting, 

 (δzδz) = δz(   + Θ

) Θδz  ≤ −2λδzδz,  i = 1,2 

Page 14: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 14/39

14 

Hence, the δz dynamics of  the combined system result in 

 (δzδz) = δz( α  α  + Θ (α α )) Θδz 

αδz(

  + Θ

Θδz + 

αδz(

  + Θ

Θδz 

≤ −2 (αλ + αλ) δzδz 

This parallel combination is extremely important if  the system possesses a certain 

geometrical symmetry. For example, the M and C matrices from the Lagrangian equation might 

satisfy  =  +  and  =  +  . 

3.2 Hierarchical combination 

Theorem 5: Consider two contracting systems, of  possibly different dimensions and metrics, 

and connect them in series, leading to a smooth virtual dynamics of  the form 

 δzδz = F 0F F δzδz 

Then the combined system is contracting if  F21 is bounded. 

Proof: Intuitively, since δz tends to zero, δz tends to zero as well for a bounded F . By using 

a smooth transformation Θ: 

Θ = ( 

00 ) 

Then, the new transformed Jacobian matrix is given as 

ΘFΘ = (F 0F F), 

which is negative definite for a sufficiently small  > 0. 

Composite variables, s = q  − q  + Λ (q−q) are an excellent example of  a hierarchical 

combination. Its usage for nonlinear tracking control and robust sliding control shall be 

discussed in the subsequent sections. 

Another interesting combination that occurs in the nonlinear control synthesis is 

feedback combination. 

3.3 Feedback combination 

Similarly, connect instead two systems of  possibly different dimensions 

Page 15: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 15/39

15 

   =   (, , t) 

    =   (, , t) 

in the feedback combination 

 δzδz =  F G F δzδz 

The augmented system is contracting if  and only if  the separated plants are contracting. 

Theorem 6: The overall dynamics of  the generalized virtual displacements might be 

represented as 

δz

δz= F δz

δz= F G

F δz

δz 

where F and F are symmetric negative definite matrices. 

In order to prove contraction of  the combined system, one needs to check if  F is 

negative definite. From the standard linear algebra, F is uniformly negative definite if  and only if  

F < G FG 

A sufficient condition for the above inequality can be given as 

λ(

F )λ(

F ) > 

σ (G) 

where λ(∙) is the contraction rate, which is the absolute value of  the largest eigenvalue (least 

negative) of  the contracting system. σ(∙) denotes the largest singular value. 

It should be noted that the overall contraction rate is no greater than the individual 

contraction rate of  F and F by the eigenvalue interlacing theorem. Indeed, one can find the 

explicit lower bound of  the contraction rate as 

λ(F) =    ‐   σ 

Page 16: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 16/39

16 

4. 

Coupling Configuration of  Oscillators 

4.1 One‐Way Coupling Configuration 

Consider a pair of  one‐way (unidirectional) coupled identical oscillators 

    , t    , t u u 

where ,    are the state vectors, f  (, t) the dynamics of  the uncoupled oscillators, 

and u u the coupling force. 

Theorem 7: If  the function f  − u is contracting in (3), two systems  and  will reach synchrony 

exponentially regardless of  the initial conditions. 

Proof: The second subsystem, with u(

) as input, is contracting, and 

 (t) = 

 (t) is a 

particular solution. 

Example 6: Consider two coupled identical Van der Pol oscillators 

   α   1    0   α   1    ακ     

where α, ω and κ are strictly positive constants (this assumption will apply to all our Van der Pol 

examples). Since the system 

 + α(

 + κ − 1)

 + 

 x = u(t) 

is semi‐contracting for κ > 1,  will synchronize to  asymptotically. 

Note that a typical engineering application with a one‐way coupling configuration is 

observer design, in which case u() represents the measurement. The result of  Theorem 2 can 

be easily extended to a network containing n oscillators with a chain structure (or more 

generally, a tree structure) 

   , t

   , t u u…   , t u u 

where the synchronization condition is the same as that for system. 

4.2 Two‐Way Coupling Configuration 

Page 17: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 17/39

17 

The meaning of  synchronization may vary in different contexts. In this paper, we define 

synchronization of  two (or more) oscillators ,  as corresponding to a complete match, i.e.,  = . Similarly, we define anti‐synchronization as  = − . These two behaviors are called 

in‐phase synchronization and anti‐phase synchronization in many communities. 

4.2.1 Synchronization

 

Theorem 8: Consider two coupled systems. If  the dynamics equations verify 

    − h ( , t) =     − h ( , t) 

where the function h is contracting, then  and  will converge to each other exponentially, 

regardless of  the initial conditions. 

Proof: Given initial conditions 

(0) and 

(0), denote by 

(t) and 

(t) the solutions of  the two 

coupled systems. Define 

g ( ,  , t) =     − h ( , t) =     − h ( , t) 

and construct the auxiliary system 

 = h(y, t) + g ((t), (t), t) 

This system is contracting since the function h is contracting, and therefore all solutions 

of  y converge together exponentially. Since y = (t) and y = (t) are two particular solutions, 

this implies that 

(t) and 

(t) converge together exponentially. 

Remarks 

• Theorem 8 can also be proved by constructing another auxiliary system 

  h, t g, , t  h, t g, , t 

which has a particular solution verifying the specific property  = . Since this auxiliary system 

is composed of  two independent subsystems driven by the same inputs, the proof  can be 

simplified as above by using a auxiliary system of  reduced dimension. 

• Theorem 7 is a particular case of  Theorem 8. So is, for instance, a system of  two‐way coupled 

identical oscillators of  the form 

    , t u u    , t u u 

Page 18: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 18/39

18 

In such a system  tends to  exponentially if  f  − 2u is contracting. Furthermore, because the 

coupling forces vanish exponentially, both oscillators tend to their original limit cycle behavior, 

but with a common phase. 

• Although contraction properties are central to the analysis, the overall system itself  in general 

is not contracting, and the common phase of  the steady states is determined by the initial 

conditions (0) and (0). This stresses the difference between contraction and partial 

contraction. 

• Theorem 8 can be easily extended to coupled discrete‐time systems, using discrete versions 

[40] of  contraction analysis, to coupled hybrid systems, and to coupled systems expressed by 

partial‐differential‐equations. 

• Contraction of  the auxiliary system also implies that bounded variations in subsystem 

dynamics lead to bounded synchronisation errors. 

Example 7: Consider again two coupled identical Van der Pol oscillators 

   α   1    ακ       α   1    ακ     

One has 

   α κ κ 1       α   κ κ 1   

From Theorem 3 and the result in the Appendix, we know that these two oscillators will reach 

synchrony asymptotically if  κ κ > 1 for non‐zero initial conditions. 

4.2.2 Anti‐Synchronization 

In a seminal paper inspired by Turing’s work, Smale describes a mathematical model 

where two identical biological cells, inert by themselves, can be excited into oscillations 

through diffusion interaction across their membranes. Using Theorem 8, we can build a coupled 

system 

   , t u, u,    , t u, u, t 

to describe Smale’s model. 

Theorem 9: If  the uncoupled dynamics h in above is contracting and odd in x,  +  will 

converge to zero exponentially regardless of  the initial conditions. Moreover, for non‐zero 

initial conditions,  and  will oscillate and reach anti‐synchrony if  the system 

Page 19: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 19/39

19 

 = h(z, t) − 2u(z, t) 

has a stable limit‐cycle. 

Proof: Replace 

 by −

 in Theorem 8. 

Example 8: Consider specifically Smale’s example [69], where 

h(x, t) = A x + 000   u(x) =  K 

 

with 

A = 1 1 0

1 0 0 2 00 0 2  K =  0 00 0 0 2 00 0 2 

For a < −1, h has a negative definite Jacobian and thus is contracting, and h − 2u yields a 

stable limit‐cycle, so that the two originally stable cells are excited into oscillations for non‐zero 

initial conditions. Requiring in addition that √ 2 < γ < 3/2 guarantees that all the eigenvalues of  

K are distinct, real and strictly positive, so that K can be transformed into a diagonal diffusion 

matrix through a linear change of  coordinates. 

4.2.3 Oscillator‐Death 

Inverse to Smale’s effect, in the phenomenon called oscillator‐death (or amplitude‐

death) oscillators stop oscillating and stabilize at constant steady states once they are coupled. 

Oscillator‐death happens if  the overall dynamics is contracting and autonomous, since this 

implies that the system tends exponentially to a unique equilibrium. 

Example 9: Couple two Van der Pol oscillators with asymmetric forces 

   α   1    ακ       α

  1 

  ακ     

where κ > 1. By introducing new variables  and  as in the Appendix, we get a generalized 

Jacobian 

F = α κ 1 ω ακ 0ω 0 0 0ακ 0 α κ 1 ω0 0 ω 2 ≤0 

Page 20: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 20/39

20 

whose symmetric part is simply that of  two uncoupled damped Van der Pol oscillators. Thus 

both systems will tend to zero asymptotically. 

Example 10: Chaotic synchronization 

Much attention has been devoted to synchronization in chaotic systems. A central characateristic of  a chaotic system like the Lorenz Attractor is that its long‐term behavior is 

often impossible to predict but its short‐term behavior is relatively easy to anticipate, so its 

immediate propagation can be controlled. In particular, Pecora et al. reported that this 

phenomenon can be used for communications by means of  chaotic synchronization. Recently, 

Argyris implemented the fist long‐distance demonstration of  chaotic synchronization using a 

pair of  laser diodes, amplifiers, a mirror and more than 120 kilometers of  underground fiber. 

Consider the Lorenz system 

 = σ (y − x)   = ρx − y  – xz 

 = −βz + xy 

with strictly positive constants σ, ρ, β, and, as in [151], a reduced‐order identity observer for 

this system based on an available measurement of  the variable x, 

   = ρx −   – x 

  = −β + x 

The symmetric part of  the observer’s Jacobian is  − diag(1, β), and thus the observer is 

contracting with an identity metric. Since by construction (,) = (y, z) is a particular solution, 

the estimated state converges exponentially to the actual state. This can also be described as 

an active‐passive decomposition. 

Page 21: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 21/39

21 

5. 

High‐Order Contraction Theory 

Consider the following second‐order time‐varying nonlinear differential equation 

 + 

(x) 

x + 

(x, t) = u(t) 

where (x)  is a smooth function of  x, and (x, t) is a smooth function of  x and t. 

Proving contraction of  (2.98) is difficult, since the original contraction analysis is 

originally stated for first‐order systems. Finding some smooth coordinate transformation of  the 

virtual displacement, δz = Θδx, is key such that the generalized Jacobian F associated with the 

augmented system of  x, x  is uniformly negative definite. In general, finding such a 

transformation, Θ is not trivial. Even without the use of  contraction theory, proving exponential 

and global stability of  a general time‐varying nonlinear second‐order system can be a very 

difficult problem. 

We present the main theorem of  this section, which provides a sufficient condition for 

contraction of  (2.98) 

Theorem 10: The nonlinear system in (2.98) is contracting (all solutions converge to a single 

trajectory exponentially fast from any initial conditions), if  

(x) > 0,  x 

and if  

,   > 0,  ( ,   ) > 0,  t 

Proof: The virtual displacement equation of  (2.98) is 

δ + (x)δx  + [     + ,   ] δx = 0 

Equation (2.101) can be written as a first‐order differential equation by defining the 

vector state x = x, x  : 

δ

x = 

 δx 

 (δxδx ) = [ 0 1  ] (δxδx ) 

Let us take the following transformation matrix 

Page 22: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 22/39

22 

Θ(x, t) = (

1 0   1     ) 

It is straightforward to calculate the associated Jacobian as 

F = (Θ  (x, t) + Θ(x, t)) Θx,t 

= [

x    2   ] 

From the contraction theory, (2.98) is contracting if  the symmetric part of  F is uniformly 

negative definite, which corresponds to the conditions in Theorem 

We illustrate the use of  this theorem in a few examples. 

Example 11: Driven damped Van der Pol oscillator 

Consider the second‐order system 

 + (β + α)  +  x = u(t) 

driven by an external input u(t), where α, β, ω are strictly positive constants. Introducing a new 

variable y, this system can be written 

ωy 3   – βx ωx utω  The corresponding Jacobian matrix 

F = β α ωω 0 

is negative semi‐definite. Therefore, 

 (δδz) = 2 δ F δz ≤ 0 

where δz = δx,δy is the generalized virtual displacement. Thus δδz tends to a lower limit 

asymptotically. Now check its higher‐order Taylor expansion: 

if  δx  0, 

Page 23: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 23/39

23 

δδz(t + dt) − δδz(t) = −2 (β + α)δx dt + O(dt) 

while if  δx = 0, 

δ

δz(t + dt) − δ

δz(t) = −4 (β + α

)

δ 

!  + O(

dt) 

So the fact that δδz tends to a lower limit implies that δx and δ  both tend to 0. 

System is called semi‐contracting, and for any external input all its solutions converge 

asymptotically to a single trajectory, independent of  the initial conditions. Note that if  β < 0 and 

u(t) = 0, system has a unique, stable limit cycle. 

The first condition in Theorem 10 holds if  (x) = (β + α) > 0 uniformly (i.e. α and β are 

strictly positive). Also, note that   = ω. This is a semi‐contracting system. Indeed, the 

generalized Jacobian yields the same F. 

Page 24: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 24/39

24 

6. 

Nonlinear Networked Systems 

Most coupled oscillators in the natural world are organized in large networks, such as 

pacemaker cells in heart, neural networks in brain, fireflies with synchronized flashes, crickets 

with synchronized chirping, etc. System (4) represents such an instance with a chain structure. 

There are many other possible structures, such as e.g. the three symmetric ones illustrated in 

Figure 1. 

In this section, we show that partial contraction analysis can be used to study 

synchronization in networks of  nonlinear dynamic systems of  various structures and arbitrary 

size. Coupling forces can be nonlinear as well. 

Figure 1: Networks with different symmetric structures (n = 4) 

6.1 Networks with All‐To‐All Symmetry 

Consider first a network with all‐to‐all symmetry, that is, with each element coupled to 

all the others. Such a network can be analyzed using an immediate extension of  Theorem 8. 

Theorem 11: Consider n coupled systems. If  a contracting function h(

, t) exists such that 

    − h(, t) = ∙ ∙ ∙ =     − h(, t) 

then all the systems will synchronize exponentially regardless of  the initial conditions. 

For instance, for identical oscillators coupled with diffusion‐type force 

   = f  (, t) + ∑ u u i = 1, 2, . . . , n 

contraction of  f  − nu guarantees synchronization of  the whole network. 

Mirollo and Strogatz study an all‐to‐all network of  pulse‐coupled integrate‐and‐fire oscillators, and derive a similar result on global synchronization. 

6.2 Networks with Less Symmetry 

Besides its direct application to all‐to‐all networks, Theorem 11 may also be used to 

study networks with less symmetry. 

Page 25: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 25/39

25 

Example 12: Consider an n = 4 network with two‐way‐ring symmetry (as illustrated in Figure 

1(b)) 

   = f  (, t) + (u() − u()) + (u() − u())  i = 1, 2, 3, 4 

where the subscripts i − 1 and i + 1 are computed circularly. Combining these four oscillators into two groups (, ) and (, ), we find 

  f , t 2u  f , t 2u =   f , t 2u  f , t 2u = u uu u  

Thus, if  the function f  − 2u is contracting, (, ) converges to (, ) exponentially, 

and hence 

  f , t 2u 2u  f , t 2u 2 u

 

so that in turn  converges to  exponentially if  the function f  − 4u is contracting. The four 

oscillators then reach synchrony exponentially regardless of  the initial conditions. 

An extended partial contraction analysis can be used to study the example below, the 

idea of  which will be generalized in the following section. 

6.3 Networks with General Structure 

Let us now move to networked systems under a very general coupling structure. For 

notational simplicity, we first assume that coupling forces are linear diffusive with gains  (associated with coupling from node i to   j) positive definite, i.e.,  =  > 0. We further 

assume that coupling links are bidirectional and symmetric in different directions, i.e.,  = . 

All these assumptions can be relaxed as we will show later. 

Theorem 12: Regardless of  initial conditions, all the elements within a generally coupled 

network will reach synchrony or group agreement exponentially if  

• the network is connected 

• 

 (

 ) is upper bounded 

• the couplings are strong enough 

Specifically, the auxiliary system is contracting if  

 () > max   uniformly 

Page 26: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 26/39

26 

6.4 Extensions 

Besides the properties discussed above, let us make a few more extensions to Theorem 

6, and relax assumptions made earlier. 

6.4.1 Nonlinear

 Couplings

 

The analysis carries on straightforwardly to nonlinear couplings. For instance, 

   = f  (, t) + ∑   , ,x ,tЄ  

where the couplings are of  the form 

 =   ( ‐ , x, t) 

with 

 (0, x, t) = 0 

 i,   j, x, t. The whole proof  is the same except that we define 

 =    ,,    > 0  uniformly 

and assume   = . 

For instance, one may have 

 = ( (t) + (t) ||   ||)    

with 

 = 

 > 0 uniformly and 

 = 

 ≥ 0, in which case we can construct a simplified 

auxiliary system as     = f  (, t) + ∑ t t ||   ||   Є   ‐  ∑   +  ∑  

Note that if  the network is all‐to‐all coupled, the coupling forces can be even more 

general. 

6.4.2 One‐way Couplings 

The bidirectional coupling assumption on each link is not always necessary. Consider a 

coupled network with one‐way‐ring structure and linear diffusion coupling force 

   = f  (, t) + K ( − )  i = 1, . . . , n 

where by convention i − 1 = n when i = 1. We assume that the coupling gain K =  > 0 is 

identical to all links. Hence, 

  = −  −  

Page 27: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 27/39

27 

is negative definite with 

 = ∑ , 1  

Since 

 ( ∑ , 1   ) =   (K)  (∑ , 1   ) =  (K) (1 ‐ cos   ), 

the threshold to reach synchrony exponentially is 

 (K) (1 ‐ cos   ) > max    uniformly 

Thus, Theorem 12 can be extended to networks whose links are either bidirectional with   =  or unidirectional but formed as rings with   = K (where K is identical within the same 

ring but may differ between different rings). Synchronized groups with increasing complexity 

can be generated through accumulation of  smaller groups. 

Throughout the remainder of  the paper, all results on bidirectionally coupled networks 

will apply to unidirectional rings as well. 

6.4.3 Positive Semi‐Definite Couplings 

Theorem 12 requires definite coupling gains. If  the  are only positive semi‐definite, 

additional conditions must be added to the uncoupled system dynamics to guarantee globally 

stable synchronization. 

Without loss of  generality, we assume 

 =  00 0 

where  is positive definite and has a common dimension for all links. Thus, we can divide 

the uncoupled dynamics   into the form 

  =    

 

  

with each component having the same dimension as that of  the corresponding one in . A 

sufficient condition to guarantee globally stable synchronization behavior in the region beyond 

a coupling strength threshold is that, i,   is contracting and both ( ) and σ( ) 

are upper bounded. 

Example 13: The FitzHugh‐Nagumo (FN) model is a well‐known spiking‐neuron model. Consider 

a diffusion‐coupled network with n identical FitzHugh‐Nagumo neurons 

Page 28: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 28/39

28 

  c     13    I Є  1c

    a b i 1, . . . , n  

where a, b, c are strictly positive constants. Defining a transformation matrix Θ = 1 00 , which 

leaves the coupling gain unchanged, yields the generalized Jacobian of  the uncoupled dynamics 

 =  1 11  

Thus the whole network will synchronize exponentially if  

 (

,ЄN

) = 

 (

) > c 

Note that the model can be generalized using a linear state transformation to a 

dimensionless system, with partial contraction analysis yielding a similar result. 

6.5 Algebraic Connectivity 

For a coupled network with given structure, increasing the coupling gain for a link or 

adding an extra link will both improve the synchronization process. In fact, these two 

operations are the same in a general understanding by adding an extra term −  to the 

matrix 

 . According to Weyl’s Theorem, if  square matrices A and B are Hermitian and the 

eigenvalues (A), (B) and (A + B) are arranged in increasing order, for each k = 1, 2, . . ., n, we have 

(A) + (B) ≤ (A + B) ≤ (A) + (B) 

which means immediately 

(  − ) ≤ ( ) 

since 

(−

) = 0. 

Example 14: Kopell and Ermentrout show that closed rings of  oscillators will reliably 

synchronize with nearest‐neighbor coupling, while open chains require nearest and next‐

nearest neighbour coupling. This result can be explained by assuming all gains are identical and 

expressing the synchronization condition as 

K >     uniformly 

Page 29: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 29/39

29 

Assuming n extremely large, for a graph with two‐way‐chain structure 

 = 2 ( 1 − cos(  ) ) ≈ 2    

while for a graph with two‐way‐ring structure 

 = 2 ( 1 − cos(   ) ) ≈ 8    

As illustrated in Figure 2, although the number of  links only differs by one in these two cases, 

the effort to synchronize an open chain network is four times of  that to a closed one. 

Figure 2: Comparison of  a chain network and a ring. 

Example 15: Consider a ring network, a star network and an all‐to‐all network (Figure 3) as 

network size n tends to ∞. For the ring network, the coupling strength threshold for 

synchronization tends to infinity. For the star network it only needs to be of  order 1, and for the 

all‐to‐all network it actually tends to 0. 

Thus, predictably, it is much easier to synchronize the star network than the ring. This is 

because the central node in the star network performs a global role, which keeps the graph 

diameter constant no matter how big the network size is. Such a star‐liked structure is 

common. The internet, for instance, is composed of  many connected subnetworks with star 

structures. 

Figure 3: Comparison of  three different kinds of  networks. 

This result is closely related to the Small World problem. Strogatz and Watts showed that the average distance between nodes decreases with the increasing of  the probability of  adding 

short paths to each node. They also conjectured that synchronizability will be enhanced if  the 

node is endowed with dynamics, which Barahona and Pecora showed numerically. 

6.6 Fast Inhibition 

Page 30: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 30/39

30 

The dynamics of  a large network of  synchronized elements can be completely 

transformed by the addition of  a single inhibitory coupling link. Start for instance with the 

synchronized network and add a single inhibitory link between two arbitrary elements a and b 

   = f  (

, t) + 

∑ Є  + K (

    = f  (, t) + ∑ Є   + K ( ) 

6.7 Switching Networks 

Closely related to oscillator synchronization, topics of  collective behavior and group 

cooperation have also been the object of  extensive recent research. A fundamental 

understanding of  aggregate motions in the natural world, such as bird flocks, fish schools, 

animal herds, or bee swarms, for instance, would greatly help in achieving desired collective 

behaviors of  artificial multi‐agent systems, such as vehicles with distributed cooperative control 

rules. Since such networks are composed of  moving units and each moving unit can only couple 

to its current neighbors, the network structure may change abruptly and asynchronously. 

Consider such a network 

   = f  (, t) + ∑ Є   i = 1, . . . , n 

where ) denotes the set of  the active links associated with element i at time t. Apply partial 

contraction analysis to each time interval during which the network structure N(t) is fixed. If  

 (

) > 

max  uniformly 

the auxiliary system is always contracting, since δδy with δy = δ, . . . , δ   is continuous 

in time and upper bounded by a vanishing exponential (though its time‐derivative can be 

discontinuous at discrete instants). Since the particular solution of  the auxiliary system in each 

time interval is  = ∙ ∙ ∙ =  = , these n elements will reach synchrony exponentially as they 

tend to   = ∙ ∙ ∙ =   which is a constant region in the state‐space. The threshold phenomenon 

described by inequality is also reminiscent of  phase transitions in physics and of  Bose‐Einstein 

condensation. 

6.8 Leader

‐Followers

 Network

 

In a network composed of  peers, the phase of  the collective behavior is hard to predict, 

since it depends on the initial conditions of  all the coupled elements. To let the whole network 

converge to a specific trajectory, a “leader” can be added [27, 36]. 

Consider the dynamics of  a coupled network 

Page 31: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 31/39

31 

    = f  (, t) 

   = f  (, t) + ∑ Є   +    i = 1, . . . , n 

where 

 is the state of  the leader, whose dynamics is independent, and 

 the state of  the ith 

follower.   is equal to either 0 or 1 and represents the connection from the leader to the followers.   denotes the set of  peer‐neighbors of  element i, i.e., it does not include the 

possible link from  to . Example: Extension 

Suppose that ω is now time‐varying such that 

 + (x) x  + x = u(t) 

where 

(x)  > 0, 

 > 0, and 

 > 0. 

The above dynamics is contracting since 

( ,   ) =  > 0. 

Page 32: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 32/39

32 

7. 

Applications of  Contraction Analysis 

This section illustrates the discussion with some immediate applications of  contraction 

analysis to specific control and estimation problems. 

7.1 PD

 observers

 

Observer design using contraction analysis can be simplified by prior coordinate 

transformations similar to those used in linear reduced‐order observer design. Consider the 

system 

 = f(x, t) 

y = h(x, t) 

where x is the state vector and y the measurement vector. Define a state observer with 

   = f(, t) − P ( − y) − D 

 =  + Dy 

where  = h(, t) and  =  f(,) + 

. By differentiation, this leads to the observer dynamics 

   = f(, t) − P ( − y) − D (  – ) 

Thus the dynamics of  

 contains 

, although the actual computation is done using 

equation and hence   is not explicitly used. 

7.2 Constrained Systems 

Many physical systems, such as mechanical systems with kinematic constraints or 

chemical systems in partial equilibrium, are described by an original n‐dimensional dynamics of  

the form 

 = f(z, t) 

constrained to an explicit m‐dimensional submanifold (m ≤ n) 

z = z(x, t) 

The constrained dynamic equations are then of  the form 

 = f(z, t) + n 

Page 33: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 33/39

33 

where n represents a superimposed flow normal to the manifold, 

n = 0 − the components of  

n are Lagrange parameters. In a mechanical system, z represents unconstrained positions and 

velocities, x generalized coordinates and associated velocities, and n constraint forces. 

Multiplying from the left with 

 results in 

 = 

(   + 

) = 

 f(z) 

so that a uniformly positive definite metric M =   allows one to compute with  = 

f(z, t) −

 

n =  − f  =  + 

  

 (f  ‐ ) ‐ f  

The variation is 

δ = ‐

 n δx +    δz 

so that 

  (δxMδx) = δx 

   δx ‐ δx 

 n δx 

Consider now a specific trajectory 

(t) of  the unconstrained flow field which naturally 

remains on the manifold z(x, t). Then the normal flow n around this trajectory vanishes, so that 

locally the contraction behavior is determined by the projection of  the original Jacobian 

  =    

 

Contraction of  the original unconstrained flow thus implies local contraction of  the 

constrained flow, and the contraction region around the trajectory can be computed. 

This result can be used to study the contraction behavior of  mechanical systems with 

linear external forces, such as PD terms or gravity − Newton’s law in the original unconstrained 

state space is then linear, and z = z(x, t) are kinematic constraints. Exponential convergence around one trajectory z(t) at which the constraint forces vanish can then be concluded in the 

region where the projection of  the original constant Jacobian   is uniformly negative definite. 

Exponential convergence of  a controller or can thus be achieved by stabilizing the 

unconstrained dynamics with a PD part, and adding an open‐loop control input to guarantee 

Page 34: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 34/39

34 

that a desired trajectory consistent with the kinematic constraints is indeed contained in the 

unconstrained flow field. 

7.3 Linear Time‐Varying Systems 

As another illustration, this section shows that contraction analysis can be used systematically to control and observe linear time‐varying (LTV) systems. 

7.3.1 LTV controllers 

Consider a general smooth linear time‐varying system 

 = A(t)x + b(t)u 

with control input u = K(t)x +  (t). We focus on choosing the gain K(t) so as to achieve 

contraction behavior; whereas the open‐loop term 

 (t) then guarantees that the desired 

trajectory, if  feasible, is indeed contained in the flow field (this guarantee and a similar 

computation is required of  any controller design). 

We need to find a smooth coordinate transformation δz = Θ(t)δx that leads to the 

generalized Jacobian F 

F = (   + Θ (A + bK))  = 

0 1 0 … 00 0 1 … 0 0 0 0 0 1 …

 

with the desired (Hurwitz) constant characteristic coefficients . The above equation can be 

rewritten in terms of  the row vectors θ  (j = 1, ∙ ∙ ∙, n) of  Θ as 

θ   + θ (A + bK) = θ    j = 1, ∙ ∙ ∙, n − 1 

θ    + θ (A + bK) = ‐a θθ 

In order to make the coordinate transformation Θ independent of  the control input, let 

us impose recursively, t ≥ 0, the following constraints on the θ 

0 = θb = θb 

0 = θb = (θ    + θA) b − (θb) = θb 

Page 35: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 35/39

35 

0 = θb = (θ    + θA) b − (θb) = θb 

= (θ    + θA)  b − (θb) = θb 

 

D = θb = θb 

where the b are generalized Lie derivatives (Lovelock and Rund, 1989) 

b = b 

b = A b − b    j = 0, ..., n − 1 

Choosing D = det |

b ... 

b| the above can always be solved algebraically for a 

smooth θ, and from (22) the remaining smooth θ  j can then be computed algebraically using the recursion 

θ = θ   + θ  A    j = 1, ∙ ∙ ∙ , n − 1 

This leads to a smooth bounded metric, and the feedback gain K(t) can then be 

computed from 

D K(t) = ‐a θθ

 ‐ θ    ‐ θ A 

Exponential convergence of  δx is then guaranteed for uniformly positive definite metric 

M = Θ. The uniform positive definiteness of  M hence represents a sufficient “contractibility” 

condition. 

Note that the terms θ   and  b distinguish this derivation from the usual pole‐

placement in an LTI system, as well as from related gain‐scheduling. The method guarantees 

global exponential convergence, and can be extended straightforwardly to multi‐input systems. 

7.3.2 LTV observers 

Similarly, consider again the plant above, but assume that only the measurement y = 

C(t)x + d(t) is available. Define the observer 

   = A(t) + E(t) (y − c(t) + d(t)) + b(t)u 

Page 36: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 36/39

36 

Since by definition the actual state is contained in the flow field, no “open‐loop” term is 

needed, but we need to find a smooth coordinate transformation δ = Σ(t)δ that leads to the 

generalized Jacobian F 

F =  (−   + (A − Ec) Σ ) = 

0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1  

with the desired (Hurwitz) constant characteristic coefficients . The above equation can be 

rewritten in term of  the column vectors σ  of  Σ as 

‐    + (A − Ec) σ = σ    j = 1, ∙ ∙ ∙ , n − 1 

   + (A − Ec) 

σ = − (

σ ∙ ∙ ∙

σ)a 

Proceeding as before by imposing the constraints 

c σ = 0    j = 0, ..., n − 2 

c σ = det|c ... c| 

where the c are now defined as 

c = c 

c = c A +   c    j = 0, ..., n − 1 

allows one to solve algebraically for a smooth σ , and then compute the remaining smooth σ 

recursively 

σ = ‐    + A σ     j = 1, ∙ ∙ ∙ , n − 1 

leading to a uniformly positive definite metric. The feedback gain E(t) can then be computed 

from (28) 

ED = (σ ∙ ∙ ∙ σ) a −     + A σ 

Exponential convergence of  δ to zero and thus of   to x is then guaranteed for a 

bounded metric M = Σ. The boundedness of  M hence represents a sufficient observability 

condition. 

Page 37: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 37/39

37 

Again, the terms    and  c distinguish this derivation from pole‐placement in LTI 

systems, or from extended Kalman filter‐like designs (Bar‐Shalom and Fortmann, 1988). The 

method guarantees global exponential convergence, and can be extended straightforwardly to 

multi‐output systems. 

7.3.3 Separation principle 

These LTV designs satisfy a separation principle. Indeed, let us combine the above 

controller and observer (perhaps with different coefficient vectors a) 

u = K(t) + (t) 

Subtracting the plant dynamics from the observer dynamics leads with  =  − x to 

  = (A(t) − E(t)C(t)) 

 

so that the Jacobian of  the error‐dynamics of  the observer is unchanged. Since the observer 

error‐dynamics and the controller dynamics represent a hierarchical system, they can be 

designed separately as long as the control gain K(t) is bounded. 

7.3.4 Nonlinear controllers and observers 

Consider now the nonlinear system 

δ

 = 

  δx +   δu  δy = 

 δx 

Let 

A(t) =   ((t), t)  B(t) = 

  ((t), t)  c(t) =  ((t), t) 

where (t) is the desired trajectory. Applying the controller and observer designs above to the 

LTV system defined by A(t), b(t), and c(t) then guarantees contraction behavior in regions of  

uniformly negative definite 

 = (

  (

(t), t) + Θ(

(t), t)(

  

 (x, t) + 

 

 (x, t)K(

(t), t)) Θ

t,t 

And 

 = Σ (t (‐ Σ  ((t), t) + (   (x, t) ‐ E ((t), t)  (x, t)) Σ ((t), t)) 

similarly to Example. Thus exponential convergence is guaranteed explicitly in a given finite 

region around the desired trajectory. 

Page 38: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 38/39

38 

Concluding Remarks 

By taking advantage of  the way the theory is constructed in [12], [20], the methodology 

for contraction‐based stability analysis can depart quite far from the one usually applied in the 

context of  Lyapunov theory. One of  its main features, exploiting the incremental nature of  the 

theory, is to consider two different levels of  system description, namely the virtual system, 

which can be seen as an abstract definition of  a differential equation since no initial value or 

particular solution is specified, and the actual systems or particular solutions that are the result 

of  an instantiation of  the above virtual system. As we saw, such an approach can be quite 

natural in both a controller context and an observer context. 

The other important feature, which is another fundamental aspect of  contraction 

theory, is the extensive use of  virtual displacements which help eliminate in a rigorous and ef  

cient way the terms that are not directly responsible for the convergent behavior of  the system. 

This variational approach was seen to be quite effective at simplifying computations in a variety 

of  cases. 

Such a methodology could be appealing for both linear and nonlinear designs. Indeed, it 

makes explicit different kinds of  linearities hidden behind an observer or a controller design, 

whether these linearities come from a pure linear system, a state‐af  ne representation, or a 

Lipschitz‐like condition. 

Another feature of  contraction is that exponential convergence of  a system, whether 

linear or nonlinear, can always be expressed in terms of  a quadratic form of  virtual 

displacements, thus emphazising the linear‐like character of  exponential incremental stability. 

Page 39: 114731168-Contraction-Analysis.pdf

7/26/2019 114731168-Contraction-Analysis.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/114731168-contraction-analysispdf 39/39

References 

[1] Lohmiller, W., and Slotine, J.J.E. (1998) “On Contraction Analysis for Nonlinear Systems”, 

Automatica, 34(6) 

[2] Lohmiller, W., and Slotine, J.J.E. (2000) “Control System Design for Mechanical Systems 

Using Contraction Theory”, IEEE Trans. Aut. Control, 45(5) 

[3] Lohmiller, W., and Slotine, J.J.E. (2000) “Nonlinear Process Control Using Contraction 

Theory”, A.I.Ch.E. Journal, March 2000. 

[4] J. J. Slotine and W. Lohmiller, “Modularity, evolution, and the binding problem: a view from 

stability theory”, Neural Networks, Vol 14, p137‐145, 2001 

[5] W. Wang and J.‐J. E. Slotine, “On partial contraction analysis for coupled nonlinear 

oscillators,” Technical report, MIT Nonlinear Systems Laboratory, 2003. 

[6] Jérôme Jouffroy, Jean‐Jacques E. Slotine, “Methodological remarks on contraction theory”, 

Technical report, MIT Nonlinear Systems Laboratory, 2004. 

[7] Lohmiller, W., and Slotine, J.J.E. (2000) “Contraction Analysis of  Nonlinear Distributed 

Systems”, International Journal of  Control, 78(9), 2005. 

[8] Lohmiller, W., and Slotine, J.J.E. (2000) “High‐Order Nonlinear Contraction Analysis”, MIT 

NSL Report, NSL‐050901, September 2005. 

[9] Soon‐Jo Chung, Thesis on “Nonlinear Control and Synchronization of  Multiple Langragian 

Systems with Applications to Tethered Formation Flight Spacecraft”, MIT 2007.