网联系统的事件驱动协同控制研究

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网联系统泛指由多个智能系统通过网络交互、耦合构成的群体。随着信息技术的飞速发展,网联系统协同技术广泛应用于航空航天、智能电网、智能制造、智慧交通等领域。实际网联系统仅具备有限的通信成本和带宽,利用事件驱动通信机制高效配置通信资源是必要的。而网联系统因事件驱动通信具有的混杂特性,因实际环境的复杂性具有的不确定性、非线性、异构性,以及系统本身具有的双时间尺度特性,使得网联系统的协同行为的分析更为困难,给网联系统协同控制带来了挑战。针对具备上述特性的网联系统,开展事件驱动协同控制研究具有重要的应用价值和理论意义。本文分别以单时间尺度系统的输出调节和双时间尺度系统的镇定研究为基础,进一步针对复杂环境下的单时间尺度和双时间尺度网联系统,围绕事件驱动协同控制开展研究。主要研究内容和成果如下:针对一类不确定非线性系统的输出调节问题,结合内模原理和Nussbaum增益技术,设计了不依赖控制方向的自适应事件驱动输出反馈控制器,并基于Lyapunov函数,建立了无“芝诺”现象的事件驱动采样和通信机制,使得闭环系统对外部扰动是内部稳定的,同时系统输出能渐近跟踪外部参考轨迹。在事件驱动控制策略下,系统只需在事件驱动时刻与控制器进行通信并更新执行器,具有低能耗的优势。论文以Lorenz系统的输出调节问题为例,同时通过对比仿真,验证了理论结果的有效性。针对一类控制方向未知且不同的异构线性网联系统,在无向切换连通拓扑下研究了输出一致性问题。设计了一类基于事件驱动通信机制的自适应分布式控制器,并基于公共Lyapunov函数方法,建立了每个系统的实用事件驱动通信机制,得到了异构线性网联系统实现输出一致的充分条件。进一步,设计了自驱动通信机制,避免了对自身和邻居状态的实时监测,有效减少了通信损耗。针对一类控制方向未知且不同的异构不确定非线性网联系统,在联合连通拓扑下讨论了外部扰动影响下的输出一致性问题,设计了基于事件驱动的输出反馈分层协同控制协议。上层针对虚拟系统设计了事件驱动协同控制器,基于时变系统的Lyapunov函数分析方法,建立了实现网联虚拟系统状态一致的事件驱动机制,揭示了联合连通拓扑、事件驱动机制设计和网联系统协同行为的内在联系。下层基于内模原理与Nussbaum增益函数,针对非线性系统设计了不依赖于控制方向的自适应输出反馈控制器,实现了网联系统的输出一致。论文以异构网联Lorenz系统为例,验证了所设计输出一致协同控制器的有效性。针对一类在快、慢时间尺度演化的线性双时间尺度系统,基于固定时间稳定性引理和奇异摄动理论,设计了一类事件驱动状态反馈控制器,并分别为慢变子系统和快变子系统建立了无“芝诺”现象的事件驱动机制,使得系统状态在不依赖于初始状态的有限时间内能达到实用稳定,揭示了时间尺度分离度指标、事件驱动机制参数与系统实用固定时间稳定性的内在联系。最后,通过对比仿真验证了理论结果的有效性。针对固定拓扑下线性双时间尺度网联系统的保成本状态一致性问题,设计了一类不依赖于时间尺度分离度参数的事件驱动协同控制器,并基于所提出的复合Lyapunov函数,分别建立了慢变和快变网联子系统的事件驱动机制,使得系统状态能在有限成本下渐近达到一致,揭示了事件驱动机制参数、时间尺度分离度参数和网络规模对网联系统协同行为的影响;进而将结果推广到存在结构不确定的双时间尺度网联系统,基于Lyapunov函数分析方法,给出了结构不确定参数的约束条件,得到了网联系统保成本一致的充分条件,揭示了结构不确定参数对协同行为的内在影响,以及事件驱动机制参数与网联系统实现一致所需成本之间的内在联系。论文以三台直流电机组成的网联系统为例,验证了理论结果的有效性。针对切换拓扑下线性双时间尺度网联系统的状态一致性问题,设计了一类基于模型的事件驱动协同控制协议。首先将该系统建模成一个不确定混杂系统,基于混杂系统理论,分别为快变子系统和慢变子系统设计了动态事件驱动通信机制,得到了网联系统状态一致的充分条件,揭示了切换平均间隔时间、网络规模与网联系统协同行为的内在联系。进而将相关结果推广到解决脉冲双时间尺度网联系统的状态一致性问题,揭示了脉冲强度、脉冲平均间隔时间对协同行为的影响。
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