网络化线性正系统的非负连边饱和一致性问题研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Melissachen
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一致性作为协作控制中最重要且最基础的协调行为已经被研究很多年,但绝大多数研究结果只关注网络中节点状态的演化。然而,对于交通网络、社交网络、计算机-路由器网络等侧重物质、信息或数据传输的网络,往往更关注网络中连边状态的演化。基于上述缘由,网络化系统的连边一致性研究在近几年受到了部分学者的关注,但由于网络化系统内部信息很难或不可能被检测到,以及连边状态的非负属性、连边状态的比例特性、控制输入的饱和特性、大规模网络全局信息获取困难等现实因素,网络化系统的连边一致性研究尚待深入探讨。因此,本文以网络化线性正系统为对象,提出了多种以观测器为基础的连边一致性协议,并在此基础上,研究了多约束下的非负连边饱和一致性问题。具体研究内容如下:研究状态不可测、输入饱和、状态非负性约束下的网络化连续时间线性正系统的非负连边饱和一致性问题。设计出两种以观测器为基础的连边一致性协议,并给出协议的具体演化过程。综合运用线图理论、正系统理论、李雅普诺夫稳定性理论,以及以ARE(algebraic Riccati equation)和DARE(dual algebraic Riccati equation)为基础的低增益反馈机制,分别推导出两种协议下反馈增益矩阵和观测器增益矩阵的显性表达式,并给出能保证控制输入始终在阈值范围内和连边状态始终非负的一致性条件。在此一致性协议下,能同时保证所有一致性条件的反馈增益矩阵和观测器增益矩阵存在且易获得。研究状态比例特性、状态不可测、输入饱和、以及状态非负性约束下的网络化离散时间线性正系统的非负比例连边饱和一致性问题。设计出两种融合了状态比例特性的以观测器为基础的比例连边一致性协议,并借助线图理论,给出协议具体的演化过程。通过求解MARE(modified algebraic Riccati equation)和MDARE(modified dual algebraic Riccati equation),分别推导出反馈增益矩阵和观测器增益矩阵的显性表达式。基于低增益反馈机制、正系统理论和李雅普诺夫稳定性理论,得到满足输入饱和约束、连边状态非负性约束、以及能达到比例一致的充分条件。在此比例一致性协议下,当反馈增益矩阵和观测器增益矩阵非正时,所有充分条件能够被保证。研究网络全局信息未知、状态不可测、输入饱和、状态非负性约束、以及状态比例特性下的网络化连续时间线性正系统的全分布式非负比例连边饱和一致性问题。打破现有的连边一致性协议需使用网络全局信息的限制,旨在使连边一致性协议、一致性条件和相关结论都独立于网络。具体地,构造出两种融合了状态比例特性的自适应耦合增益函数,提出两种以观测器为基础的全分布式比例连边一致性协议。通过求解不含任何网络全局信息的ARE和DARE,构造出反馈增益矩阵和观测器增益矩阵的显性表达式。基于自适应控制理论,分别设计出两种不同协议下的李雅普诺夫改进函数,再借助正系统理论和低增益反馈方法,推导出能保证控制输入始终在阈值范围内、连边状态始终非负且最终能达到比例一致的充分条件。在此全分布式比例一致性协议下,能保证所有充分条件的反馈增益矩阵和观测器增益矩阵存在且易获得。研究状态非负性约束、输入饱和约束、以及仅用邻居连边真实输出下的网络化线性正系统的非负连边饱和一致性问题。打破现有以观测器为基础的连边一致性协议需使用邻居连边观测器信息的限制,旨在构造出仅用邻居连边真实输出的连边一致性协议。综合运用线图理论、正系统理论、以LMI(linear matrix inequality)为基础的控制方法和以ARE、MARE为基础的低增益反馈机制,分别得到连续时间和离散时间两种情形下反馈增益矩阵和观测器增益矩阵的显性表达式,以及能满足输入饱和约束、连边状态非负性约束的一致性条件。在此一致性协议下,无论是连续时间情形,还是离散时间情形,能同时满足所有一致性条件的反馈增益矩阵和观测器增益矩阵可能是不存在的。因此,后续研究旨在解决此问题。研究状态比例特性、状态非负性约束、输入饱和约束、以及仅用邻居连边真实输出下的网络化线性正系统的非负比例连边饱和一致性问题。改进了仅用邻居连边真实输出的连边一致性协议。突破了反馈增益矩阵和观测器增益矩阵可能是不存在的难点,使得在连续时间情形下,增益矩阵均存在且易获得;在离散时间情形下,当不考虑连边状态非负性约束时,增益矩阵均存在且易获得,而当考虑连边状态非负性约束时,仅需保证增益矩阵均非正。具体地,观测器增益矩阵不是通过求解控制机制下的LMI获得,而是通过求解DARE和MDARE获得,并利用传递函数的范数辅助分析比例连边饱和一致性的实现问题。
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