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基于非线性控制策略的多自主体系统有限时间一致性研究

作　者: 朱亚锟
导　师: 关新平
学　校: 燕山大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 多自主体系统有限时间一致性非线性控制协议同构系统异构系统脉冲控制策略事件触发控制策略
分类号: TP13
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着计算机、通信，以及传感等技术的不断发展，多自主体系统在诸如军事、工业生产、航空航天、经济等领域获得了广泛的应用，因此，在近些年来越来越多的学者投身于多自主体系统的研究。一致性问题是多自主体系统协作控制中最为基础的研究方向之一。考虑到许多实际系统中对一致性快速实现的需求，尤其是对于有高精度和高速度以及控制能耗要求的控制问题，本文在分析了现有研究成果的不足的基础上，针对几个不同的方面，提出了几种不同的有限时间一致性协议，使得多自主体系统的一致性能够在有限时间内实现。首先，针对连续的一致性控制带来的控制能耗大的问题，分别研究了无领航者和领航者-跟随者多自主体系统的有限时间一致性问题，提出了两种非线性的事件触发控制策略，明显地减少了控制器更新频率和控制能量消耗，同时，还加快了系统的一致性收敛速度，提高了系统抗干扰能力，延长了系统寿命。此外，还给出了触发间隔时间的下界，保证了Zeno行为不存在。其次，针对科技和工程应用领域中，许多系统都会在运动过程中的某些固定时刻或者非固定时刻会出现状态瞬间突变的现象，基于脉冲控制理论，提出了两种脉冲有限时间一致性控制协议，分别研究了无领航者和领航者-跟随者两种情况下的多自主体系统的脉冲有限时间控制问题。给出了充分条件来保证所提出的控制协议比无脉冲情形下的有限时间控制协议具有更快的收敛速度，进一步满足实际控制系统对高速度的需求。同时，还可以通过间歇地(而非连续地)发送领航者状态信息到(至少)一个跟随者自主体，来实现系统运动过程对系统一致状态的改变，满足实际控制系统对高精度的需求。然后，针对自主体之间通信链路能够保持的情形，研究了固定拓扑结构下的一阶和二阶多自主体系统的有限时间一致性问题，分别设计了非线性的控制协议，给出了多自主体系统有限时间一致的充分条件。接下来，针对环境中障碍物的出现或者通信网络故障等因素造成的自主体之间通信链路的增加或者缺失，使得自主体之间的拓扑结构出现切换或者不连通的情况，又分别研究了固定拓扑和两种切换拓扑下的领航者-跟随者多自主体系统的有限时间一致性问题，引入了分布式的误差函数，以及并图的概念，进而设计了分布式的非线性控制协议，分别提出了基于固定拓扑、切换拓扑，以及切换并图的连通性的多自主体系统有限时间一致的充分条件。最后，针对实际应用中，复杂环境的影响以及任务分工的不同，组成多自主体系统的个体可能具有不同功能或者动力学特性的情况，研究了由一阶和二阶自主体组成的异构多自主体系统的有限时间一致性问题，设计了异构的非线性控制协议，根据Lyapunov理论，得到了在无论领航者为一阶或者二阶自主体，还是静态或者动态自主体的情形下，异构多自主体系统的一致性都能够在有限时间内实现的充分性条件。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-29
  1.1 研究背景和意义  13-17
    1.1.1 多自主体网络系统的应用需求  13-15
    1.1.2 多自主体网络系统的研究挑战  15-16
    1.1.3 研究目的和意义  16-17
  1.2 基于线性控制协议的渐近一致性研究现状  17-23
    1.2.1 同构自主体系统的一致性研究  18-21
    1.2.2 异构自主体系统一致性研究  21
    1.2.3 脉冲控制下的系统一致性研究  21-22
    1.2.4 事件触发控制下的系统一致性研究  22-23
  1.3 基于非线性控制协议的有限时间一致性研究现状  23-26
  1.4 论文的研究内容及结构安排  26-29
第2章非线性事件触发控制策略下多自主体系统有限时间控制  29-41
  2.1 引言  29-30
  2.2 预备知识和问题描述  30-32
    2.2.1 代数图论理论  30
    2.2.2 重要引理  30-31
    2.2.3 问题描述  31-32
  2.3 无领航者系统事件触发控制协议设计  32-35
  2.4 有领航者系统事件触发控制协议设计  35-37
  2.5 数值仿真  37-40
  2.6 本章小结  40-41
第3章基于脉冲控制策略的多自主体系统协调控制  41-53
  3.1 引言  41-42
  3.2 系统模型和重要引理  42-43
    3.2.1 重要引理  42-43
    3.2.2 系统模型  43
  3.3 无领航者系统脉冲控制协议设计  43-46
  3.4 有领航者系统脉冲控制协议设计  46-48
  3.5 仿真例子  48-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章固定拓扑下多自主体系统有限时间一致性  53-70
  4.1 引言  53-54
  4.2 引理证明和问题描述  54-55
  4.3 一阶系统控制协议设计及一致性问题  55-57
  4.4 二阶系统控制协议设计及一致性问题  57-60
  4.5 两类自主体系统的仿真算例  60-69
    4.5.1 一阶自主体系统仿真算例  60-64
    4.5.2 二阶自主体系统仿真算例  64-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章基于分布式误差函数的多自主体系统有限时间控制  70-84
  5.1 引言  70-71
  5.2 图论知识和问题描述  71-72
  5.3 无向拓扑下分布式控制协议设计  72-79
  5.4 有向拓扑下的有限时间一致性  79
  5.5 仿真举例  79-83
    5.5.1 无向固定拓扑情形  80-81
    5.5.2 有向切换拓扑情形  81-83
  5.6 本章小结  83-84
第6章异构多自主体系统有限时间一致性  84-97
  6.1 引言  84-85
  6.2 问题描述  85-86
  6.3 异构系统控制协议设计及结论证明  86-90
  6.4 仿真结果  90-96
    6.4.1 一阶领航者仿真结果  90-93
    6.4.2 二阶领航者仿真结果  93-96
  6.5 本章小结  96-97
结论  97-99
参考文献  99-109
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果  109-111
致谢  111-112
作者简介  112

基于非线性控制策略的多自主体系统有限时间一致性研究

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