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分布式动态系统是一种复杂的多变量系统,普遍存在于物理学、生物学以及工程应用中。耦合同步、动物群集、多机器人系统和Internet网络拥塞控制系统等都可用分布式动态系统描述。在分布式动态系统的分散控制研究中,时延的存在给分散控制算法的设计与分析带来了一定的困难,同时也引起了控制界学者越来越多的关注。
本文考察了具有时延的分布式动态系统的分散控制问题,主要选取多个体系统的一致性问题和Internet网络拥塞控制算法作为研究代表。根据多变量控制系统理论,特别是频域分析方法,对具有输入时延和通信时延的多个体系统的一致性收敛问题进行了分析。此外,设计分散的控制算法消除时延Internet网络拥塞控制算法中存在的振荡等不稳定现象。论文的主要成果如下:
1.根据广义Nyquist判据与Gerschgorin圆盘定理,并利用时延系统频率特性函数的几何特性,考察了具有输入时延和通信时延的一阶多个体系统的一致性问题,分别得到了两种情况下的分散形式的一致性条件:一种是连接拓扑结构为无向图、具有不同输入时延的多个体系统:另一种是连接拓扑结构为有向图、同时具有不同通信时延和不同输入时延的多个体系统。在同时具有通信时延和输入时延的多个体系统中,一致性条件与输入时延有关,而与通信时延的大小无关。而且,由两种情况下的一致性条件可知:在连接拓扑满足一定连通性的前提下,具有大输入时延的多个体系统可以通过采用较小的连接权值或拥有较少的邻居个体来达到一致。
2.针对具有不同通信时延的二阶多个体系统的一致性问题,采用了具有静态领导者的一致性协调控制算法。根据频域分析方法,分别得到了连续时间和采样时间多个体系统收敛到领导者状态的充分条件。当系统个体和领导者构成的有向连接拓扑以领导者为全局可达节点时,一致性收敛条件是分散形式的,且与通信时延大小无关。在采样时间多个体系统中,一致性收敛还取决于采样间隔的大小。
3.针对具有不同输入时延的二阶多个体系统的一致性问题,采用了领导-跟随一致性协调控制算法。利用频域分析方法,在一定的先决条件下,得到了具有对称连接权值的二阶多个体系统的分散形式的一致性条件。此外,考察了具有对称连接权值的二阶多个体系统对于非对称权值干扰的鲁棒性,得到了非对称干扰矩阵的最大奇异值界限作为鲁棒一致性条件。
4.针对具有不同通信时延的一阶多个体系统的一致性问题,提出了一种引入自时延的一致性算法。根据频域分析方法,得到了系统渐近收敛一致的充分条件,同时得到了系统最终收敛的一致状态的求解方法。在提出的算法中,引入自时延能够加速具有通信时延的多个体系统的收敛速度,而通信时延并不影响系统的收敛,但其可以延长收敛时间。此外,该一致性算法被应用到具有不同通信时延的二阶多个体系统的编队控制中,分别得到了系统渐近达到期望的静态编队与运动编队的充分条件,并给出了个体最终收敛状态的表达式。
5.设计分散的控制器来增强具有时延的分布式动态系统的稳定性,并消除系统中时延所引起的振荡等不稳定现象。以时延Internet网络拥塞控制算法为研究对象,将自时延反馈控制应用到网络拥塞控制中来消除Internet网络中的振荡,并利用频域分析方法对控制方法的稳定性进行了分析。值得指出的是:这种分散形式的自时延反馈控制器同样可以应用到其它具有时延的分布式动态系统中,如具有时延的多个体系统。