复杂动态网络的事件驱动同步控制及应用

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复杂系统广泛存在于现实世界中,是21世纪的重点研究课题之一,具有重要的实际应用背景和理论研究意义。通过将复杂系统看作是由系统中的多个个体(节点)以及个体间关系所组成的网络系统,复杂网络成为了描述和理解复杂系统的重要工具和方法。目前关于复杂网络的研究存在于多个领域,如数学,物理学,计算机科学,生物学以及社会学等等。对于自然界中的各类复杂网络系统来说,同步不仅仅是一种普遍且典型的聚集性行为,也是复杂网络最重要的动力学特性之一。复杂动态网络作为复杂网络的一个重要分支,其同步问题受到了众多科研工作者的广泛关注。在复杂动态网络同步的过程中,网络环境的变化如网络拓扑结构的变化以及网络延时等都会影响网络的同步。同时,在现在的数字通信网络中,连续的传输和接收信息在实际应用中难以实现,传统的周期采样势必会引起能源,带宽以及计算资源的浪费,而事件驱动机制很好的解决了此类问题。随着复杂网络同步理论的快速发展,电力系统这个庞大而复杂的非线性网络也吸引了很多学者的眼球。与此同时,新能源发电技术突飞猛进,越来越多的分布式能源接入电力系统,而分布式能源的随机性和波动性使得电网将遭受更多的扰动,这无疑对电网的稳定性控制提出了更高的要求。本文主要研究了合作有向生成树(时变)拓扑下二阶线性/非线性以及非线性耦合几类复杂动态网络的事件驱动同步问题以及电网中的分布式功率控制问题。本文所考虑的拓扑不要求网络中的节点在任何时刻都连通,只需要网络拓扑所对应的拉普拉斯矩阵在一个周期T内的积分包含有向生成树。目前,大多数关于时变拓扑下复杂动态网络同步问题的研究考虑的是切换拓扑,而切换拓扑在每个切换间隔内拓扑都是固定的。进一步,通过应用Lyapunov稳定性理论、图论以及矩阵不等式等相关理论,给出了相应复杂动态网络同步的充分条件。最后,数值仿真验证了所得理论结果的有效性。主要内容概括如下:首先,针对含合作有向生成树拓扑的复杂动态网络上的一般二阶线性系统,基于事件驱动策略,设计了指数同步控制器并给出了网络达到指数同步的充分条件。根据矩阵不等式以及Lyapunov稳定性理论,通过选取合适的Lyapunov函数给出了详细的理论分析。同时,通过证明事件驱动间隔存在一个严格正的下界来排除了 Zeno现象。其次,考虑了含时变耦合矩阵的复杂动态网络上二阶非线性系统的同步问题。为了降低节点间的通信频率,设计了事件驱动方案。进而给出了复杂动态网络同步的充分条件以及事件驱动间隔的下界,说明了在所给时变拓扑下,不仅该复杂动态网络可以达到指数同步同时节点间信息传输的次数也大大的被减少。仿真结果进一步表明了所给理论结果的正确性。再次,基于事件驱动策略,我们考虑了时变拓扑下非线性耦合复杂动态网络的同步问题。针对两种不同的非线性耦合方式,分别设计了相应的控制器并给出了相应情形下网络达到指数同步的充分条件。利用Lyapunov稳定性理论并通过巧妙的矩阵变形,给出了详细的理论证明。为了排除Zeno现象,我们证明了两种情形下相邻的两次通信间存在一个最小的时间间隔。最后,考虑到在实际的分布式电网中,一些发电节点(风力、太阳能发电)以及负荷节点功率的随机波动性可能会导致整个电网频率无法稳定在额定频率。因此将实际电网建模为一阶Kuramoto模型(非线性耦合模型),将已知的额定频率作为参考频率设计了一个分布式的控制器。通过控制可控节点如火力发电节点的功率从而使得整个电网的频率恢复到额定频率并且电网中各发电节点的功率出力达到了公平,从而有效避免了发电机功率过大或过小的问题,做到了合理利用发电资源。此外,基于事件驱动策略,考虑了电网中的输出功率公平和频率恢复,并排除了Zeno现象。仿真实例验证了所设计控制器的有效性。
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