基于自适应牵制控制的复杂网络聚类同步研究

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近年来,复杂系统和复杂动态网络受到来自生态科学、工程学和社会学等诸多学科领域学者的广泛关注,而同步作为复杂网络典型的集群行为,由于其重要的现实意义和普遍性,使其成为21世纪科学技术前沿战略性课题之一.现实世界中,许多网络普遍存在明显的聚类现象,其基本特点是属于同一聚类的系统连接相对紧密,属于不同聚类的系统连接相对稀疏.本学位论文对复杂网络同步控制的相关理论进行了系统性的阐述.考虑现实环境的复杂性,提出了几种具有时滞和多种耦合方式的复杂网络模型及其聚类同步控制策略,主要研究内容如下:首先,本文研究了分别由奇异和非奇异Lur’e系统耦合而成的时滞复杂动态网络自适应聚类同步问题.考虑到网络的聚类拓扑结构,巧妙设计了一类牵制反馈控制器,仅控制当前聚类中与其他聚类有直接连接的Lur’e系统,从而有效减少控制器个数,同时降低控制成本.通过合理构造Lyapunov函数,并有效利用Lyapunov稳定性理论、扇形条件及可接受非线性耦合函数类概念等方法,分别给出奇异和非奇异Lur’e动态网络实现聚类同步的判定条件.最后,为了验证所得聚类同步判定条件和控制器的有效性,对一类典型Lur’e网络聚类同步问题进行了数值仿真.其次,本文讨论了一类非线性、非恒同和多重时滞耦合Lur’e网络全局指数自适应聚类同步问题.该部分考虑此网络的同一聚类中所有系统具有相同动力学性态而不同聚类中系统动力学性态不同的情形.考虑到控制器工作环境的复杂性,设计了一种具有时变时滞的脉冲牵制控制器.利用Lyapunov稳定性理论、平均脉冲间隔概念和数学归纳法等得到了网络实现聚类同步的判定条件.此外,为有效节省控制成本,针对控制强度设计一类自适应更新定律,从而得到网络实现聚类同步的最优控制强度.最后,通过数值仿真验证所得理论结果和控制策略的有效性.最后,为了建立更加符合实际情况的网络模型,本文研究了一类经由Lur’e系统耦合而成的具有非线性、时滞和导数型耦合网络的全局指数自适应聚类同步问题.考虑到网络中系统之间存在导数型耦合,构建了新颖的Lyapunov函数.此外,基于网络的聚类拓扑结构,巧妙设计了一类只施加在部分节点上的自适应牵制控制策略.为了提高复杂网络同步控制速率和控制效率,引入了一种仅在离散时间点对系统施加控制作用的脉冲控制策略.基于平均脉冲间隔概念、比较原理、扩展参数变分法和反证法等,得到了在不同脉冲效应下实现网络聚类同步的判定条件.最后,通过三组数值模拟验证了理论结果和控制策略的有效性.
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