事件驱动控制下Kuramoto模型固定时间同步研究

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同步现象是复杂动态网络最重要的集体行为。网络同步性能的分析和同步控制是复杂网络研究的两个重要方面。如何建立数学模型解释自然界中的同步现象,如何设计同步机制并应用于实际问题都是本领域具有重要意义的研究课题。Kuramoto模型是描述复杂动态网络系统一种重要的数学模型,在物理学、生物学以及控制理论与工程应用中具有广泛的应用。Kuramoto模型作为一类耦合振子模型,可以有效地近似描述节点状态存在耦合关系的非线性网络系统的动力学特性。早期针对Kuramoto模型的大部分研究工作仅考虑了网络中振子全局耦合的情况,而实际网络的振子耦合关系更加复杂并且会受到突发干扰和变动等各种因素的影响,使得振子不能满足全局耦合的条件,进而导致同步动态的恶化。针对这类问题,近年来研究人员通过引入分层的分布式控制方法驱动局部耦合的Kuramoto模型达到同步,得到了良好的同步动态效果,但是目前多数的研究成果仅能够获得渐近同步、指数同步以及有限时间同步的结果。基于这些方法同步调节速率都受到振子初始状态的影响,而实际中使用Kuramoto模型描述的许多网络系统难以获取振子节点的初始状态。另外,实现分布式的同步控制方法需要使用通信网络传递节点的状态信息,并且在每个节点上根据自身状态信息和接收到的邻居的信息对控制量进行运算。当通信带宽和计算资源有限时,则难以满足控制的实时性,引发不良的同步动态。为了解决这些问题,本文结合控制领域近期的研究成果,将事件驱动机制和固定时间控制方法引入到局部耦合的Kuramoto模型同步控制问题中,提高了同步控制的动态性能,放宽了同步控制对初始状态的条件限制,同时降低了通信资源和计算资源的消耗,更加有利于网络稳定快速地同步。本文针对局部耦合的Kuramoto模型振子网络设计了具有分层结构的分布式控制策略,每个节点的控制器互相连接构成控制网络。同时考虑兼顾同步条件速度与通信资源消耗问题,主要进行了下列研究工作:(1)针对Kuramoto模型振子网络的相位同步问题,设计了基于事件驱动机制的分布式控制器。系统具有分层结构,分为振子层及控制层。其中振子层即为物理耦合网络,控制层中控制节点的耦合方法和振子层振子节点的耦合方式保持一致。基于此控制设计结构我们提出了一种事件驱动控制策略,获得了 Kuramoto模型振子网络的固定时间相位同步,此结果中同步的调节时间上界不会受网络中振子的初始状态的影响。随后进一步讨论网络系统中通信传输的效率问题,利用Lyapunov稳定性理论和代数图论,推导出事件触发的边界条件。同时,研究了不需要连续监测邻居振子节点状态的事件触发控制策略,进一步降低了状态监测和通信的成本。最后,仿真实例验证了理论结果的有效性。(2)针对Kuramoto模型振子网络的频率同步问题,参考已有的相位同步控制中的分层结构,进一步实现了事件驱动固定时间频率同步。通过设计新的同步误差系统模型,将频率同步中的阶次问题进行了转化,控制器的表现形式中增加了线性抵消项,用于抵消与相位同步中不同的非线性耦合项。然后再利用Lyapunov稳定性理论及固定时间稳定性定理,推出新的事件触发边界条件。最后同样得到了避免连续通信的事件驱动控制方法,并通过仿真实验进行了对比。(3)针对实际振子网络系统耦合易变化及网络化控制系统中通信易受干扰的特性,提出了不受变化拓扑影响的Kuramoto模型振子网络事件驱动固定时间相位同步控制策略。仍然使用分层的分布式网络控制结构,但是控制网的拓扑可以与振子网络的拓扑不同,并且当振子网络的拓扑连接度在一定范围内变化时,不会影响其固定时间同步的结果。使用Lyapunov稳定性理论分析方法证明了系统的同步不会受耦合振子的拓扑变化影响,并给出了控制层需要满足的网络连通度的具体条件。利用与前文的类似控制思路,也给出了避免连续监测邻居节点的事件驱动控制方法,节省了网络带宽资源。(4)针对含有起拍器的Kuramoto模型耦合振子网络设计了固定时间事件驱动相位同步控制方法。此时选取了包含振子层和控制层的两层网络结构,其中起拍器节点位于控制层中,与控制网络节点中的某一个或者某几个节点存在连接。在控制器设计时需要增加起拍器节点对耦合网络的拓扑的影响,重新选取同步误差系统及Lyapunov函数。另外从理论上分析了用饱和函数替换测量误差函数中的符号函数时,系统收敛的性能变化。根据判断同步误差是否进入饱和函数拐点边界,而分别使用不同的触发条件,提出了一种可以一定程度上降低自触发条件保守性的方法。同时也证明了 Zeno现象可以避免连续监测的事件驱动规则。最后,对基于事件驱动下分层结构的Kuramoto模型的固定时间同步控制进行了总结,并对后续向高阶Kuramoto模型网络、考虑阻挫效应、存在多种干扰、优化触发条件等可能的研究方向进行了展望。
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