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复杂多自主体系统的群集运动研究

褚福芳  
【摘要】:近年来,随着生物学、计算机、控制科学、人工智能等学科的发展与交叉渗透,多自主体系统协调控制问题越来越受到众多学者的广泛关注,已发展成为控制学科的重点问题。群集运动作为协调控制研究的重要问题之一,自然也成了众多学者深入研究的热点。群集运动是指一个由大量自主个体组成的集合,在无集中控制的情况下,通过自主体之间的相互感知作用,产生宏观上的整体同步效应。群集行为广泛存在于自然界中,表示群内的各个成员以一定的方式聚集在一起协同运动的团体行为,可以增强搜寻食物和躲避天敌的能力,在军事上,可以替代军队作战以减少人员伤亡。 本文在系统介绍群集运动研究现状的基础上,重点研究了多自主体系统群集运动的控制算法设计与稳定性分析,论文的主要研究工作如下 1.基于弱连通网络的多自主体系统群集运动。基于二阶自主群体的有向弱连通网络,提出了一种应用个体局部信息的类饱和分布式控制协议。利用Lyapunov稳定性理论分析了多自主体系统动态行为的稳定性,仿真结果表明,当自主群体中的自主体都不能获得领航者的信息时,所有自主体都能够取得相同的速度;当系统中至少有一个自主体可获得领航者信息时,系统中所有自主体最终都能够收敛于领航者的速度。 2.基于干扰观测器的多自主体系统群集运动的脉冲控制。多自主体系统的群集运动会受到复杂环境中的各种干扰,针对受到外界干扰的多自主体系统,通过引入干扰观测器对干扰子系统进行观测,结合具有引导反馈作用的脉冲控制简单、有效、鲁棒性特征,提出了一种基于干扰观测器控制的分布式脉冲控制协议,保证了多自主体系统能够取得群集运动,并给出了具有领航者的自主群体在干扰环境中取得群集运动的充分条件。 3.具有时延的离散多自主体系统协同群集运动的采样控制。针对固定拓扑网络下具有通信时延的二阶离散自主群体,提出了一种应用个体局部信息的分布式脉冲控制协议,研究了具有领航者的多自主体系统取得协同群集运动的采样控制问题。基于李亚普诺夫稳定性理论,设计能量函数,从理论上证明了离散多自主体系统能够取得协同群集运动。在仿真中采用了多速率采样,结果表明有向与无向网络的速度、相对位置曲线相似性较小,单速率采样与多速率采样的曲线相似度较大。 4.具有通信时延的二阶多自主体系统的采样控制。针对固定拓扑网络下具有通信时延的多自主体离散系统,研究了二阶离散多自主体系统的一致性采样控制问题。应用Z变换,根据广义Nyquist判据,将多速率采样与二阶离散系统结合起来,得到了二阶时延离散系统渐近收敛一致的采样周期上界。仿真中分析了多速率采样时采样周期与收敛时间的关系,可以根据对系统收敛时间的要求选择多速率采样的采样周期。


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