【摘要】：多個體系統(tǒng)的先進(jìn)控制方法是近幾十年國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題之一,其中最優(yōu)設(shè)計方法是多個體系統(tǒng)先進(jìn)控制的一個重要分支。雖然在多個體系統(tǒng)的最優(yōu)控制方面已有了一些科研成果,但是對其的研究問題還不是很完善。多個體系統(tǒng),特別是含有時滯的線性多個體系統(tǒng),既具有多個個體間的相互通信時滯,又包含單個個體的輸入時滯,使得已有的單系統(tǒng)反饋控制方法無法對這類連通的大規(guī)模系統(tǒng)實現(xiàn)有效的控制。實現(xiàn)多個體系統(tǒng)的一致性追蹤是研究多個體系統(tǒng)先進(jìn)控制方法的基礎(chǔ),其他類型的控制目標(biāo)都可基于一致性的理論方法進(jìn)行延伸。因此,如何針對含有時滯的線性多個體系統(tǒng)模型,采用最優(yōu)控制方法,設(shè)計具有解析形式的先進(jìn)控制器,使整個多個體系統(tǒng)既能夠以優(yōu)越的控制性能實現(xiàn)一致性追蹤控制,又方便于工程應(yīng)用,是一個具有重大理論意義及實際應(yīng)用價值的研究課題。本文針對含有時滯的線性多個體系統(tǒng),采用矩陣?yán)碚?代數(shù)圖論,頻域方法及最優(yōu)控制理論研究了多個體系統(tǒng)的先進(jìn)解析控制器設(shè)計問題。首先,建立了多個體系統(tǒng)在頻域描述中的傳遞函數(shù)框圖,分別得到同質(zhì)和異質(zhì)多個體系統(tǒng)實現(xiàn)一致性追蹤的充分必要條件,從而將一個大系統(tǒng)對象的穩(wěn)定性分析問題分解為有限個單系統(tǒng)的控制問題;然后,分別針對同質(zhì)和異質(zhì)多個體系統(tǒng),以最優(yōu)參考信號追蹤和最優(yōu)輸入擾動抑制等性能指標(biāo)為設(shè)計目標(biāo),通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo),給出了使多個體系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu)的解析控制器設(shè)計方法。這類控制器設(shè)計方法包含以下幾個特點:第一,單個個體的控制器可以獨立設(shè)計,不依賴于全局信息,是完全分布式的;第二,所設(shè)計的控制器能保證線性多個體系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu),且由具體解析式給出,易于實際應(yīng)用;第三,整體閉環(huán)系統(tǒng)的性能可以通過每個個體控制器的可調(diào)參數(shù)定量調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)標(biāo)稱性能與魯棒性能的折中,這對于工程應(yīng)用具有很好的實際意義。本文的主要研究貢獻(xiàn)包括:1.在頻域中提出了一種用傳遞函數(shù)來描述多個體系統(tǒng)的多入多出框圖結(jié)構(gòu)。單積分,雙積分和一般線性模型都可以用此框架描述,這個框圖可以以一種統(tǒng)一的視角描述各種各樣的線性多個體系統(tǒng),同質(zhì)系統(tǒng)只是其中的一個特例。另外給出線性多個體系統(tǒng)實現(xiàn)一致性追蹤的充分必要條件。多個體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題可以轉(zhuǎn)化為一系列獨立子系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差控制問題。當(dāng)個體數(shù)量很大時,多個體系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得很難分析,分解策略大大簡化了分析的難度。2.針對無向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同質(zhì)多個體系統(tǒng),提出了一種全新的H_2最優(yōu)一致性追蹤控制器的解析設(shè)計方法。首先,利用分解方法將整個系統(tǒng)的內(nèi)穩(wěn)定性分析和H_2性能指標(biāo)簡化為一系列獨立的優(yōu)化問題。然后,對能夠鎮(zhèn)定分解后的子系統(tǒng)且對階躍輸入具有零穩(wěn)態(tài)誤差的所有控制器進(jìn)行參數(shù)化。最后,通過優(yōu)化系統(tǒng)性能指標(biāo)推導(dǎo)出最優(yōu)參考值追蹤控制器的詳細(xì)解析設(shè)計形式。所提出的設(shè)計方法不僅能夠最優(yōu)化從參考輸入到系統(tǒng)偏差的性能指標(biāo),而且能夠最優(yōu)化從輸出擾動到系統(tǒng)輸出的性能指標(biāo)。3.針對無向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同質(zhì)多個體系統(tǒng),提出了一種全新的H_2最優(yōu)輸入擾動抑制控制器的解析設(shè)計方法。對于分解后的模態(tài)子系統(tǒng),H_2最優(yōu)輸入擾動抑制控制器可以從所有鎮(zhèn)定控制器中計算得出,然后通過統(tǒng)一化得到具有相同類型和結(jié)構(gòu)的分布式協(xié)同控制器。所提出的設(shè)計方法能夠最優(yōu)化從輸入擾動到系統(tǒng)輸出的性能指標(biāo)。對由六個一階時滯不穩(wěn)定對象組成的同質(zhì)多個體系統(tǒng),采用所提出的解析設(shè)計方法設(shè)計了多個體的同步控制器,能夠有效地抑制未知的輸入擾動和模型不確定性。4.針對無向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同質(zhì)一般積分多個體系統(tǒng),提出了全新的H_∞和H_2最優(yōu)控制器的解析設(shè)計方法。一般積分對象的基本特征是個體動態(tài)同時含有積分項和時間常數(shù)項,是一種特殊類型的不穩(wěn)定對象。對一般積分多個體系統(tǒng)解析控制設(shè)計方法的深入研究是很有需求和價值的。對于分解后的模態(tài)子系統(tǒng),H_∞和H_2最優(yōu)控制器可以分別通過相對應(yīng)的性能指標(biāo)解析地計算得出。所提出的控制器不僅能夠優(yōu)化參考信號追蹤性能,而且具有一種簡單的調(diào)節(jié)方式來權(quán)衡標(biāo)稱性能和魯棒性能。同時,在自主水面船舶的編隊控制中分別設(shè)計了H_∞和H_2舵機自動駕駛儀,實現(xiàn)了多船舶艏向角的最優(yōu)同步控制。5.針對有向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的異質(zhì)多個體系統(tǒng),提出了一種全新的H_2最優(yōu)擾動抑制控制器的解析設(shè)計方法。首先基于列對角主導(dǎo)準(zhǔn)則給出異質(zhì)多個體系統(tǒng)實現(xiàn)一致性追蹤的充要條件,當(dāng)控制器的結(jié)構(gòu)確定,分別求解出鎮(zhèn)定對角閉環(huán)系統(tǒng)和列對角主導(dǎo)范圍的穩(wěn)定域,兩個域的交集即復(fù)雜多個體系統(tǒng)保守的穩(wěn)定域。然后對于不互相連通的單個子系統(tǒng),獨立地設(shè)計最優(yōu)輸出擾動、輸入擾動和權(quán)衡輸出-輸入擾動抑制控制器。將每個控制器串聯(lián)一個濾波器,通過調(diào)節(jié)單個濾波器的可調(diào)參數(shù),不僅可以用來鎮(zhèn)定整個系統(tǒng),而且可以用來權(quán)衡系統(tǒng)的標(biāo)稱性能和魯棒性能。這種由代數(shù)方法計算得出的分布式控制器比起傳統(tǒng)的給定結(jié)構(gòu)的控制協(xié)議具有更好的擾動抑制性能。6.針對未知輸入負(fù)載干擾下的異質(zhì)多個體系統(tǒng),提出了一種基于擾動觀測器的H_2最優(yōu)控制器的解析設(shè)計方法。首先基于傳遞函數(shù)建立統(tǒng)一的框圖來描述線性多個體系統(tǒng),并給定一個充要條件施加于每個控制器。再基于每個子系統(tǒng)的H_2性能指標(biāo),解析地求解出最優(yōu)一致性控制器和擾動觀測器。擾動觀測器是利用標(biāo)稱模型的逆來觀測擾動,然后在輸入通道中直接抵消掉擾動的影響。所設(shè)計的基于擾動觀測器的分布式H_2一致性控制器不僅可以實現(xiàn)對參考輸入的一致性追蹤,而且能夠抑制外界的輸入擾動和模型不確定性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP13
【圖文】：

1.1 研究背景與意義在自然界中，存在著各種各樣有趣的群集現(xiàn)象，如鳥類的蜂擁遷徙，魚類的成群游動（如圖1.1 所示），蟻群的相互協(xié)作以及螢火蟲的同步閃光等。在這些群體中，個體的能力非常有限，而群體卻表現(xiàn)出強大的力量，這種由多個簡單個體的合作而產(chǎn)生復(fù)雜的群體行為的現(xiàn)象被稱為群集智能[1]。受此啟發(fā)，研究者們從不同的科學(xué)角度對群集現(xiàn)象展開了全面的理論研究，大部分國內(nèi)學(xué)術(shù)論文將具有群集智能特性的系統(tǒng)稱為多個體系統(tǒng)（Multi-agent Systems），或多智能體系統(tǒng)。目前這類多個體系統(tǒng)還沒有一個明確且規(guī)范的定義，一般來說，多個體系統(tǒng)是由多個自主個體組成的集合，其中每一個個體都帶有傳感、計算和運動功能

1.1 研究背景與意義在自然界中，存在著各種各樣有趣的群集現(xiàn)象，如鳥類的蜂擁遷徙，魚類的成群游動（如圖1.1 所示），蟻群的相互協(xié)作以及螢火蟲的同步閃光等。在這些群體中，個體的能力非常有限，而群體卻表現(xiàn)出強大的力量，這種由多個簡單個體的合作而產(chǎn)生復(fù)雜的群體行為的現(xiàn)象被稱為群集智能[1]。受此啟發(fā)，研究者們從不同的科學(xué)角度對群集現(xiàn)象展開了全面的理論研究，大部分國內(nèi)學(xué)術(shù)論文將具有群集智能特性的系統(tǒng)稱為多個體系統(tǒng)（Multi-agent Systems），或多智能體系統(tǒng)。目前這類多個體系統(tǒng)還沒有一個明確且規(guī)范的定義，一般來說，多個體系統(tǒng)是由多個自主個體組成的集合，其中每一個個體都帶有傳感、計算和運動功能

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李慧;劉星橋;李景;孫飛飛;;多電機同步協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略[J];電機與控制應(yīng)用;2014年04期

本文編號：2758818