【摘要】：多個(gè)體系統(tǒng)的先進(jìn)控制方法是近幾十年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,其中最優(yōu)設(shè)計(jì)方法是多個(gè)體系統(tǒng)先進(jìn)控制的一個(gè)重要分支。雖然在多個(gè)體系統(tǒng)的最優(yōu)控制方面已有了一些科研成果,但是對(duì)其的研究問(wèn)題還不是很完善。多個(gè)體系統(tǒng),特別是含有時(shí)滯的線性多個(gè)體系統(tǒng),既具有多個(gè)個(gè)體間的相互通信時(shí)滯,又包含單個(gè)個(gè)體的輸入時(shí)滯,使得已有的單系統(tǒng)反饋控制方法無(wú)法對(duì)這類連通的大規(guī)模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的控制。實(shí)現(xiàn)多個(gè)體系統(tǒng)的一致性追蹤是研究多個(gè)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(duì)含有時(shí)滯的線性多個(gè)體系統(tǒng)模型,采用最優(yōu)控制方法,設(shè)計(jì)具有解析形式的先進(jìn)控制器,使整個(gè)多個(gè)體系統(tǒng)既能夠以優(yōu)越的控制性能實(shí)現(xiàn)一致性追蹤控制,又方便于工程應(yīng)用,是一個(gè)具有重大理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究課題。本文針對(duì)含有時(shí)滯的線性多個(gè)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(gè)體系統(tǒng)的先進(jìn)解析控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先,建立了多個(gè)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(gè)體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性追蹤的充分必要條件,從而將一個(gè)大系統(tǒng)對(duì)象的穩(wěn)定性分析問(wèn)題分解為有限個(gè)單系統(tǒng)的控制問(wèn)題;然后,分別針對(duì)同質(zhì)和異質(zhì)多個(gè)體系統(tǒng),以最優(yōu)參考信號(hào)追蹤和最優(yōu)輸入擾動(dòng)抑制等性能指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo),通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo),給出了使多個(gè)體系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu)的解析控制器設(shè)計(jì)方法。這類控制器設(shè)計(jì)方法包含以下幾個(gè)特點(diǎn):第一,單個(gè)個(gè)體的控制器可以獨(dú)立設(shè)計(jì),不依賴于全局信息,是完全分布式的;第二,所設(shè)計(jì)的控制器能保證線性多個(gè)體系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu),且由具體解析式給出,易于實(shí)際應(yīng)用;第三,整體閉環(huán)系統(tǒng)的性能可以通過(guò)每個(gè)個(gè)體控制器的可調(diào)參數(shù)定量調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱性能與魯棒性能的折中,這對(duì)于工程應(yīng)用具有很好的實(shí)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(lái)描述多個(gè)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(gè)框圖可以以一種統(tǒng)一的視角描述各種各樣的線性多個(gè)體系統(tǒng),同質(zhì)系統(tǒng)只是其中的一個(gè)特例。另外給出線性多個(gè)體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性追蹤的充分必要條件。多個(gè)體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為一系列獨(dú)立子系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差控制問(wèn)題。當(dāng)個(gè)體數(shù)量很大時(shí),多個(gè)體系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得很難分析,分解策略大大簡(jiǎn)化了分析的難度。2.針對(duì)無(wú)向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同質(zhì)多個(gè)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(jì)方法。首先,利用分解方法將整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)穩(wěn)定性分析和H_2性能指標(biāo)簡(jiǎn)化為一系列獨(dú)立的優(yōu)化問(wèn)題。然后,對(duì)能夠鎮(zhèn)定分解后的子系統(tǒng)且對(duì)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(guò)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(jì)形式。所提出的設(shè)計(jì)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(dòng)到系統(tǒng)輸出的性能指標(biāo)。3.針對(duì)無(wú)向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同質(zhì)多個(gè)體系統(tǒng),提出了一種全新的H_2最優(yōu)輸入擾動(dòng)抑制控制器的解析設(shè)計(jì)方法。對(duì)于分解后的模態(tài)子系統(tǒng),H_2最優(yōu)輸入擾動(dòng)抑制控制器可以從所有鎮(zhèn)定控制器中計(jì)算得出,然后通過(guò)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(jì)方法能夠最優(yōu)化從輸入擾動(dòng)到系統(tǒng)輸出的性能指標(biāo)。對(duì)由六個(gè)一階時(shí)滯不穩(wěn)定對(duì)象組成的同質(zhì)多個(gè)體系統(tǒng),采用所提出的解析設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了多個(gè)體的同步控制器,能夠有效地抑制未知的輸入擾動(dòng)和模型不確定性。4.針對(duì)無(wú)向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同質(zhì)一般積分多個(gè)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(jì)方法。一般積分對(duì)象的基本特征是個(gè)體動(dòng)態(tài)同時(shí)含有積分項(xiàng)和時(shí)間常數(shù)項(xiàng),是一種特殊類型的不穩(wěn)定對(duì)象。對(duì)一般積分多個(gè)體系統(tǒng)解析控制設(shè)計(jì)方法的深入研究是很有需求和價(jià)值的。對(duì)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(guò)相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)解析地計(jì)算得出。所提出的控制器不僅能夠優(yōu)化參考信號(hào)追蹤性能,而且具有一種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方式來(lái)權(quán)衡標(biāo)稱性能和魯棒性能。同時(shí),在自主水面船舶的編隊(duì)控制中分別設(shè)計(jì)了H_∞和H_2舵機(jī)自動(dòng)駕駛儀,實(shí)現(xiàn)了多船舶艏向角的最優(yōu)同步控制。5.針對(duì)有向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的異質(zhì)多個(gè)體系統(tǒng),提出了一種全新的H_2最優(yōu)擾動(dòng)抑制控制器的解析設(shè)計(jì)方法。首先基于列對(duì)角主導(dǎo)準(zhǔn)則給出異質(zhì)多個(gè)體系統(tǒng)實(shí)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(duì)角閉環(huán)系統(tǒng)和列對(duì)角主導(dǎo)范圍的穩(wěn)定域,兩個(gè)域的交集即復(fù)雜多個(gè)體系統(tǒng)保守的穩(wěn)定域。然后對(duì)于不互相連通的單個(gè)子系統(tǒng),獨(dú)立地設(shè)計(jì)最優(yōu)輸出擾動(dòng)、輸入擾動(dòng)和權(quán)衡輸出-輸入擾動(dòng)抑制控制器。將每個(gè)控制器串聯(lián)一個(gè)濾波器,通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)濾波器的可調(diào)參數(shù),不僅可以用來(lái)鎮(zhèn)定整個(gè)系統(tǒng),而且可以用來(lái)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(jì)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(dòng)抑制性能。6.針對(duì)未知輸入負(fù)載干擾下的異質(zhì)多個(gè)體系統(tǒng),提出了一種基于擾動(dòng)觀測(cè)器的H_2最優(yōu)控制器的解析設(shè)計(jì)方法。首先基于傳遞函數(shù)建立統(tǒng)一的框圖來(lái)描述線性多個(gè)體系統(tǒng),并給定一個(gè)充要條件施加于每個(gè)控制器。再基于每個(gè)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(dòng)觀測(cè)器。擾動(dòng)觀測(cè)器是利用標(biāo)稱模型的逆來(lái)觀測(cè)擾動(dòng),然后在輸入通道中直接抵消掉擾動(dòng)的影響。所設(shè)計(jì)的基于擾動(dòng)觀測(cè)器的分布式H_2一致性控制器不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參考輸入的一致性追蹤,而且能夠抑制外界的輸入擾動(dòng)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(niǎo)類的蜂擁遷徙，魚(yú)類的成群游動(dòng)（如圖1.1 所示），蟻群的相互協(xié)作以及螢火蟲(chóng)的同步閃光等。在這些群體中，個(gè)體的能力非常有限，而群體卻表現(xiàn)出強(qiáng)大的力量，這種由多個(gè)簡(jiǎn)單個(gè)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(duì)群集現(xiàn)象展開(kāi)了全面的理論研究，大部分國(guó)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(gè)體系統(tǒng)（Multi-agent Systems），或多智能體系統(tǒng)。目前這類多個(gè)體系統(tǒng)還沒(méi)有一個(gè)明確且規(guī)范的定義，一般來(lái)說(shuō)，多個(gè)體系統(tǒng)是由多個(gè)自主個(gè)體組成的集合，其中每一個(gè)個(gè)體都帶有傳感、計(jì)算和運(yùn)動(dòng)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(niǎo)類的蜂擁遷徙，魚(yú)類的成群游動(dòng)（如圖1.1 所示），蟻群的相互協(xié)作以及螢火蟲(chóng)的同步閃光等。在這些群體中，個(gè)體的能力非常有限，而群體卻表現(xiàn)出強(qiáng)大的力量，這種由多個(gè)簡(jiǎn)單個(gè)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(duì)群集現(xiàn)象展開(kāi)了全面的理論研究，大部分國(guó)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(gè)體系統(tǒng)（Multi-agent Systems），或多智能體系統(tǒng)。目前這類多個(gè)體系統(tǒng)還沒(méi)有一個(gè)明確且規(guī)范的定義，一般來(lái)說(shuō)，多個(gè)體系統(tǒng)是由多個(gè)自主個(gè)體組成的集合，其中每一個(gè)個(gè)體都帶有傳感、計(jì)算和運(yùn)動(dòng)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(jī)同步協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略[J];電機(jī)與控制應(yīng)用;2014年04期

本文編號(hào)：2758818