时滞复杂多自主体网络同步和一致性研究

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在实际中,复杂多自主体网络应用十分广泛,如无线传感网络、无人驾驶飞行器、多机器人系统和自动高速公路系统等等。研究复杂多自主体网络,主要是期望通过大规模的自主体在网络环境中彼此交互和协作,进而完成单一系统难以实现的任务或目标。在合作协调过程中,自主体之间通过网络来传递分享信息,这些信息包括控制协议、控制目标或相对状态信息,自主体需要对任务达成共识才能实现有进行效地合作控制。同步和一致性问题作为自主体之间合作协调的基础,成为控制科学与工程领域的一个重要研究课题。但由于网络的引入,自主体之间的信息交互不可避免的会受到时滞的影响,通常会导致系统性能恶化。因此,本文在前人研究的基础上,结合稳定性理论、代数图论和随机分析方法,进一步研究了时滞复杂多自主体网络的同步和一致性问题。全文主要研究内容包括以下几个方面:带随机通信时滞的复杂动态网络的同步问题。首次考虑复杂网络中的通信时滞包含多种以不同概率出现的时滞形式的情况,通过引入指标函数把带有随机时滞的原始系统转化为带有随机指标参数的多时滞系统,采用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论和随机分析方法,得到复杂动态网络均方渐近同步的充分条件,且所得条件可容许的最大时滞上界同时依赖于每个时滞形式的上界和出现的概率分布。多随机通信时滞下复杂动态网络的同步问题。在大多数复杂网络研究中,通常将通讯中由不同因素引起的多个时滞粗略看做一个总的通信时滞来研究,忽视了实际中的多时滞可能包含有不同的随机特性情况。我们首次提出带有不同随机特性的通信时滞,其中节点诱导时滞服从独立同分布,而网络诱导时滞服从Markov过程,通过选取一个新的Lyapunov-Krasovskii泛函并采用随机分析方法,得到了确保网络同步的充分条件,并揭示了多时滞和的上界、时滞导数和的上界以及时滞的概率分布对网络同步性能的影响。混合时滞下Markov跳复杂动态网络的指数同步问题。拓扑切换也是实际系统中常见的现象。我们研究带有Markov切换和混合时滞的复杂动态网络的指数同步问题。同时考虑分布式时滞和离散型时滞,其中分布式时滞是有界时变的,离散型时滞是随机时变的。通过引入一类指标函数,将原系统转变为带有随机参数的系统,采用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论和随机分析方法,得到了网络达到均方指数同步的充分条件,且所得的条件不仅依赖于混合时滞的上界,还与离散型随机时滞的概率分布有关。进一步,我们所得的主要结论还推广到带有Markov跳和随机通信时滞的多自主体系统中,得到系统达到同步的充分条件。随机通信时滞下Markov跳二阶多自主体系统的一致性问题。考虑一种更实际的网络通讯模式(如P2P网络),邻居的耦合强度和状态信息都需要通过网络传输,都会受到通信时滞的影响。针对这种通信模式下的一类带有时滞和切换的二阶多自主体系统,其中随机切换信号和随机通信时滞分别服从两个相互独立的Markov过程,我们提出一个不依赖邻居速度信息的一致算法,通过三步模型变换并引入一个新的映射,将原系统转变为一个带有两个Markov跳参数的增广的类误差系统,最终得到系统达到均方一致的充分必要条件。异质通信时滞下二阶多自主体系统的脉冲一致性问题。针对二阶多自主体系统,提出不依赖速度信息的带异质时滞的脉冲控制协议,研究了系统的一致性问题。考虑每个节点只能在采样时刻获得与邻居的时滞相对位置信息和与自身上一个采样时刻的相对位置信息。我们首次引入虚拟子图的概念来处理异质时滞,并通过三步模型变换,将原连续时间系统的一致性问题转变为离散时间增广误差系统的稳定性问题,得到了带有异质时滞的二阶多自主体系统达到动态平均一致的充要条件。此外,对于异质时滞小于一个脉冲间隔的情况,分别讨论了有向图和无向图下的一致性问题,并揭示了网络拓扑、脉冲间隔和控制增益对多自主体系统一致性的影响。
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