【摘要】：多個體系統(tǒng)的先進控制方法是近幾十年國內外學者研究的熱點問題之一,其中最優(yōu)設計方法是多個體系統(tǒng)先進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)實現有效的控制。實現多個體系統(tǒng)的一致性追蹤是研究多個體系統(tǒng)先進控制方法的基礎,其他類型的控制目標都可基于一致性的理論方法進行延伸。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,設計具有解析形式的先進控制器,使整個多個體系統(tǒng)既能夠以優(yōu)越的控制性能實現一致性追蹤控制,又方便于工程應用,是一個具有重大理論意義及實際應用價值的研究課題。本文針對含有時滯的線性多個體系統(tǒng),采用矩陣理論,代數圖論,頻域方法及最優(yōu)控制理論研究了多個體系統(tǒng)的先進解析控制器設計問題。首先,建立了多個體系統(tǒng)在頻域描述中的傳遞函數框圖,分別得到同質和異質多個體系統(tǒng)實現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,分別針對同質和異質多個體系統(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為設計目標,通過嚴謹的理論推導,給出了使多個體系統(tǒng)性能指標最優(yōu)的解析控制器設計方法。這類控制器設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計,不依賴于全局信息,是完全分布式的;第二,所設計的控制器能保證線性多個體系統(tǒng)性能指標最優(yōu),且由具體解析式給出,易于實際應用;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參數定量調節(jié),從而實現標稱性能與魯棒性能的折中,這對于工程應用具有很好的實際意義。本文的主要研究貢獻包括:1.在頻域中提出了一種用傳遞函數來描述多個體系統(tǒng)的多入多出框圖結構。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)實現一致性追蹤的充分必要條件。多個體網絡系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題可以轉化為一系列獨立子系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差控制問題。當個體數量很大時,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.針對無向網絡結構下的同質多個體系統(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計方法。首先,利用分解方法將整個系統(tǒng)的內穩(wěn)定性分析和H_2性能指標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行參數化。最后,通過優(yōu)化系統(tǒng)性能指標推導出最優(yōu)參考值追蹤控制器的詳細解析設計形式。所提出的設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,而且能夠最優(yōu)化從輸出擾動到系統(tǒng)輸出的性能指標。3.針對無向網絡結構下的同質多個體系統(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構的分布式協同控制器。所提出的設計方法能夠最優(yōu)化從輸入擾動到系統(tǒng)輸出的性能指標。對由六個一階時滯不穩(wěn)定對象組成的同質多個體系統(tǒng),采用所提出的解析設計方法設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.針對無向網絡結構下的同質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的性能指標解析地計算得出。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節(jié)方式來權衡標稱性能和魯棒性能。同時,在自主水面船舶的編隊控制中分別設計了H_∞和H_2舵機自動駕駛儀,實現了多船舶艏向角的最優(yōu)同步控制。5.針對有向網絡結構下的異質多個體系統(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計方法。首先基于列對角主導準則給出異質多個體系統(tǒng)實現一致性追蹤的充要條件,當控制器的結構確定,分別求解出鎮(zhèn)定對角閉環(huán)系統(tǒng)和列對角主導范圍的穩(wěn)定域,兩個域的交集即復雜多個體系統(tǒng)保守的穩(wěn)定域。然后對于不互相連通的單個子系統(tǒng),獨立地設計最優(yōu)輸出擾動、輸入擾動和權衡輸出-輸入擾動抑制控制器。將每個控制器串聯一個濾波器,通過調節(jié)單個濾波器的可調參數,不僅可以用來鎮(zhèn)定整個系統(tǒng),而且可以用來權衡系統(tǒng)的標稱性能和魯棒性能。這種由代數方法計算得出的分布式控制器比起傳統(tǒng)的給定結構的控制協議具有更好的擾動抑制性能。6.針對未知輸入負載干擾下的異質多個體系統(tǒng),提出了一種基于擾動觀測器的H_2最優(yōu)控制器的解析設計方法。首先基于傳遞函數建立統(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,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。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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，而群體卻表現出強大的力量，這種由多個簡單個體的合作而產生復雜的群體行為的現象被稱為群集智能[1]。受此啟發(fā)，研究者們從不同的科學角度對群集現象展開了全面的理論研究，大部分國內學術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，而群體卻表現出強大的力量，這種由多個簡單個體的合作而產生復雜的群體行為的現象被稱為群集智能[1]。受此啟發(fā)，研究者們從不同的科學角度對群集現象展開了全面的理論研究，大部分國內學術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】

相關期刊論文 前1條

1 李慧;劉星橋;李景;孫飛飛;;多電機同步協調系統(tǒng)控制策略[J];電機與控制應用;2014年04期

本文編號：2758818