几类具有时滞耦合的复杂动态网络的同步化研究

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作为复杂动态网络的一种非常重要的集体行为,近些年来针对复杂动态网络的同步化现象的研究受到越来越多的关注,也取得到了丰硕的成果。然而,由于复杂动态网络中网络拓扑结构的复杂性,以及节点动态的复杂性,使得对复杂网络同步化的研究和应用都具有相当的难度,目前的研究结果并不完善,许多问题还并不清楚,亟待解决。  本文主要研究几类具有时滞耦合的复杂动态网络的同步化问题,并且将切换系统理论和自适应控制方法应用到动态网络的同步化问题的研究中。主要解决了几类具有时滞耦合的动态网络的同步化分析与控制问题。针对于具有切换拓扑结构的无向动态网络,提出了相应的同步化判定准则,并且给出了可以使该类网络达到同步化的切换信号的设计方法。针对具有固定拓扑结构的有向动态网络,设计了可以使该类网络达到同步化的分散控制器。使用的主要方法包括平均驻留时间方法,依赖模型的平均驻留时间方法,单Lyapunov函数方法,凸组合技术以及分散自适应控制方法等。本文主要工作包括如下几个方面:  (一)研究了基于同时对角化条件的具有时不变耦合时滞的无向切换动态网络的同步化问题。首先基于所有子网络的外连接矩阵满足可同时对角化这一条件,利用切换系统稳定性理论和无向网络的拓扑结构,讨论了当所有子网络都可同步化时,切换网络可实现同步化的充分条件,并且利用平均驻留时间方法辨识了一类可以使该类网络达到同步化的切换信号。其次,将这一结果推广到一部分子网络可同步化而其余的子网络自身不能实现同步化的情况。在限制可同步化子网络和不可同步化子网络的总的激活时间比的条件下,给出了该类网络可实现同步化的充分条件以及使该网络实现同步化的一类切换信号的形式。  (二)讨论了具有时变耦合时滞的无向切换动态网络的同步化问题。首先,将依赖模型的平均驻留时间方法推广到具有时变时滞的线性切换系统的稳定性分析问题中,给出了在所有子系统稳定的情况下,时滞切换系统稳定性的一个充分条件;并且针对每个子系统,利用其自身的信息,给出了各个子系统应满足的平均驻留时间的条件,该条件可以确保整个切换系统的稳定性。其次,将上述结果应用到具有时变耦合时滞的无向切换动态网络的同步化问题中。在不要求所有子网络的外连接矩阵满足可同时对角化条件的情况下,讨论了当所有子网络可同步化时,切换网络可实现同步化的判定准则,并给出了相应的依赖模型的切换信号的形式  (三)当所有子网络都不可同步化时,利用凸组合技术和单Lyapunov函数方法研究了一类具有时变耦合时滞的无向切换动态网络的同步化问题。提出了该网络可实现同步化的一个全维数判定准则,并且给出了相应的切换信号的设计方法。考虑到,当网络具有较多节点个数时,该全维判定准则较难验证,因此,在基于所有子网络的外连接矩阵满足可同时对角化这一条件下,给出了相应的低维数的判定准则以及相应的切换信号的设计方法。  (四)研究了一类具有固定拓扑结构的有向动态网络的受控同步化问题。通过利用Lyapunov稳定性理论和网络外连接矩阵的性质,给出了一种新的依赖于时滞的分散控制器的设计方法。在所设计的控制器的作用下,受控动态网络可以实现以给定速度收敛的全局指数同步化。  (五)研究了在外连接矩阵未知的情况下,具有非线性耦合时滞的有向动态网络的自适应全局渐进同步化问题。通过利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论和网络拓扑结构特性,研究了该类网络的全局渐进同步化问题。在假设耦合系数已知的条件下,给出了一类可以使网络全局同步化的分散非线性反馈控制器的设计方法,所得的控制器不依赖于时滞的大小。在耦合系数未知的情况下,引入了自适应机制,构造了一类时滞独立的分散自适应控制器;在该控制器的作用下,具有参数不确定性的动态网络可以实现全局同步化。  最后是全文所做工作的总结以及对未来研究工作的展望。
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