基于事件驱动策略的网络化系统同步控制及应用

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近年来,随着控制理论、网络通信以及计算机技术不断的相互融合,网络化控制系统的研究得到了极大发展,并广泛的应用于交通控制、航空航天及智慧城市等领域。对一个实际的网络化控制系统而言,由于节点规模庞大,网络中器件(包括传感器、控制器及执行器等)需要通过无线网络进行信息传输与共享,才能执行所设定的控制协议,完成相应的协同控制任务。在这个过程中,保证节点间良好的信息交互是实现控制目标的前提条件。在多数情况下,网络带宽、通信成本及网络节点自身能量都受到限制,为了保证节点间协同任务的顺利执行,需要为网络化系统设计合理的信息传输与共享协议。与时间触发采样控制方法相比,基于事件触发机制的控制策略在降低通信频率、缓解数据传输带宽压力、节约系统资源等方面有着显著的优势。事件驱动控制本质上归为混杂控制领域,但其理论框架尚未完全建立,分析工具有待进一步丰富完善。此外,由于网络化系统通讯拓扑容易受到各种实际因素的影响,从而导致节点间信息交互时出现时延、丢包、乱序等情形。这给网络化系统事件驱动条件的设计带来新的挑战,同时也加大了相应协同控制理论分析的难度。因此,加强对网络化系统事件触发控制理论和设计方法的研究,具有重要的理论价值及现实意义。本文针对网络化控制系统的同步控制问题,从事件触发控制协议的设计和同步控制的理论分析方面展开研究,建立相应的同步判据和算法框架,具体内容及主要贡献如下:(1)讨论了有向通信拓扑下一类领导-追随者多智能体系统的分布式事件触发脉冲同步控制协议的设计问题。实现了对多智能体系统异步、非周期的控制,提高了控制的灵活性。根据脉冲微分方程理论、李雅普诺夫稳定性框架和不等式技巧,建立了该分布式事件驱动脉冲控制策略下的领导-追随者多智能体系统同步判据,给出排除了芝诺现象的理论分析。为了避免智能体间的连续通信,在分布式事件触发基础上设计了只依赖于采样信息的分布式自触发脉冲同步控制协议。此外,本文还设计了基于事件驱动机制的领导-追随者多智能体系统脉冲同步控制的算法框架,并通过仿真实例验证了所提算法的有效性。(2)在静态分布式自触发脉冲同步控制策略的基础上引入了一个内部动态变量,为一类非线性多智能体系统设计了基于动态自触发机制的分布式脉冲同步控制协议。在排除芝诺现象的同时,从理论上证明了多智能体系统在该动态自触发机制下的采样频率明显低于相应静态自触发策略。因此,所设计动态自触发机制不仅避免了智能体间的连续通信问题,同时降低了采样频率,从更大程度上降低多智能体系统资源的消耗。此外,讨论了随机脉冲增益的多智能体系统脉冲同步控制问题,将脉冲增益从常值情形推广到服从正态分布的随机情形。解决了多智能体系统的同步性能对常值脉冲增益敏感的问题,进一步放宽了对脉冲增益的限制,降低了系统的保守性,拓宽了动态分布式自触发脉冲控制的应用范围。(3)研究了多智能体系统基于事件驱动机制的完全分布式同步控制协议的设计问题。首先,利用完全连通的简单图的代数连通度的下界可以由一个依赖于节点个数的值估计的性质,设计了基于动态事件驱动机制的分布式控制协议,获得了不依赖于通信拓扑拉普拉斯矩阵或其特征值信息的同步判据。由于该同步判据只利用了节点个数信息,使得其矩阵不等式的维度大幅降低,因而降低了求解相关参数的计算量。随后,将通信拓扑由简单图情形推广至有权无向连通图情形,研究了多智能体系统的完全分布式事件驱动同步控制问题,设计了相应的事件驱动协议和自触发机制的触发条件,建立了不依赖于通信拓扑节点个数、拉普拉斯矩阵以及其特征值等全局信息的同步条件。在保持通信拓扑连通前提下,即使多智能体系统中存在节点增删以及拓扑切换等情形,所设计的完全分布式控制协议仍然能够保证多智能体系统的同步性能,不需要重新设计。这极大的拓展了同步控制算法的应用范围,具有广阔的应用前景。(4)研究了一类主从非线性系统的混沌同步控制问题。首先为主从蔡氏电路系统设计了基于事件驱动机制的脉冲同步控制协议,建立了相应的同步准则。随后探讨了基于周期自触发脉冲控制的主从神经网络的混沌同步控制问题,获得了关于混沌同步的充分条件,提出了主从神经网络关于周期自触发脉冲同步的算法框架,并将其应用于数字图像保护中。设计了基于周期自触发采样机制的主从神经网络脉冲混沌同步数字图像加密算法,成功实现了对数字图像的加密和解密操作。所设计的周期自触发脉冲控制方法具有设计简单、易实现、收敛快等优点。并且由于所提出的数字图像加密算法的密钥空间大于传统的混沌加密算法,因而加密的安全性更高。
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