群集行为与协调控制

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本文研究多个体系统的群集行为和协调控制问题.本文的主要研究内容包括: 1.考虑一类非对易群体模型,证明了系统的聚集和有界性性质.针对实际群体中存在的个体之间单向信息交换的情形,建立了个体之间较为一般的非对称耦合模式,并借助群体本身的结构特点,给出了判断系统聚集有界的参考点.利用数值仿真进一步验证了理论结果的正确性,同时仿真结果还表明,个体群能够呈现出各种复杂的集体行为,从而阐明了群内个体之间的耦合模式对个体群整体行为起着决定性的作用.另外,分析了个体群在一定外界环境下的群集行为,通过数值仿真表明,外界环境对系统的集体行为起着不容忽视的作用。 2.研究多个体系统结群运动的控制问题.考虑欧氏空间中具有质点动力学的个体群模型,针对群内各种不同的相互作用模式(包括固定信息拓扑和动态信息拓扑以及双向信息交换模式和单向信息交换模式),设计了相应的基于个体间信息拓扑和外部信号信息的局部控制律,从而使得所有个体最终以共同的速度前进并且个体之间保持恒定的距离. 首先,分析个体群在不受外部信号影响情况下的协调控制问题.针对个体之间不同的信息拓扑情形,设计了相应的体现个体之间聚集、分离和速度匹配的局部控制律来使得系统获得稳定的结群运动.证明了系统的稳定性,给出了系统的最终运动速度和方向,指出了系统的收敛速度与个体之间耦合系数的定性关系. 其次,将系统中引入一个虚拟leader来引导和控制个体群的运动,使得群体最终能够按照期望的运动形式前进.设计了相应的局部控制律,给出了系统的稳定性分析,证明了质心的速度始终等于或者指数趋近于期望的速度,并借助数值仿真来揭示了环境中噪声对实现群体控制目标的影响. 最后,分析了个体群对动态虚拟leader的追踪问题.针对可能出现的不同情形(包括个体问信息拓扑的不同以及个体获得外部信号信息的不同),设计了相应的体现个体之间相互作用和外部信号对群体运动影响的局部控制律,证明了系统的稳定性,给出了质心的运动情况,估计了个体群的最终前进速度与方向,并且利用数值仿真进一步验证了所得理论结果的正确性.
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