多主体结构刻画与分布式估计研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TP273密级：公开多UDC：621.3主学号：129224体结构刻画与分布式估计研究多主体结构刻画与分布式估计研究刘鹏研究生姓名：刘鹏导师姓名：田玉平教授东南大申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学学一级学科名称控制科学与工程论文答辩日期2018年04月12日二级学科名称控制理论与控制工程学位授予日期年月日答辩委员会主席徐胜元评阅人匿名2018年4月18日博士学位论文多主体结构刻画与分布式估计研究专业名称：控制科学与工程研究生姓名：刘鹏导师姓名：田玉平教授本论文获国家自然科学基金（61573105,61473081）

2、，以及江苏省自然科学基金（BK20141341）资助。STRUCTUREDEPICTIONOFMULTI-AGENTSYSTEMSANDDISTRIBUTEDESTIMATIONADissertationsubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYLIUPengSupervisedby:Prof.TIANYu-PingSchoolofAutomationSoutheastUniversityApril23,2018东南大学学位论文独创性声明本人声明

3、所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许

4、论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要随着传感器技术、网络技术和计算机技术等的快速发展，多主体系统和分布式估计已成为控制领域的研究热点，其应用前景引起学术界和工业界的普遍关注。多主体系统通过个体间的协调控制来实现单个个体无法完成的复杂任务，具有容错性、灵活性和鲁棒性等特点。多主体系统的能控性设计和领导选择在多车辆编队、自主水下航行器、智能交通和卫星姿态协同控制等工程领域已有广泛应用。同时，分布式估计算法不依赖于集中传感器，具有可扩展性的优点且能够适

5、应不同环境的变化，在实际领域得到了广泛应用，如目标跟踪、空间碎片确定、环境污染监测和视频网络监控等。本文主要基于图论研究了网络化分布式系统的结构可控性、协同可观性、以及分布式滤波器设计问题。一方面研究了如何选择领导节点使得多主体系统强结构可控；并进一步扩展到需要测量信息的网络，分析了传感器的布控问题。另一方面，对于分布式估计问题，分析了强连通通信条件下网络的协同可观性，分别对线性和非线性系统设计了具有有限步精确一致的分布式信息Kalman滤波器和无迹Kalman滤波器。文中涉及到的分析工具包括图论、组合优化、线性系统和最优估计理论。论文的主要内容如

6、下：1.基于图论研究多主体系统在结构化意义下的领导或测量选择问题。针对一阶积分器多主体系统，将此系统刻画成线性时不变系统，通过选择领导者使得多主体系统为强结构可控的。给出两类特殊的结构，证明这两类拓扑所需要的领导者数目为1，并指出一般任意有向拓扑可分割为此两类拓扑，从而可以根据此分割来选择领导者，同时分析了几类拓扑在某些主体失效的情形下仍能保证系统为强结构可控的领导者数目。对于存在测量并利用测量值设计输出反馈控制器时的多主体系统，将此系统转化为秩1双线性结构化系统，此时通过选取领导者和测量主体使得该系统为结构可控的。将此问题进一步转化为进行控制断面

7、设计的优化问题，引入有向非圈图和二分图分解并定义动态图，分别用来验证结构可控时的输入和输出可达行、满秩和互素路径条件，借此给出具有最小代价约束时的断面求解方法。2.研究传感器网络的分布式估计协议设计问题。首先，证明了一类基于分布式观测器协议的存在性，并分析了实现状态重构时，该协议的参数与网络拓扑结构的关系。针对噪声存在时的线性系统，利用双时标设计技术对信息型Kalman滤波器的新息向量和新息矩阵进行有限步融合，并通过构造次优估计器的方法证明了协同观测性条件下该分布式信息型Kalman滤波器的稳定性。当目标建模为非线性随机系统时，设计递推类型的估计器

8、来实现对目标状态的重构。非线性关系较弱时，可通过线性化来设计基于最大一致的分布式扩展Kalman滤波器；系统具有强非线性关