基于 2-D 模型的自主车队系统队列稳定性分析及控制设计

Increasingly serious traffic congestion and frequent traffic accidents have prompted a great deal of attention to AHS (automated highway system) from governments, industry and academia. PAV (platoon of automated vehicles) is an important part of AHS, the string stability analysis and control design has become the research focus in the field. This project plans to deal with PAV with two major difficulties of time-delays and nonlinearities, and makes use of a class of 2-D continuous-discrete hybrid systems to develop string stability and control methods. The key focuses of the research include: (1) establishing a 2-D (two-dimensional) continuous-discrete hybrid model with delays to describe the dynamics of local vehicle and the following behavior from the preceding one; (2) the string stability analysis and control design for PAV based on delayed 2-D hybrid model; (3) modeling an PAV system with varying time headway strategy as a nonlinear 2-D continuous-discrete system with delays; (4) the string analysis and control design for PAV with varying time headway strategy based on the proposed 2-D continuous-discrete model. The results of the proposed research provide theoretical foundation for the string stability analysis and the control strategies for the PAV, and promote the development of 2-D continuous-discrete system theory and nonlinear control theory. Therefore, the research on this issue will undoubtedly have an important theoretical and practical significance.

日益严重的交通堵塞和频发的交通事故促使各国政府、工业界及学术界对自动高速公路系统投入了极大的关注。自主车队系统是自动高速公路系统的重要组成部分，其队列稳定性分析及控制设计成为了该领域的研究热点。本项目拟针对其时滞和非线性两大难点，提出基于2-D连续离散模型的自主车队系统队列稳定性分析和控制方法。主要研究以下内容：1.考虑时滞现象，建立能够描述自主汽车自身动态行为和跟随行为的时滞2-D连续离散模型；2.提出基于时滞2-D连续离散系统的队列稳定性分析及控制方法；3.结合上两部分研究成果，进一步考虑车辆间保持变时距情况，建立自主车队系统的时滞非线性2-D连续离散模型；4.提出基于时滞非线性2-D连续离散系统的队列稳定性条件及控制方法。项目预期成果将对自主车队系统队列稳定性分析及控制设计提供新的思路与技术途径，对2-D连续离散系统理论发展起到推动作用，有着重要的理论和实际意义。

本项目针对非线性、时滞、有限频、二维特性几大难点，结合模糊系统理论，混杂系统理论等工具，为非线性二维系统的稳定性、有限频性能分析和控制综合设计问题展开深入研究，建立这类系统的稳定性分析、有限频域性能分析与控制综合理论，并将获得的理论成果应用于自主汽车队列系统的队列控制研究中，有着重要的理论意义和实际应用价值。获得了一系列具有原创性、创新性、突破性的研究成果，主要贡献体现在：1）针对时滞线性2-D连续离散系统，从时域的角度去分析其稳定性问题，充分利用时滞信息，构造合适的Lyapunov-Krasovskii向量泛函推导基于线性矩阵不等式的时滞依赖的稳定性条件。2）从时滞2-D连续离散系统的结构特性和空间特性入手，研究非线性二维系统稳定性问题，导出有效的稳定性判据。3）为自主车队系统建立时滞2-D动态模型，分析其队列稳定性，把队列稳定性条件转换为2-D系统的渐近稳定性条件，获取有效的队列稳定性判据和控制策略。4）建立了连续型、离散型、混杂型非线性二维系统的T-S模糊模型，从时域的角度建立了系统的有限频性能指标，利用系统外部扰动信号的有限频特征，显著地改进系统的控制性能，获得较全频情形下更优的控制器、滤波器、观测器设计方案，具有重要的工程意义。5） 研究一组具有时变通信时滞和测量丢失行为的离散2-D耦合动态网络的同步性问题，多智能体网络的每一个节点为一个子2-D系统，考虑网络系统在信息传播的过程中，其测量信息发生了随机丢失的情形，借助于Lyapunov- Krasovskii函数，Kronecker乘积算子和随机分析技术，建立一组易验证的充分条件来保证网络均方意义下的全局同步性，并设计有效的通信协议。6）研究时滞正二维系统的l1控制器设计问题，利用状态增广扩维方法，将时滞正二维系统的l1-增益性能条件等价转换为无时滞系统l1-增益性能条件，进而提出时滞正二维系统具有l1性能的充分必要条件，并设计反馈控制器。