[發明專利]一種適用于任意通信拓撲的含時滯車輛隊列穩定性控制方法及系統

在審

• 申請號: 202110921297.5
• 申請日: 2021-08-11
• 公開（公告）號: CN113485125A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 朱旭;張澤華;梁宇飛;閆茂德;楊盼盼;左磊
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

本發明公開了一種適用于任意通信拓撲的含時滯車輛隊列穩定性控制方法及系統，基于通信拓撲建立含有通信時滯的分布式控制器，利用矩陣的Jordan變換，將含時滯的車輛隊列閉環控制系統解耦為若干個子系統，可以應對通信拓撲的拉普拉斯矩陣同時含有實數特征值和共軛復數特征值的狀況，且能處理重特征值問題；通過求解子系統特征方程的純虛根與臨界時滯，并計算純虛根在臨界時滯處的根趨勢，可得到子系統的準確時滯邊界和穩定域；綜合考慮所有子系統，取它們穩定域的交集，最終得到車輛隊列的穩定域和準確時滯邊界，能夠保證車輛隊列控制系統在所計算的時滯邊界內穩定行駛，對車間狀態信息的共享交互進行靈活的控制，可采用較小的跟車距離，增加道路容量。

技術領域

本發明屬于車輛隊列控制領域，具體為一種適用于任意通信拓撲的含時滯車輛隊列穩定性控制方法及系統。

背景技術

近年來，隨著機動車保有量的增長，極大地便利了人們的出行，同時也帶來了交通擁堵頻發、能源消耗加劇、空氣質量下降等嚴重問題。研究表明，智能車輛通過車-車通信、車-基礎設施通信等多種無線通信方式，實現車間狀態信息“共享”交互，使車輛以隊列方式行駛，可以提高行車安全，增加交通容量，減少能源消耗。

然而，由于通信帶寬、信道阻塞等客觀因素，車輛隊列的通信中必然存在通信時滯。通信時滯的存在，使得車輛隊列的狀態(位置、速度及加速度狀態量)變化率不僅與當前時刻狀態有關，還與過去時刻狀態有關。通信時滯不僅對車輛隊列的穩態和暫態控制性能產生不利影響，還會降低系統的穩定性，影響行駛安全。因此，如何保證車輛隊列在通信時滯影響下能夠穩定行駛，是車輛隊列控制技術中亟需解決的難題。

目前，涉及通信時滯的車輛隊列控制系統研究中仍存在許多缺陷。現有研究大多數僅適用于幾類特殊的通信拓撲，比如，前車跟隨式通信拓撲、前車-領航車跟隨式通信拓撲、雙前車跟隨式通信拓撲、雙前車-領航車跟隨式通信拓撲等。這些特殊種類的通信拓撲具有一個共同的特點，其拉普拉斯矩陣的特征值都是實數，沒有復數，所以對這些通信拓撲下的車輛隊列進行穩定性控制與分析，相對簡單。然而，車-車通信、車-基礎設施通信等方式較為靈活，往往可以構建任意形式的通信拓撲。而對于任意形式的通信拓撲，其拉普拉斯矩陣可能含有共軛的復數特征值，甚至同時含有實數特征值和共軛的復數特征值。更困難的是，這些實數特征值和復數特征值還可能是重根。這些關于拉普拉斯矩陣特征值的復雜情況，和通信時滯交織在一起，給車輛隊列的穩定性控制帶來了設計與分析上的嚴重困難。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于任意通信拓撲的含時滯車輛隊列穩定性控制方法及系統，以克服現有技術的不足。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種適用于任意通信拓撲的含時滯車輛隊列穩定性控制方法，包括以下步驟：

S1，構建車輛隊列的車輛縱向動力學模型、固定間距策略和通信拓撲；

S2，基于通信拓撲建立含有通信時滯的分布式控制器，建立含有通信時滯的車輛隊列閉環控制系統，利用矩陣的Jordan變換，將含時滯的車輛隊列閉環控制系統解耦為若干個子系統；

S3，通過Kronecker sum運算與z代換建立子系統的輔助特征方程，對輔助特征方程求解，得到其根的模值等于1的解集，然后求解出子系統特征方程的純虛根集合，并通過計算根趨勢，確定純虛根在臨界時滯處的漸近行為，可獲取到子系統的穩定域與準確時滯邊界，分別求取每個子系統的穩定域和準確時滯邊界，對所有子系統的穩定域取交集，可獲取到車輛隊列閉環控制系統的穩定域和準確時滯邊界，即得到車輛隊列穩定的充分必要條件。

進一步的，車輛縱向動力學模型為：