[發明專利]一種無人集群系統韌性恢復的外同步控制方法

在審

• 申請號: 202210471919.3
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114911161A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 耿亮;安彧;王海鵬;劉顥;劉曉龍
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 許蓮英

1.一種無人集群系統韌性恢復的外同步控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：構建無人集群系統網絡；

步驟2：輸入事件信息；

步驟3：監視響應網絡與驅動網絡的外同步誤差；

步驟4：無人集群系統外同步誤差判斷；

步驟5：控制器模擬控制調節；

步驟6：控制效率分析；

步驟7：根據控制效率分析結果，選擇韌性恢復策略調節無人集群系統；

步驟8：根據韌性恢復策略調節結果恢復無人集群系統狀態；

所述步驟1具體如下：無人集群系統可以用一個無向圖G＝(V,E)表示；

其中，V＝{v_i}是無人系統中個體(及網絡中的節點)的集合，E＝{e_ij}代表各個節點之間的業務關系；

單個節點的動力學方程可以描述為

由于每個節點的狀態受到鄰居節點的影響；鄰接矩陣G_N×N＝[g_ij]_N×N表示各節點間的業務關系，當任意節點v_i和v_j存在業務關系時，g_ij＝1；否則g_ij＝0；鄰接矩陣G是一個對稱的非負矩陣；

無人集群系統的耦合動力學方程如下所示：

上式可視為驅動網絡，表示節點v_i的動力學方程由右邊兩項共同表示；第一項表示節點v_i本身的狀態，第二項表示由鄰居節點對節點v_i的狀態的影響；其中又可細分為f_1i表示與參數無關部分，f_2i表示與參數相關部分；α為各節點的系統參數；為初始狀態；

x_j(t)表示節點v_i的鄰居節點v_j的狀態；

Γ＝diag(c,c,…,c)為內部耦合矩陣是一個對角矩陣，其中c為耦合系數；

耦合矩陣為A＝[a_ij]，記a_ij＝-g_ij(i≠j),

N_i為節點v_i的鄰居的集合；

無人集群系統中每個節點都作為一個動態系統；

每個節點都有接受信息，執行動作和發出信息三種行為；

無人集群系統中每個節點表示為x_i(t)＝[x_i1(t),x_i2(t),x_i3(t)]^T；

各個節點的狀態的動力學方程可以表示為如(2)式的羅倫茲系統；

其中，x_i表示節點i的狀態，x_i1表示節點i接受信息，x_i2表示節點i執行動作，x_i3表示節點i發送信息；α＝(m,r,b)是系統參數，m表示接收信息率，r表示執行動作程度，b表示發送信息率；

所述步驟2具體如下：輸入事件信息，生成無人集群系統受到擾動后的實際網絡；

將發生擾動或中斷后實際運行的無人集群系統視為響應網絡系統，表示如下：

其中，上式可視為響應網絡，表示節點v_i擾動或中斷后的動力學方程由右邊三項共同表示；第一項表示節點v_i擾動或中斷后本身的狀態；第二項表示由鄰居節點對節點v_i的狀態的影響；第三項u_i表示控制器；其中又可細分為f_1i表示與參數無關部分，f_2i表示與參數相關部分；表示擾動或中斷改變了原來的策略參數；ψ_i為改變后的狀態；

y_j(t)表示節點v_i的鄰居節點v_j的狀態；

Γ＝diag(c,c,…,c)為內部耦合矩陣是一個對角矩陣，其中c為耦合系數；

這里A≠B，(A＝[a_ij]，B＝[b_ij])表示網絡拓撲結構發生改變；

N_i為節點v_i的鄰居的集合；

所述步驟3具體如下：計算受到擾動或中斷后響應網絡和驅動網絡的外同步誤差||E(t)||；

定義1：如果對任何的初值和ψ_i滿足其中e_i為同步誤差，||·||是歐幾里得范數，稱響應網絡(2)和驅動網絡(1)達到外同步；

定義2：無人集群系統韌性恢復過程就是實際網絡與計劃網絡的外同步過程；使得實際網絡中節點y_i的狀態趨近于計劃網絡中相應節點x_i的狀態；

狀態誤差是無人集群系統在受到擾動或中斷后的實際運行狀態與原計劃狀態的差距；狀態誤差越小，韌性恢復的越好；實際狀態在計劃狀態附近波動并逐漸趨近于計劃狀態；同步誤差e_i→0表示實際狀態恢復到計劃狀態；供應網絡的韌性可以用網絡中所有節點總的同步誤差來度量，具體如下：

||E(t)||越小，表示恢復的越好；

所述步驟4具體如下：

判斷無人集群系統外同步誤差是否大于設定的閾值，該閾值用于描述當前無人集群系統的損傷程度；如果同步誤差小于閾值，則執行步驟二繼續監視無人集群系統；如果同步誤差大于閾值，則執行步驟四使用控制器對無人集群系統進行模擬調整；

所述步驟5具體如下：

通過控制器調節來測試5種不同韌性恢復策略

步驟5.1，控制器設計

設計節點i的控制器u_i，具體如下：

其中，u_i表示控制器；g_i表示控制程度的系數，e_i表示同步誤差；μ是參數識別的系數，α表示各節點的系統參數，表示擾動或中斷改變了的系統參數；最后兩個和式表達的是對結構的控制；x_j(t)表示節點v_i的鄰居節點v_j的狀態；y_j(t)表示節點v_i的鄰居節點v_j的狀態；Γ＝diag(c,c,…,c)為內部耦合矩陣是一個對角矩陣，其中c為耦合系數；這里A≠B，(A＝[a_ij]，B＝[b_ij])表示網絡拓撲結構發生改變；

控制器的更新規則具體如下：

其中，g_i表示控制程度的系數；k_i是控制強度；e_i表示同步誤差；表示擾動或中斷改變了的系統參數；f_2i是F_i中與參數有關的部分；

步驟5.2，韌性恢復策略

韌性恢復策略1：調整應急管理強度，參數為應急管理強度g；

韌性恢復策略2：改變策略調整強度，參數為策略調整強度μ，用于調整(m；r；b)；

韌性恢復策略3：控制異構耦合節點，結構改變引起耦合關系的改變，參數Г用來控制異構耦合節點；

韌性恢復策略4：激勵控制，激勵強度參數由模型中的脈沖反饋矩陣B_ik表示，另一種激勵是提高激勵的頻率也就是脈沖控制周期t；

韌性恢復策略5：重構網絡結構，參數為b_ij；

步驟5.3，計算無人集群系統恢復的效果R(t)

利用同步誤差，韌恢復的程度用R(t)來度量，韌恢復的程度的范圍在[0,1]；

其中，R(t)表示韌恢復程度；E(t)表示所有節點的同步誤差；ET(t)表示擾動或中斷發生時的所有節點的同步誤差，也就是最大同步誤差；

當E(t)＝ET(t)時，R(t)＝0這意味著無人集群系統還沒有從中斷狀態中恢復過來；當E(t)＝0時，R(t)＝1這是理想的情況，表示供應網絡在中斷后立即恢復到預定狀態；

這種韌性恢復的指標能夠同時度量恢復行動的規模和速度；更重要的是，這種對韌性恢復的度量并不是無記憶的，因為它考慮到累積的功能；

步驟5.4，計算韌性恢復策略的控制成本C(t)：

包括以上5中策略對應的成本：應急管理強度成本、策略調整強度成本、異構耦合節點的控制成本、激勵控制的成本、重構網絡結構的成本；

所述步驟6具體如下：

依據控制器輸出結果，計算控制效率滿足是否系統要求；

兩個因素用來度量控制的效率R_C(t)；一個是無人集群系統恢復的效果R(t)，與R_C(t)成正比；另一個是控制成本C(t)，與R_C(t)成反比；

控制效率具體如下：

R_C(t)＝R(t)/C(t)

分析不同韌性恢復策略下的恢復的效果R(t)和控制制成本C(t)，得到控制效率R_C(t)；判斷是否滿足系統需求；如果控制效率分析結果不滿足系統需求，則繼續執行步驟5；如果控制效率分析結果滿足系統需求，則執行步驟7。