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原文传递 V2X下近信号控制区车辆协同行驶的T-CPS鲁棒控制研究

论文题名：	V2X下近信号控制区车辆协同行驶的T-CPS鲁棒控制研究
关键词：	交通管理;车辆协同行驶;鲁棒控制;近信号控制区
摘要：	近信号控制区是城市交通的瓶颈和交通事故的高发区域。由于车辆在该区域行驶随着交通信号变化而出现周期性的驶停，系统内部不确定性、外界干扰、时延等因素可以造成车辆协同行驶的性能下降，降低通行效率和增加能耗，甚至导致追尾碰撞等交通事故。因此，研究车辆在近信号控制区协同行驶的规律，并设计相应的控制策略，对改善驾驶安全、提高交通效率、降低能耗具有重要意义。　　以车辆协同的鲁棒控制为切入点将有助于深入研究近信号控制区车辆协同行驶在不确定性、外界干扰、时延影响下的内在机制，有望成为V2X下解决车辆协同行驶问题的有效途径。为此，本文从交通信息物理系统视角出发，以研究车辆协同的稳定性和鲁棒性为突破口，围绕近信号控制区车辆协同行驶的鲁棒控制展开研究。首先针对多时延的车辆协同系统，研究了多时延的车辆协同行驶的稳定性；在分析多时延协同行驶的基础上，针对时变时延和非线性的问题，研究了车辆协同行驶的鲁棒H∞控制策略；为了进一步分析协同驾驶的特征，考虑三阶动力学和扰动输入的车辆协同行驶问题，研究了同质车辆协同行驶的鲁棒控制方法；在同质车辆协同行驶的基础上，针对异质性、内部参数不确定性和通信约束影响的问题，研究了异质车辆协同行驶的鲁棒控制策略。　　本文完成的主要工作包括：　　①基于T-CPS视角，研究了多时延的车辆协同行驶问题。考虑一般性的多时延非线性的车辆协同行驶系统，分析了单车行驶的串稳定性和局部稳定性，以及协同行驶的串稳定性，得到线性稳定性与时延的关系。在此基础上，推导出Burgers方程和KdV方程，并给出非线性方程的交通波解和约束条件。最后通过仿真实验分析了不同时延和协同作用对车辆行驶的影响。　　②以近信号控制区的车辆协同行驶为对象，针对驾驶过程中有界和时变的反应时延，研究了时变时延和非线性的车辆协同行驶问题。利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论讨论了系统的鲁棒稳定性。分析在实际交通中存在的各种外部扰动，利用线性矩阵不等式方法，设计分布式鲁棒H∞控制策略。通过仿真实验检验了所提方法的有效性和可行性。仿真实验结果表明，所提的控制方法可以有效地用于抑制交通阻塞，并缓解不确定的外部干扰对交通流稳定性的影响。　　③针对V2X下近信号控制区同质车辆的协同行驶系统，考虑同质车辆动力学和扰动输入，研究了同质车辆的协同行驶问题。从物理系统视角分析车辆的动力学和动态响应性能，从信息融合视角分析车辆与车辆之间、与路边设备之间的拓扑结构，构建了近信号控制区同质车辆的协同行驶的统一数学描述。利用Lyapunov-Krasovskii理论，分析了车辆协同行驶模型的鲁棒稳定性。在考虑扰动输入下，设计模型的分布式鲁棒控制策略。通过仿真实验验证了所提控制策略的有效性和可行性。　　④针对近信号控制区车辆协同的异质性、内部参数不确定性和通信约束影响，研究了异质车辆的协同行驶问题。围绕异质车辆的协同行驶系统，构建参数不确定和通信时延的协同行驶模型。根据异质性、动态不确定性和通信时延、丢包等限制条件，提出了协同行驶的鲁棒控制策略。通过理论分析和仿真实验，检验研究结果的有效性和可行性，为交通拥堵控制策略提供指导。
作者：	陈栋
专业：	控制理论与控制工程
导师：	孙棣华
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文