[发明专利]一种考虑通信时滞的异构车辆队列稳定性控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种考虑通信时滞的异构车辆队列稳定性控制方法及系统，通过建立异构车辆队列控制系统的车辆纵向动力学模型、固定间距策略和通信拓扑，通过将车辆队列的闭环系统特征方程等价分解为若干个子系统特征方程，将整个车辆队列控制系统的稳定性控制问题转化为若干个子系统的稳定性控制问题，极大地降低了车辆队列稳定性控制与分析的计算量。通过建立子系统的辅助特征方程，将无限的系统特征根求解问题转化为有限的纯虚根求解问题，避免了对系统特征方程直接求根，本发明可计算出车辆队列的准确时滞边界，能够保证车辆队列在所给出的时滞边界内稳定行驶，且得到的稳定性条件为充分必要条件。

技术领域

本发明属于车辆队列控制领域，具体为一种考虑通信时滞的异构车辆队列稳定性控制方法及系统。

背景技术

近年来，随着机动车保有量的增长，交通拥堵、能源消耗、尾气排放等严重问题日益突出。研究表明，智能车辆通过车-车通信、车-基础设施通信等多种无线通信方式，实现车间信息“共享”交互，使车辆以队列方式行驶，可以提高行车安全，增加交通容量，减少能源消耗。

然而，由于通信带宽、信道阻塞等客观原因，车辆队列的通信中必然存在通信时滞。通信时滞的存在，使得车辆队列的状态(位置、速度及加速度状态量)变化率不仅与当前时刻的状态有关，还与过去时刻的状态有关。通信时滞不仅对车辆队列的稳态和暂态控制性能产生不利影响，还会降低系统的稳定性，影响行驶安全。因此，如何设计在通信时滞影响下的车辆队列控制方法，并保证车辆队列稳定行驶，是车辆队列控制技术中亟需解决的难题。

目前，涉及通信时滞的车辆队列控制系统研究中仍存在许多问题和不足。现有研究以同构车辆队列为主，考虑的场景偏理想化。然而，考虑到实际道路交通中不同车辆的动力学特性互异，导致车辆队列以异构形式存在，且队列中每辆车的控制器增益互不相同，给车辆队列系统建模及稳定性控制带来了挑战。尚缺少一种计算量小、可扩展性强的异构车辆队列闭环控制系统的稳定性控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑通信时滞的异构车辆队列稳定性控制方法及系统，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑通信时滞的异构车辆队列稳定性控制方法，包括以下步骤：

S1，建立异构车辆队列控制系统的车辆纵向动力学模型、固定间距策略和通信拓扑，根据固定间距策略和通信拓扑建立分布式控制器；

S2，根据车辆纵向动力学模型和分布式控制器建立车辆的闭环动力学方程，根据车辆的闭环动力学方程建立含有通信时滞的异构车辆队列闭环控制系统及其特征方程，利用矩阵的相似变换，将车辆队列闭环控制系统的特征方程等价分解为N个低阶特征方程的乘积，并根据低阶特征方程获取相应的子系统状态空间表达式；

S3，对得到的子系统状态空间表达式，利用Kronecker sum运算与z代换，建立子系统的辅助特征方程，解出在复平面单位圆上的根，然后求解子系统特征方程的纯虚根和临界时滞，并计算纯虚根在临界时滞处的根趋势，判别纯虚根在复平面虚轴处的渐近行为，获取到子系统的稳定域和准确时滞边界，逐个获取每个子系统的准确时滞边界，对所有子系统的稳定域取交集，最终得到整个车辆队列控制系统的稳定域和准确时滞边界，得到车辆队列稳定的充分必要条件。

进一步的，车辆纵向动力学模型为：