多智能體系統(tǒng)一致性若干問題的研究.pdf

1、近年來，隨著應(yīng)用的需要和技術(shù)的發(fā)展，多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。作為多智能體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，一致性問題主要是研究如何基于多智能體系統(tǒng)中個體相互之間有限的信息交換，來設(shè)計合適的算法，使得所有智能體的狀態(tài)達(dá)到某同一值的問題。本文以多智能體系統(tǒng)為研究背景，以圖論為工具，重點(diǎn)分析了快速一致性算法和有限時間一致性問題，并研究了基于一致性理論的水下智能體群的運(yùn)動穩(wěn)定性問題。
　　 在多智能體系統(tǒng)的一致性控制中，系統(tǒng)

2、收斂速度的分析非常重要。許多工程系統(tǒng)都要求保證一定的收斂速度。因此，如何提高系統(tǒng)的收斂性能顯得十分必要。給定一個系統(tǒng)，其收斂速度是由該系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的代數(shù)連通度決定的。在不改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且不需要額外增加個體間通訊的情況下，本文針對如何提高一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的收斂速度分別給出了相應(yīng)的解決方法。針對一階多智能體系統(tǒng)，設(shè)計了PI控制器，使系統(tǒng)在不增加最大控制能量的條件下能夠比使用標(biāo)準(zhǔn)一致性算法更快的達(dá)到一致。在這種方法中，通過利

3、用控制系統(tǒng)中更多的有效信息，來確定智能體的下一步狀態(tài)。應(yīng)用頻域中的分析方法，得到了加快系統(tǒng)收斂速度的充分條件。由于通訊網(wǎng)絡(luò)中不可避免的存在個體本身和其它個體之間的時滯問題，本文進(jìn)一步分析了在具有輸入時滯和通信時滯的條件下，系統(tǒng)使用所提出的快速一致性算法的穩(wěn)定性問題。針對二階多智能體系統(tǒng)，首先在無向網(wǎng)絡(luò)下設(shè)計了PI控制器，基于給定的條件，分析得到了系統(tǒng)能夠快速的達(dá)到靜態(tài)一致和動態(tài)一致的充分條件。隨后，在有向網(wǎng)絡(luò)下，提出了一類基于智能體當(dāng)前

4、狀態(tài)和過去狀態(tài)的一致性控制算法，分析了系統(tǒng)在該控制算法作用下的穩(wěn)定性問題，并得到了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速靜態(tài)一致性和快速動態(tài)一致性的充分條件。進(jìn)一步，將提出的算法在多智能體系統(tǒng)的快速編隊控制中進(jìn)行了應(yīng)用。以上理論分析的結(jié)果表明系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)快速一致與Laplacian 矩陣的特征值，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和連通性密切相關(guān)。仿真結(jié)果表明所提出的幾類快速一致性控制算法能大大提高系統(tǒng)的收斂性能。目前已有的大多數(shù)一致性算法都是使得多智能體系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到漸近穩(wěn)定，但是，實(shí)

5、際上系統(tǒng)的狀態(tài)變量是不能在有限的時間內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)。所以使得系統(tǒng)在有限時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定是非常必要和必需的。本文利用Lyapunov 有限時間穩(wěn)定性理論和矩陣?yán)碚?，分析了多智能體系統(tǒng)的有限時間一致性問題。針對存在通信約束的多智能體系統(tǒng)有限時間一致性問題，提出了一類連續(xù)的非線性一致性算法，分析表明當(dāng)系統(tǒng)個體間的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為連通圖的情況時，該算法使得系統(tǒng)具有通信約束時能夠在有限時間內(nèi)達(dá)到一致。進(jìn)一步給出了系統(tǒng)收斂時間的上界,該時間上界由選

6、取的Lyapunov 函數(shù)，無向圖的Laplacian 矩陣以及系統(tǒng)的初始狀態(tài)決定。隨后，研究了基于一般非線性函數(shù)的有限時間一致性算法，并且給出了該算法使得系統(tǒng)在有限時間內(nèi)收斂的非線性函數(shù)項必須滿足的條件。本文針對不忽略智能體質(zhì)量的情況，也給出了系統(tǒng)有限時間一致性算法的設(shè)計方法。隨后研究了多智能體系統(tǒng)的有限時間跟蹤控制問題。針對領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)是時變的情況，提出了一類非線性有限時間跟蹤控制算法，在固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，分析得到了該算法使得系統(tǒng)中

7、跟隨者狀態(tài)在有限時間內(nèi)與領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)達(dá)到一致的充分條件；在切換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，提出了一類有限時間跟蹤控制算法，在領(lǐng)導(dǎo)者的狀態(tài)是時不變的情況下，給出了該算法使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有限時間跟蹤控制的充分條件。
　　 受一致性理論的啟發(fā)，基于領(lǐng)導(dǎo)-跟隨者模型，針對三類不同的通信情況分別提出了相應(yīng)的水下智能體群的隊形控制和群運(yùn)動控制模型。在所提出模型的基礎(chǔ)上，使用一致性理論，給出了使得所有跟隨者能夠跟隨領(lǐng)航者在水中以規(guī)定的隊列沿著指定的運(yùn)動方式前行