基于事件触发机制的多智能体系统一致性问题研究

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伴随着现代控制技术的快速发展和人们对复杂动态系统的研究不断深入,多智能体系统的协调控制引起了许多研究人员的极大兴趣,其相关研究成果已大量应用于无线传感器网络、分布式控制、无人机编队控制、移动智能机器人和交通控制等领域。作为多智能体系统实现协调控制的首先条件,一致性问题是指基于智能体之间局部的信息通信来设计有效的控制规则,使得在该规则作用下系统中所有智能体的状态随着时间的推移最终达到某一相同值的问题。然而,在传统的一致性控制协议中,多智能体系统达到一致需要个体之间大量的信息交互,并且要求系统配置高性能硬件设备。为了减少智能体之间的信息交互以及降低系统对硬件设备的要求,我们将事件触发控制策略引入到多智能体系统一致性问题的研究中。本论文在已有研究工作的基础上,运用代数图论、矩阵理论和稳定性理论等知识,研究了基于事件触发机制的多智能体系统的一致性问题,主要内容概括如下:首先,基于事件触发机制分析了一阶多智能体系统在具有动态领导者情形下的一致性问题。分别给出两种不同的事件触发一致性控制协议,即集中式事件触发控制协议和分散式事件触发控制协议。在前者中,针对系统中的所有智能体设置一个全局的状态误差阈值,当系统误差一旦达到设定的阈值,所有智能体同时触发事件,更新并传递自身的采样信息。而在后者中,针对每个智能体设置一个基于其邻居节点状态的误差阈值,当智能体的状态误差达到设定的阈值时,该智能体独立地触发事件并执行控制任务。理论分析表明,在两种事件触发控制协议作用下,系统均可达到领导跟随状态一致性,且不发生Zeno现象。仿真实例验证了理论分析的正确性。其次,基于分散式事件触发控制策略研究了二阶多智能体系统的平均一致性问题。将系统中所有智能体的状态分解成平均值状态加上偏离均值的非一致状态,采用模型转化方法将系统的平均一致性问题等价地转化为闭环系统的稳定性问题,并利用矩阵理论和李雅普诺夫稳定性理论给出了系统趋于渐近稳定的充分条件,进而在稳定性的基础上得出系统在给出的事件触发控制协议作用下可达状态平均一致性。同时,数值计算表明,系统在整个事件触发控制过程中不会产生Zeno现象。数值仿真验证了理论方案的有效性。然后,针对已有的事件触发控制方法中存在的不足,给出了一种改进的事件触发控制方法。在该方法下,系统中的每个智能体仅需在自身的事件触发时刻更新控制输入,无需考虑其邻居节点的事件触发时刻。以该方法为基础,分别针对二阶多智能体系统在固定和切换拓扑结构下的一致性问题进行了讨论,给出了系统的控制器设计方法及一致性判定条件。通过理论分析得出,无论是在固定还是切换拓扑结构下,系统的通信结构图时刻保持强连通(切换拓扑的子图的并集在每个事件触发时间段内联合连通)是系统在所给出的事件触发一致性控制协议作用下达到状态一致的一个重要条件,且不会发生Zeno现象。仿真结果表明,与现有的事件触发控制方法相比,改进后的事件触发控制方法能够更有效地减少智能体之间的信息交互以及降低系统的控制信号更新频率,从而更多地节省了系统的网络和计算资源。接着,基于上述改进的事件触发控制方法研究了二阶多智能体系统在带有领导者情形下的一致性问题。假设领导者是全局可达的,且只向与其直接相连的部分跟随者智能体发送信号。采用模型变换的方法将系统的领导跟随一致性问题等价地转化为闭环系统的稳定性问题,并利用矩阵理论、李雅普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法给出了系统达到领导跟随一致性的充分条件。理论分析表明,只要系统的通信拓扑图包含有向生成树,且以领导者为根节点,那么,在给定的事件触发控制协议作用下系统可达领导跟随状态一致性,且不会发生Zeno现象。仿真实例验证了理论分析的正确性。最后,研究了一般线性多智能体系统的一致性问题,给出了一种新的周期性事件触发控制方法,并以该方法为基础,设计了系统的事件触发一致性控制协议。通过定义虚拟时滞,将多智能体系统的一致性问题等价地转化为一类时变时滞系统的稳定性问题。采用构造Lyapunov-Krasovskii泛函方法,得到能够保证该时变系统渐近稳定的充分条件,并在稳定性判定条件的基础上,进一步得出多智能体系统在给出的事件触发控制协议作用下可达状态一致。算法分析表明,在该新的事件触发控制方法下,系统中的每个智能体不仅只在自身的事件触发时刻更新控制输入,而且保证了任意两个连续事件触发时刻之间的间隔都至少为一个给定的采样周期,从而有效地避免了 Zeno现象的发生。数值仿真验证了所给方法的可行性和有效性。
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