多智能体系统节能式一致性及编队控制

摘要

随着计算机技术的广泛应用和网络技术的不断发展，系统结构越来越复杂，基于复杂系统的多智能体系统以其优良特性，博得众多学者的高度关注。采用多个简单廉价的智能体协调完成复杂任务来代替单个复杂昂贵的系统，节省成本的同时提高了整个系统的灵活性和鲁棒性。多智能体系统显现出来的强大的功能和优势，使其在自然科学、社会生活的众多领域具有很强的应用前景。随着系统规模日益庞大，降低系统的控制成本成为工业科技发展的迫切需求；高效节能、低碳环保也是社会发展和人民生活追求的主题。从这一视角出发，基于节省能量的目的，该文从控制协议设计的角度重点研究了多智能体系统节能式一致性和编队控制问题。论文主要研究的内容和创新点包括以下几个方面：
　　(1)对于领导者速度不可实时监测的非线性多智能体系统，提出了基于速度观测器的一致性间歇控制协议，控制器间歇性的工作机制减少了单位时间内信息的传递量，从而节省了能量。针对间歇控制协议下的闭环切换系统的动态特征，利用多Lyapunov函数技术分析其稳定性，在固定拓扑和切换拓扑情况下，分别得到了使得跟随者渐近跟踪领导者的充分条件。进一步，考虑系统含有时滞的情况，用类似的方法分析时滞多智能体系统的一致性。
　　(2)针对系统状态不可测的线性时滞多智能体系统，设计了不连续的脉冲观测器，其特征是只在瞬时时刻进行观测器自身状态的更新。在同时考虑系统自时滞和通信时滞的情况下，基于脉冲观测器设计了分布式一致性控制协议。构造新的分段Lyapunov函数来分析具有脉冲效应的闭环误差系统的稳定性，得到了具有线性矩阵不等式形式的充分条件，实现了多智能体系统的一致性，并给出了控制器增益矩阵和观测器增益矩阵的求解方法。
　　(3)设计了脉冲控制协议实现含有时滞的非线性多智能体系统的编队控制。其基本思想是利用网络突变过程中与智能体瞬间接触的邻居智能体那里获得的信息来设计控制策略，在一些离散点对系统施加瞬时控制量使系统状态发生跳变。利用李雅普诺夫函数方法并结合脉冲系统稳定性理论分析误差系统的稳定性，分别在固定和切换拓扑下给出了使跟随者以期望编队跟踪领导者的充分条件。最后考虑了领导者受到有界干扰的情况，同样设计了脉冲控制协议实现了多智能体系统达到期望的编队。
　　(4)对于含有内部不确定和外部干扰的多智能体系统，在系统状态不可测的情况下，提出了基于线性扩张状态观测器(LESO)的编队控制协议。在系统模型已知和未知的情况下，分别得到了充分条件保证多智能体系统形成预先设定的编队。

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本文的主要符号

第一章 绪论

第一节 多智能体系统

第二节 多智能体系统协调控制的发展现状

第三节 本文的研究工作与结构安排

第二章 预备知识

第一节 代数图论

第二节 矩阵论

第三章 基于观测器的非线性多智能体系统一致性间歇控制

第一节 引言

第二节 问题描述

第三节 主要内容

第四节 数值例子

第五节 本章小结

第四章 时滞非线性多智能体系统一致性间歇控制

第一节 引言

第二节 问题描述

第三节 主要结果

第四节 数值例子

第五节 本章小结

第五章 基于脉冲观测器的时滞多智能体系统一致性

第一节 引言

第二节 问题描述

第三节 主要结论

第四节 数值例子

第五节 本章小结

第六章 带有干扰的时滞多智能体系统脉冲编队控制

第一节 引言

第二节 问题描述

第三节 主要结果

第四节 数值例子

第五节 本章小结

第七章 基于扩张状态观测器的多智能体系统编队控制

第一节 引言

第二节 问题描述

第三节 主要结论

第四节 数值例子

第五节 本章小结

第八章 总结与展望

第一节 全文总结

第二节 未来研究工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果