飽和受限的多智能體系統(tǒng)一致性問題研究.pdf

1、多智能體網絡系統(tǒng)的一致性協(xié)同控制在諸如分布式傳感網絡、編隊控制、無人駕駛飛行器等航空、航天以及工業(yè)生產過程領域得到了廣泛的關注。但是將理論設計的網絡控制算法作用于工程項目時卻達不到期望的控制效果。究其原因，一方面是描述對象的理論模型和實際對象之間有偏差，另外一個重要的原因就是在網絡化算法的設計過程中沒有充分考慮到實際系統(tǒng)的工作范圍要受到飽和約束。因而，理論設計的控制信號不能準確的作用在實際對象之上，這在很大程度上限制了多智能體網絡系統(tǒng)控

2、制算法的進一步發(fā)展及其在實際工程中的應用。此外，鑒于任何實際的被控對象都會受到飽和約束，近幾十年來這類網絡化系統(tǒng)的算法分析與設計問題受到了非常廣泛的關注。而飽和受限的多智能體網絡系統(tǒng)一致性以及在此基礎之上的分析和協(xié)同控制問題是近年來網絡化控制領域的前沿研究課題。
　　本文在總結前人工作的基礎上，系統(tǒng)、深入地研究了飽和受限的連續(xù)和離散時間多智能體系統(tǒng)一致性及協(xié)同控制算法。在統(tǒng)一的領航-跟隨（leader-follower）框架下解決

3、了飽和受限的多智能體系統(tǒng)一致性及協(xié)同控制問題，提出了飽和受限的一階、高階（high-order）以及部分線性多智能體系統(tǒng)在無向圖和有向圖的拓撲條件下達到全局一致及協(xié)同控制的分析與設計方法，并將部分理論研究成果應用于考慮飽和的編隊飛行器姿態(tài)一致性協(xié)同控制。
　　在對本課題的研究背景和現(xiàn)有結論進行分析和總結的基礎上，首先通過對飽和受限的一階單積分器系統(tǒng)進行深入的研究，奠定了領航-跟隨框架下解決一致性問題的基礎。作為該框架下的第一個研究

4、對象，首先考慮基于飽和的鄰接輸入控制算法對一階單積分器智能體一致性的影響。其次，進一步解決了飽和受限的一階連續(xù)與離散時間單積分器智能體系統(tǒng)達到全局一致性的問題。其研究內容不僅包含單積分器智能體系統(tǒng)一致性算法輸入飽和受限的情況，還考慮了執(zhí)行器飽和的連續(xù)和離散時間單積分器智能體系統(tǒng)全局一致性的內容。特別的，與已有的控制算法相比，其設計的一致性控制算法顯著的改善了多智能體系統(tǒng)的收斂速度。結論表明，飽和受限的一階單積分器智能體系統(tǒng)能夠達到全局一

5、致性。
　　本文還研究了飽和受限的臨界穩(wěn)定智能體系統(tǒng)全局一致性及協(xié)同跟蹤算法設計。首先，對于執(zhí)行器飽和的離散時間臨界穩(wěn)定智能體系統(tǒng)的一致性問題進行研究，提出了在無向圖和細致平衡（detailed balanced）有向圖的拓撲結構下的全局一致性控制算法。其次，針對連續(xù)和離散時間臨界穩(wěn)定智能體系統(tǒng)的協(xié)同跟蹤問題，在無向圖和細致平衡有向圖網絡拓撲下，分別設計多智能體系統(tǒng)的全局一致性協(xié)同跟蹤算法。其結論進一步表明飽和受限的高階穩(wěn)定智能體

6、系統(tǒng)同樣能夠達到全局一致性。
　　針對飽和受限的非穩(wěn)定智能體系統(tǒng)的全局一致性問題。分別考慮多振蕩器和多積分器智能體系統(tǒng)的全局一致性問題。利用非線性飽和控制算法，提出了非穩(wěn)定智能體全局一致性的充分條件是由跟隨智能體和領航智能體組成的有向圖中包含一個有向生成樹。其研究內容主要考慮了無向圖和細致平衡有向圖的網絡拓撲結構。結論表明，飽和受限的非穩(wěn)定智能體系統(tǒng)的全局一致性需要利用非線性反饋控制算法才能夠達到。
　　基于無向圖和有向圖網

7、絡拓撲下，研究了執(zhí)行器飽和的線性智能體系統(tǒng)半全局一致性。首先，考慮在無向圖網絡拓撲下，執(zhí)行器飽和的線性智能體系統(tǒng)半全局一致性問題。作為一種特殊情況，考慮執(zhí)行器飽和的雙積分器智能體系統(tǒng)在無向圖網絡拓撲下，多智能體系統(tǒng)的全局一致性問題。其次，考慮在有向圖網絡拓撲下，執(zhí)行器飽和的線性智能體系統(tǒng)半全局一致性和一致性協(xié)同算法設計問題。結論進一步表明，對于飽和受限的非穩(wěn)定智能體系統(tǒng)來說，線性反饋控制算法能夠達到的最好的控制目標是半全局一致性。

8、>　　基于前面的理論分析，本文將部分理論用于編隊飛行器控制系統(tǒng)中姿態(tài)調節(jié)的研究。首先，在編隊飛行器系統(tǒng)控制器設計中引入非線性飽和函數(shù)，有效地解決了控制器設計中的輸入飽和問題。其次，與現(xiàn)有編隊飛行器系統(tǒng)控制器設計中假設存在角速度和相對角速度等不同的是，其有效地解決了不存在角速度和相對角速度情形下，控制器設計過程中輸入飽和受限的問題。特別地，其提出的方法不但可以完成編隊飛行器系統(tǒng)的姿態(tài)調節(jié)目的，還可以降低編隊飛行器系統(tǒng)控制的復雜度。其研究內