基于事件觸發(fā)機(jī)制的多智能體系統(tǒng)一致性問題研究.pdf

1、伴隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的快速發(fā)展和人們對復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的研究不斷深入，多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制引起了許多研究人員的極大興趣，其相關(guān)研究成果已大量應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式控制、無人機(jī)編隊控制、移動智能機(jī)器人和交通控制等領(lǐng)域。作為多智能體系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的首先條件，一致性問題是指基于智能體之間局部的信息通信來設(shè)計有效的控制規(guī)則，使得在該規(guī)則作用下系統(tǒng)中所有智能體的狀態(tài)隨著時間的推移最終達(dá)到某一相同值的問題。然而，在傳統(tǒng)的一致性控制協(xié)議中，多智能

2、體系統(tǒng)達(dá)到一致需要個體之間大量的信息交互，并且要求系統(tǒng)配置高性能硬件設(shè)備。為了減少智能體之問的信息交互以及降低系統(tǒng)對硬件設(shè)備的要求，將事件觸發(fā)控制策略引入到多智能體系統(tǒng)一致性問題的研究中。
　　本論文在已有研究工作的基礎(chǔ)上，運(yùn)用代數(shù)圖論、矩陣?yán)碚摵头€(wěn)定性理論等知識，研究了基于事件觸發(fā)機(jī)制的多智能體系統(tǒng)的一致性問題，主要內(nèi)容概括如下:
　　首先，基于事件觸發(fā)機(jī)制分析了一階多智能體系統(tǒng)在具有動態(tài)領(lǐng)導(dǎo)者情形下的一致性問題。分別給出

3、兩種不同的事件觸發(fā)一致性控制協(xié)議，即集中式事件觸發(fā)控制協(xié)議和分散式事件觸發(fā)控制協(xié)議。在前者中，針對系統(tǒng)中的所有智能體設(shè)置一個全局的狀態(tài)誤差閾值，當(dāng)系統(tǒng)誤差一旦達(dá)到設(shè)定的閾值，所有智能體同時觸發(fā)事件，更新并傳遞自身的采樣信息。而在后者中，針對每個智能體設(shè)置一個基于其鄰居節(jié)點狀態(tài)的誤差閾值，當(dāng)智能體的狀態(tài)誤差達(dá)到設(shè)定的閾值時，該智能體獨(dú)立地觸發(fā)事件并執(zhí)行控制任務(wù)。理論分析表明，在兩種事件觸發(fā)控制協(xié)議作用下，系統(tǒng)均可達(dá)到領(lǐng)導(dǎo)跟隨狀態(tài)一致性，且

4、不發(fā)生Zeno現(xiàn)象。仿真實例驗證了理論分析的正確性。
　　其次，基于分散式事件觸發(fā)控制策略研究了二階多智能體系統(tǒng)的平均一致性問題。將系統(tǒng)中所有智能體的狀態(tài)分解成平均值狀態(tài)加上偏離均值的非一致狀態(tài)，采用模型轉(zhuǎn)化方法將系統(tǒng)的平均一致性問題等價地轉(zhuǎn)化為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并利用矩陣?yán)碚摵屠钛牌罩Z夫穩(wěn)定性理論給出了系統(tǒng)趨于漸近穩(wěn)定的充分條件，進(jìn)而在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上得出系統(tǒng)在給出的事件觸發(fā)控制協(xié)議作用下可達(dá)狀態(tài)平均一致性。同時，數(shù)值計算表明

5、，系統(tǒng)在整個事件觸發(fā)控制過程中不會產(chǎn)生Zeno現(xiàn)象。數(shù)值仿真驗證了理論方案的有效性。
　　然后，針對已有的事件觸發(fā)控制方法中存在的不足，給出了一種改進(jìn)的事件觸發(fā)控制方法。在該方法下，系統(tǒng)中的每個智能體僅需在自身的事件觸發(fā)時刻更新控制輸入，無需考慮其鄰居節(jié)點的事件觸發(fā)時刻。以該方法為基礎(chǔ)，分別針對二階多智能體系統(tǒng)在固定和切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的一致性問題進(jìn)行了討論，給出了系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法及一致性判定條件。通過理論分析得出，無論是在固定還

6、是切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)圖時刻保持強(qiáng)連通（切換拓?fù)涞淖訄D的并集在每個事件觸發(fā)時間段內(nèi)聯(lián)合連通）是系統(tǒng)在所給出的事件觸發(fā)一致性控制協(xié)議作用下達(dá)到狀態(tài)一致的一個重要條件，且不會發(fā)生Zeno現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的事件觸發(fā)控制方法相比，改進(jìn)后的事件觸發(fā)控制方法能夠更有效地減少智能體之間的信息交互以及降低系統(tǒng)的控制信號更新頻率，從而更多地節(jié)省了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和計算資源。
　　接著，基于上述改進(jìn)的事件觸發(fā)控制方法研究了二階多智能體系

7、統(tǒng)在帶有領(lǐng)導(dǎo)者情形下的一致性問題。假設(shè)領(lǐng)導(dǎo)者是全局可達(dá)的，且只向與其直接相連的部分跟隨者智能體發(fā)送信號。采用模型變換的方法將系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)跟隨一致性問題等價地轉(zhuǎn)化為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并利用矩陣?yán)碚?、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式(LMI)方法給出了系統(tǒng)達(dá)到領(lǐng)導(dǎo)跟隨一致性的充分條件。理論分析表明，只要系統(tǒng)的通信拓?fù)鋱D包含有向生成樹，且以領(lǐng)導(dǎo)者為根節(jié)點，那么，在給定的事件觸發(fā)控制協(xié)議作用下系統(tǒng)可達(dá)領(lǐng)導(dǎo)跟隨狀態(tài)一致性，且不會發(fā)生Zeno

8、現(xiàn)象。仿真實例驗證了理論分析的正確性。
　　最后，研究了一般線性多智能體系統(tǒng)的一致性問題，給出了一種新的周期性事件觸發(fā)控制方法，并以該方法為基礎(chǔ)，設(shè)計了系統(tǒng)的事件觸發(fā)一致性控制協(xié)議。通過定義虛擬時滯，將多智能體系統(tǒng)的一致性問題等價地轉(zhuǎn)化為一類時變時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。采用構(gòu)造Lyapunov-Krasovskii泛函方法，得到能夠保證該時變系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件，并在穩(wěn)定性判定條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步得出多智能體系統(tǒng)在給出的事件觸發(fā)控