非凸受限下的多智能体分布式一致性问题研究

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在过去20年中,多智能体系统的一致性问题得到了各领域学者的广泛关注。通过设计分布式的一致性协议,功能简单的个体组成的群体可以实现复杂而有序的功能。多智能体系统的一致性问题在实际工程中有着广泛的应用,如无人机编队控制、卫星群调姿等。因此,对于多智能体系统分布式一致性问题的研究有着重要的理论意义和应用价值。实际系统的状态多存在物理限制如饱和、死区特性,饱和受限一致性问题是当下的前沿研究课题。通过查阅分析大量文献,本文针对状态受限于非凸集的离散时间多智能体系统的一致性问题进行研究,主要工作分为以下几个方面:(1)针对有向固定拓扑结构下,离散时间的二重积分多智能体系统,提出了一个一致性协议,给出了基于系统状态转移矩阵的SIA性质分析系统一致性的方法。首先分析了多智能体系统的通信拓扑结构,利用图论对连续时间的一阶系统进行一致性和收敛速度分析;进一步,考虑一种离散时间的二重积分多智能体系统,提出一种基于仅含有智能体自身信息和邻居信息的分布式一致性协议的控制方法,并利用SIA矩阵中列向量的收敛性质进行系统的一致性分析,给出了系统位置状态达成一致的充分条件。系统仿真分析验证了控制方法的有效性。(2)针对有向切变拓扑结构下,速度受限于非凸集,考虑网络传输通信时延影响的离散时间二重积分多智能体系统,提出了一类基于一种新颖的限制算子和速度阻尼增益设计的分布式一致性控制方法。首先考虑智能体速度的非凸饱和受限,提出一种引进限制参数的限制算子,设计了带有速度阻尼增益的分布式状态反馈控制器,并将闭环多智能体系统进行行随机矩阵变换,利用行随机矩阵的凸性给出判断多智能体系统一致性的充分条件,这种控制方法可以使得系统的位置状态指数收敛于公共平衡点。系统仿真分析验证了理论的正确性和控制方法的有效性。(3)针对有向切变拓扑结构下,速度和加速度均受限于非凸集,考虑网络传输通信时延影响的离散时间三重积分多智能体系统,提出了一类基于一种全新的状态反馈控制器和阻尼增益、变换参数设计的分布式一致性控制方法。首先考虑系统加速度非凸饱和受限造成的智能体动态本质的改变,提出一个三重积分的智能体动态,进一步设计一个包含速度阻尼增益和加速度阻尼增益的状态反馈控制器;引入几个变换参数进行非奇异的坐标变换,通过系统状态转移矩阵的凸性分析,给出变换参数和阻尼增益的设计方法。最后给出了多智能体系统位置状态达成一致的充分条件。系统仿真显示了速度和加速度在非凸受限下的收敛过程,验证了多状态非凸受限下分布式一致性控制方法的有效性。
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