基于多智能体系统一致性的跟踪控制研究

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近年来,分布式多智能体系统一致性的研究成果广泛应用于飞行器编队、传感器网络配置、协调控制和目标跟踪等工程领域,显示出了巨大的应用前景和重要的学术研究价值。信息交换规则的设计是解决一致性问题的核心,其目的是使智能体网络中个体状态收敛到某一期望值。本文主要研究多智能体系统一致性控制所衍生出的目标跟踪问题,阐述了一致性控制和跟踪控制的相互联系,多智能体网络被划分为两个类别:领导者和跟随者,它们之间的信息交换方式采用一个拓扑图进行描述。本文介绍了代数图论的基本概念和矩阵性质,以及证明中必要的引理和稳定性理论,主要的研究内容如下首先,研究了有向图中通信网络含有加性随机噪声的多智能体跟踪控制问题。分别在固定和切换拓扑情况下,当领导者节点在有向通信拓扑图中是全局可达的情况下,所设计的完全分布式一致性跟踪控制协议中,每个智能体的一致性增益自适应律仅依赖跟踪误差。使用代数图论、自适应控制理论和随机稳定性理论得到2个结论:1.每个跟随者在均方意义下跟踪上领导者;2.每个智能体的一致性增益趋于最优值。最后通过仿真分析验证跟踪算法的有效性和正确性。其次,研究了有向图中通信网络含有随机噪声和时滞的多智能体系统一致性跟踪控制问题。跟随者不能测量领导者的加速度状态,智能体仅仅可以获取与其相邻智能体的相对位置状态信息。分布式跟踪协议包含两个部分:一部分是跟随者基于邻居智能体速度信息估计领导者的加速度状态;另一部分是针对跟随者设计的基于邻居位置状态的反馈控制器。尤其是考虑了速度估计误差对最大通信时滞值的影响。通过代数图论和随机稳定性理论证明的一致性跟踪控制协议可以确保跟踪误差在均方意义下趋于0,仿真结果表明了一致性性跟踪控制算法的有效性。最后,研究了无向图中通信网络含有随机噪声的多智能体系统一致性有限时间跟踪控制问题。多智能体获取邻居个体的信息含有随机噪声。针对随机多智能体系统误差微分方程选择适当的李雅普诺夫函数,构造合适中间变量,使用分块矩阵方法处理推导过程中产生的Hessian矩阵。结合图论和有限时间稳定定理所设计的一致性跟踪控制协议能够保证跟随者在有限时间内跟踪上动态领导者。仿真实例验证了有限时间跟踪协议的正确性。
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