几类多智能体系统的协同控制研究

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近年来,由于多智能体系统在社会、工业和国防等领域具有十分广泛的应用前景,包括传感网络、无人机编队系统、多机器人合作系统、生物网络、卫星姿态控制系统等,引起大量来自数学,自动控制,计算机,物理,生物等领域的科研人员的广泛关注。作为一门新兴的交叉学科,多智能体系统涉及到多个学科领域,内容十分丰富。本文主要侧重于研究几类具体的多智能体系统的协同控制问题。作为多智能体系统分布式协同控制领域的基本问题,一致性问题一直是科研工作者们所关注的热点问题。所谓系统的一致性,其实就是随着时间的推移,系统中所有的智能体通过信息交互,调整自身状态,最终趋于一致的过程。在实际生产中,都会存在一些外部因素的干扰,导致系统中存在一些阻尼和不确定。基于上述问题,本文考虑了一类具有速度和位置衰减项的二阶多智能体系统,通过利用矩阵特征根分析法和李雅普诺夫稳定性理论,设计出对应的控制器,并给出了一个保证系统达到一致性的充分必要条件。在实际中,这些状态可以是位置、速度、温度或者其它物理量。在多智能体系统中,智能体的状态信息有时无法直接测量获得,因此需要借助观测器对智能体的状态进行观测反馈,从而利用获得的反馈信息实现对系统的控制。在实际操作中,节点之间信息的交互必然存在很多限制因素,例如通信设备的损坏,通信通道的不稳定等其它通信问题,很多情况下,节点之间的信息交互往往只能在一些离散的时间段上进行,而并不是一个连续的过程。因此,对于具有间歇通信拓扑结构的多智能体系统的研究就具有十分重要的意义。基于上述问题,本文研究了具有参数不确定项和间歇通讯的多智能体系统的协同控制问题。本文的主要工作如下:第一章对多智能体系统的研究背景和目前的研究进展进行了简要介绍,并且概述了协同控制问题的研究意义,为后面介绍本文的主要结论奠定了基础。第二章介绍了本文主要用到的理论研究工具,包括图论、矩阵论和稳定性理论,为本文后面的主要内容做好基础知识的铺垫。第三章研究了一类具有一般结构的二阶多智能体系统的一致性问题。相比于现有的研究结果,本章研究的二阶多智能体系统增加了位置和速度的线性衰减项,从而使得问题更加一般化。通过利用矩阵特征根分析法和李雅普诺夫稳定性方法,给出了系统达到二阶一致性的充分必要条件,最后通过仿真实例验证了理论结果的正确性。与之前的研究结果相比,本章所研究的系统更加贴近实际情况,并且在现实生产生活中的应用更加广泛。第四章讨论的对象是一个具有不连续观测和时变参数不确定项的线性多智能体系统,并且该多智能体系统的拓扑结构是无向的。为了使该系统最终能够达到镇定,本章设计了一个仅用到输出状态信息的分布式控制协议,并且给出了构造该协议的算法。通过利用切换系统理论、图论、矩阵分析和李雅普诺夫方法等理论工具,本章给出了一个保证系统能够达到镇定的充分条件,并且通过数值仿真验证了理论结果的正确性。本章最突出的贡献在于将间歇控制和时变的参数不确定性进行了结合讨论,从而更加贴近现实情况,具有十分重要的现实意义。第五章对本文内容进行了总结,并且提出了对未来研究工作的展望。
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