网络环境下多智能体系统的分布式控制研究

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当今世界越来越朝着网络化、自动化、智能化方向发展,多智能体系统的自动化控制问题也因此成为了科研界的热议话题。网络环境错综复杂,常常存在着通信安全隐患,本文主要研究了网络环境下多智能体系统的安全控制问题。由于网络中节点难以获取整个网络的全局信息,我们将采用分布式控制的策略来处理多智能体系统的各种控制问题。多智能体系统的一致性是工程控制领域极其关注的问题,也是当下自动化控制方向研究的一个热点。本文将重点探讨不安全网络环境下多智能体系统的一致性问题。主要结果包含以下几个方面:(1)研究了在拒绝服务(Do S)攻击下有向网络非线性多智能体系统的一致性问题。Do S攻击通过破坏通信信道,恶意中断智能体之间的通信,从而破坏系统实现一致性的目标。在实际情况下,由于攻击者受到各种各样的阻碍,其攻击的频率和持续时间会受到一定的限制。因此,有一个问题需要考虑:对于遭受Do S攻击且频率和持续时间受限的有向多智能体网络,是否存在一个可判断能否实现一致性的准则?本文给出了不安全网络下非线性多智能体系统在频率和持续时间受限的Do S攻击下全局指数一致性的充分条件。此外,还设计了一个脉冲控制协议来削弱Do S攻击的破坏性影响。结果表明,通过选择适当的脉冲增益,可以实现多智能体系统在该脉冲控制下的一致性。(2)研究了通信时延多智能体网络的事件驱动二部一致性。通信线路常常遭受到恶意的电磁干扰,这会导致智能体之间的交流产生时延。针对有向符号网络,本文首次提出了一种基于事件触发协议来研究时延多智能体系统的二部一致性问题。结果表明:对于具有分布式通信时延的结构平衡符号网络,该协议下系统可以实现二部一致性;对于具有通信时延的结构不平衡符号网络,该协议下系统可以实现完全一致性,并且可以得到所有智能体的最终状态值为0。值得一提的是,事件触发控制器仅依赖于局部信息,无需使用网络的全局信息。此外,我们可以排除事件触发控制器出现芝诺现象,同时还给出了事件触发时间间隔的一个正下界。(3)研究了通信时延多智能体网络的非对称二部一致性。首先,提出了多智能体系统的非对称二部一致性概念。对于结构平衡的有向图,通过构造一类新的广义拉普拉斯矩阵,建立了非对称二部一致性协议,并得到了结论:当有向图强连通时,所有智能体在该协议下将收敛到两个模不同的值。有趣的是,这两个值完全依赖于广义拉普拉斯矩阵零特征值对应的左特征向量和所有智能体的初始状态。此外,如果该有向图包含一棵生成树,则所有智能体都可以达到区间非对称二部一致性。特别地,对于具有生成树的符号有向图,本文也给出了一些有用的结果。恶意的电磁干扰会导致通信时延,本文接着研究了具有通信时延的多智能体网络的牵制非对称二部一致性。针对具有时延的多智能体系统,本文设计了一种牵制的非对称二部一致性协议。结果表明:在所提出的一致性协议下,如果有向图是强连通且结构平衡的,则系统可以实现非对称二部一致性。(4)研究了随机网络攻击下多智能体系统的比例一致性。在实际的工程应用中,智能体间的通信交流往往容易遭到随机的网络攻击。本文主要考察具有半马尔可夫性的攻击,并研究该类攻击下多智能体系统的随机比例一致性。建立了保证所述系统以概率1实现比例一致性的充分条件,即所有智能体的状态几乎必然达到一定的比例。在这里,所涉及的半马尔可夫过程比以往文献中所定义的更一般,它可以用两个重要因素来表征:1)转移概率矩阵;2)驻留时间的时变分布函数。此外,采用牵制控制技术,作者设计了牵制比例一致性协议,该协议仅需要对所有网络拓扑并集的根节点进行牵制,系统在该协议下能够以概率1达到最终期望的状态值。
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