时延多智能体系统的包容控制

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计算机技术的突飞猛进为人类带来了大量的智能设备,通讯技术的发展使得信息交流变得高效,随着单个设备能力的提升变得越来越困难和代价高昂,模拟自然和人类社会群体合作方式的多智能体系统的研究在近几十年迅速成为控制理论领域的研究热点。由多个性价比较高的智能体设备协调、合作完成复杂任务,和完成同样任务的单系统相比具有成本低廉、灵活多样、鲁棒的优势,在工业、航天、社会生活等广泛领域有巨大的应用前景。多智能系统的研究从无领导者的一致性问题到单一领导者的跟踪、多领导者的包容控制问题,智能体之间的控制关系逐步变化。智能体间协调时的信息交流必然存在通讯时延,因此考虑通讯时延的多智能体系统的包容控制问题是有应用意义的工作,围绕此问题,本文研究了多种系统模型下的考虑通讯时延的包容控制问题,论文的主要研究内容和创新点包括以下几个方面:  (1)在假设多智能体系统网络拓扑结构不变、智能体间通讯时延是固定值且领导者是静态的情况下,分别研究了一阶、二阶和分数阶带时延的连续时间多智能体系统的包容控制问题。对一阶和二阶系统在无向网络和有向网络情况下均给出了时延区间的充分必要条件;对分数阶系统,用圆盘定理估计得到了时延界的充分条件。仿真实验准确验证了定理的结论。  (2)假设领导者是静态领导者,系统有固定通讯时延,以离散时间系统为研究对象,分别研究了固定无向拓扑、固定有向拓扑和切换网络拓扑三种情况下包容控制问题。固定无向拓扑情况下给出了时延需满足的充分条件;固定有向拓扑情况下,设计了两个控制协议,在时延有界的前提下就可以实现系统的包容控制;切换拓扑情况下,给出了系统实现包容控制需满足的LMI条件。  (3)考虑智能体间有固定通讯时延和时变通讯时延两种情况下,研究非线性多智能体系统的包容控制问题,系统中的领导者和跟随者都是动态非线性的。使用李雅普诺夫方法分析,得到了时延非线性多智能体系统实现包容控制所要满足的LMI形式的充分条件。仿真实验展示了较好的包容效果。  (4)在考虑通讯时延的前提下,讨论一般高阶线性系统的包容控制和一种特殊的包容控制一输出包容控制问题。一般线性系统模型情况下,领导者具有固有的动态性,属于动态领导者的情况。应用Lyapunov方法,分别研究了基于状态反馈和基于状态观测器的两种情况,给出实现包容控制的充分条件;时延系统输出包容的研究得到了系统实现输出包容的充分条件。
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