基于动态交互拓扑的多智能体系统一致性算法研究

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangjiao610329
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近些年来,随着计算机网络技术、通讯技术、自动化技术以及人工智能技术的不断发展与融合,多智能体系统的分布式协同控制已经成为一个十分重要而且热门的研究领域,它吸引了来自数学、控制、物理、生物、机器人、计算机和人工智能等领域研究学者的极大关注。在多智能体系统的众多研究方向中,一致性问题是最基础也是最重要的研究方向之一。但是在实际应用中,由于多智能体系统具有较大的规模,外部干扰的存在使得智能体之间的通讯连接是不可靠的,智能体个体单元通信和传感的范围是有限的,外部工作环境的恶化也可能会造成传输通道本身发生故障等,从而导致了多智能体系统的通讯拓扑并不总是固定的。另外,考虑每个智能体本身的资源、计算、通讯能力的有限性,基于事件触发的控制相对于传统的时间控制能够更好地缓解通讯交流负担并有效地节约通讯资源。
  本篇论文在总结前人工作的基础上,以多智能体系统一致性问题为背景,结合平均驻留时间的方法,依次以系统状态未知的输出反馈,对具有间歇性通讯和切换拓扑的非线性多智能体系统设计了相应的一致性控制算法。最后,基于事件触发的技术,设计了能够有效降低控制器更新频率的分布式一致性协议。本篇论文的主要内容如下:
  首先,针对具有间歇性通讯的非线性多智能体系统,考虑了只能测量和利用智能体的输出信息,提出了一个新奇的基于状态观测器的一致性控制器协议。同时设计了一个算法来选择相应的控制器增益矩阵和耦合强度系数,并给出两个优化问题来优化相关的参数。通过运用矩阵分析和稳定性理论的工具,理论地证明了所设计的控制器可以实现具有间歇性通讯的非线性多智能体系统的一致性跟踪控制,并通过实际例子的仿真验证了我们提出方法的有效性。
  其次,考虑了具有切换拓扑的非线性多智能体系统,其中多智能体系统由领导者层智能体和跟随者层智能体组成。在前述研究内容的基础上,我们考虑到系统的全局信息难以获得的情况,引入了自适应参数来提高整个系统的自调节能力。通过利用智能体自身的状态信息和其邻居智能体的输出信息设计了基于观测器的完全分布式一致性协议。经过严格的理论推导分析,证明了设计的控制器可以使跟随者层智能体的状态跟踪上领导者层相应的智能体的状态,同时实际例子的仿真有效地说明了我们研究方法的可行性。
  然后,针对具有间歇性通讯的非线性多智能体系统,结合事件触发的控制器交流方案,通过利用智能体的状态信息设计了分布式事件触发一致性协议。为了能够得到最大的通讯恢复时间,我们给出了一个优化问题来得到相应的关于间歇性通讯时间间隔参数的最优值。与已有的文献相比较,我们首次将事件触发机制引入了一般有向动态交互拓扑的多智能体系统一致性问题中,同时证明了可以避免芝诺现象的产生,并通过实际模型参数的仿真验证了我们提出方法的有效性。
  最后,对全文所做工作进行了总结,并对研究方向进一步展望。
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