多智能体系统的一致性问题研究

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众所周知,近年来多智能体系统协同控制的一致性问题已引起越来越多研究人员的关注。这主要归因于其涉及了生物学、物理学、系统控制和计算机科学等多个领域而成为了一个新兴交叉的前沿方向。多智能体系统的一致性问题研究中,其最关键也是最基本的问题就是设计一个合理有效的一致性算法,使得系统中的每个智能体都能随着时间的推移最终达到一个共同值,即达到一致。一致性算法描述了智能体之间的信息交换过程,是系统中智能体之间相互作用的规则。基于代数图论、矩阵论和稳定性理论,考虑到局部交互、间隙控制、集群一致、领导者跟随一致性以及切换拓扑等因素,本论文提出五个多智能体系统一致性算法,具体工作如下:  ①采用局部交互的二阶多智能体系统一致性  研究了在固定有向网络拓扑条件下采用线性局部交互一致性算法的二阶多智能体的一致性。通过理论推导,得到了确保多智能体系统达到一致的充分必要条件,即当满足一个由线性增益和有向图的拉普拉斯矩阵的非零特征值共同决定的不等式时,智能体能达到一致。并且,分析了多智能体系统的收敛状态,当系统在达到一致时,最终的收敛状态由一致性算法的线性增益、有向网络拓扑和所有智能体的初始状态值共同决定。最后通过仿真实验讨论了线性增益对收敛速度的影响。  ②间歇控制下二阶多智能体系统的一致性  由于有限的通信能力和环境变化,研究了周期性间歇控制下的二阶多智能体系统的一致性。基于连续时间二阶多智能体系统,分别讨论在线性间歇控制一致性算法和非线性间隙控制一致性算法下多智能体系统的一致性,使用代数图论、矩阵论,并利用李亚普诺夫方法得到了固定拓扑下多智能体系统达到一致的充分条件。仿真结果表明,通过构造了一种新的李亚普诺夫函数,所得到的条件相对于现有的成果具有更少的保守性。  ③离散时间多智能体系统的集群一致性  受到复杂网络中集群同步问题的启发,考虑到现实中集群一致比传统一致更具有一般性,研究了离散时间多智能体系统的一致性问题。通过构造一个特殊的耦合矩阵,利用克罗内克乘积法则,得到了一个基于线性矩阵不等式的系统实现集群一致的判据。通过对该准则进行扩展,我们获得了多智能体系统的全局一致性条件。  ④切换拓扑下多智能体系统的领导者跟随一致性  研究了切换拓扑下二阶多智能体系统的领导者跟随一致性。采用数学变换将多智能体系统的一致性问题转化为误差系统的稳定性问题。使用了平均驻留时间的概念,分析了当霍尔维兹稳定子系统和不稳定子系统并存时误差系统的稳定性,得到了多智能体系统达到领导者跟随一致的充分条件。结果表明,当平均驻留时间足够大并且非霍尔维兹稳定子系统的活跃时间相对于稳定子系统的活跃时间相对小的时候,系统能够达到领导者跟随一致。  ⑤多智能体系统的有限时间领导者跟随一致性  利用牵引控制研究了二阶多智能体系统的有限时间领导者跟随一致性。通过矩阵论、图论和有限时间控制方法,设计了一个二阶多智能体系统下的有限时间领导者跟随一致性算法。使用了李亚普诺夫方法进行理论分析,得到了多智能体系统在有限时间内达到领导者跟随一致性的充分条件。理论证明显示,系统达到一致的时间不仅与一致性算法的参数有关还与系统中智能体的初始值有关。
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