基于预测控制方法的网络化多智能体系统一致性问题研究

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一致性问题是网络化多智能体系统分布式协调协作控制的基础,在协作控制、编队控制、传感器网络设计和社会性昆虫的群集等方面得到了广泛的应用。一般来说,一致性是指利用局部信息设计协议,使得所有智能体关于某些感兴趣的量达到一致。为了实现网络化多智能体系统的一致性和协作控制,一个重要因素是智能体具有通过通信网络交换信息的能力。由于网络带宽和传输速度有限,不可避免地会出现网络诱导时滞。而时滞通常会不同程度影响网络化多智能体的性能,甚至导致系统不稳定。因此,本文将深入系统地研究具有通讯时滞的网络化多智能体系统的一致性问题。针对具有通讯时滞的离散时间网络化同构多智能体系统,基于网络化预测控制方法研究了其一致性问题。首先,对于具有相同定常时滞的网络化同构多智能体系统,基于网络化预测控制方法,主动补偿通讯时滞,设计分布式协议。针对有向固定拓扑情形,给出了系统能够实现一致的充要条件,展示了一致性与智能体结构和通讯拓扑之间的密切关系。其次,将上述结果推广到具有不同定常通讯时滞的网络化同构多智能体系统中,基于网络化预测控制方法,将一致性问题转化为多时滞线性离散系统的渐近稳定性问题。最后,将具有定常通讯时滞的网络化同构多智能体系统的一致性结果推广到具有不同时变通讯时滞情形。而且,对于具有有界时变通讯时滞的网络化同构多智能体系统,一致性问题被转化为一类具有时变时滞的线性离散切换系统的渐近稳定性问题。由于在多智能体系统中,每个智能体的结构不一定是相同的。所以,进一步研究了具有定常通讯时滞的离散时间网络化异构多智能体系统的一致性问题。由于受经济成本或测量条件的限制,在实际工程中想得到所有智能体的状态是很难的,甚至是不可能的。因此,在智能体状态不可测但输出可测情形,基于网络化预测控制方法,主动补偿通讯时滞,提出了分布式协议的设计方法,得到了系统能够实现一致的时滞无关的充要条件。特别地,讨论了无通讯时滞情形的协议设计和一致性分析。另外,在某些情况下,也无法完全得到智能体的确切输出,而只能得到相对输出,如车辆定位系统和网络化时钟同步。因此,对于智能体输出不完全可测,但相对输出完全可测的情况,基于网络化预测控制方法和相对输出,给出了分布式协议的设计方法,得到了时滞无关的一致性充要条件。最后,为了增加设计的自由度和灵活性,基于网络化预测控制方法,提出了具有动态补偿器形式的分布式协议的设计方法。并且,在适当的假设条件下,得到了时滞无关的充分性判据。在多智能体系统的协作控制中,即使受到某些因素的影响,智能体也必须实现一致。一个普遍的现象是决策值会随着外界环境、周围情况、协作任务甚至是时间的变化而变化。因此,一个重要的问题是如何设计适当的协议或算法使网络中的智能体达到多个决策值,即分组一致性问题。首先,研究了具有固定拓扑和切换拓扑的一阶网络化多智能体系统的分组一致性问题。在适当的假设条件下,得到系统能够实现分组一致的充要条件。对于固定拓扑情形,分组一致性问题可以转化为判断某个矩阵的Hurwitz稳定性问题。对于切换拓扑情形,分组一致性问题等价于一类具有任意切换信号的线性切换系统的渐近稳定性问题。其次,将一阶网络化多智能体系统的分组一致性结果推广到高阶网络化多智能体系统。对于具有固定拓扑,智能体动态结构由连续时间线性时不变系统描述的网络化多智能体系统,在适当的假设条件下,得到了分组一致的充要条件。最后,分别研究了连续时间和离散时间高阶网络化多智能体系统的分组可一致性问题。在适当的假设条件下,得到了系统关于某一给定的容许控制集分组可一致的必要条件。与现有处理方法不同,本文将由实时网络构成的单个闭环系统的网络化预测控制方法推广到由多个子系统构成的网络化多智能体系统,其中,子系统之间的信息交换是通过网络实现的。基于网络化预测控制方法,实现了通讯时滞的主动补偿,得到了智能体当前时刻的预测信息,提出了新的分布式协议的设计方法,给出了网络化多智能体系统实现一致性的充要条件。本文的研究成果有助于促进预测控制方法在网络化多智能体系统中的应用,有助于进一步理解网络化多智能体系统的一致性。
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