通信噪声环境中线性多智能体系统的协同控制

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无论在自然界还是在工程应用中,都存在大量可以建模为多智能体系统的对象,比如自然界中的鸟群、鱼群、蚁群、蜂群等生物群体;再比如实际应用中的传感器网络、多车辆系统、多机械臂系统、多机器人系统、卫星簇等。由于其广阔的应用前景,近年来针对多智能体系统的研究方兴未艾。在多智能体系统的诸多研究方向中,多智能体系统的协同控制一直是其中的一个热点。常见的协同控制任务包括一致性控制、包含控制、编队控制、覆盖控制等,其中一致性控制是其他控制任务的基础。为了实现协同控制的目标,智能体之间通过一个通信网络交互数据。在复杂的应用环境中,通信网络往往会受到噪声、时延、丢包等因素的干扰。本文研究了通信噪声环境中多智能体系统的协同控制问题,提出了多种协同控制协议。为了抑制通信噪声的影响,本文在提出的所有控制协议中引入了时变噪声抑制增益。具体来说,本文的创新之处主要包括以下四方面:  1.针对具有切换通信拓扑的二阶积分多智能体系统在通信噪声环境中的一致性问题,提出了一种基于采样数据的一致性控制协议,并给出了系统实现均方一致性和几乎必然一致性的充分条件。本文证明了,若每一个采样时刻的通信拓扑图都是具有生成树的平衡图,且噪声抑制增益满足随机逼近型条件,则在提出的控制协议下,多智能体系统可实现均方一致性。并且还证明了,当噪声抑制增益取某些特殊形式时,多智能体系统的几乎必然一致性也可实现。  2.针对噪声环境中一阶积分和二阶积分多智能体系统,提出了解决其包含控制问题的控制协议,并给出了保证多智能体系统实现包含控制的充要条件。在分布式系统中,由于其分布式的特性,所有智能体的噪声抑制增益很难做到严格地同步,彼此之间难免会存在一些差异。因此,本文允许每个智能体拥有独立于其他智能体的噪声抑制增益。并在这种情况下证明了,若所有的增益都是同阶无穷小,则系统能够实现均方包含控制。  3.针对状态未知的多输入多输出线性多智能体系统的一致性问题,提出了一种基于动态输出反馈的一致性协议,并给出了多智能体系统实现均方一致性和几乎必然一致性的充分条件。本文同时考虑了马尔科夫切换通信拓扑和固定通信拓扑两种情况。对于后者,本文还给出了多智能体系统实现均方一致性的必要条件。  4.针对噪声环境中具有领航者-跟随者结构的一般线性多智能体系统,提出了一种基于状态反馈的一致性协议,并分析了多智能体系统在此协议下的收敛性和收敛速度。在这部分研究中,我们允许每个智能体拥有独立于其他智能体的噪声抑制增益。证明了,若所有噪声抑制增益都是同阶无穷小,则一般线性多智能体系统可实现均方一致性。并且文中定量地给出了领航者与跟随者之间跟踪误差的期望以及二阶矩的收敛速度。
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