带有时延与切换拓扑的多智能体一致性分析与编队应用

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多智能体系统分布协调控制在智能交通、智能制造以及军事国防等领域有着广泛的应用,已成为控制领域的研究热点之一。而多智能体系统分布协调控制中很多问题可划归为一致性问题。所谓“一致性”,是指多智能体系统通过控制协议随着时间的演化状态最终趋于一致。论文针对高阶线性多智能体系统,从四个方面展开研究,主要研究内容及科研成果如下:  第一,针对带有通信时延的高阶线性多智能体系统,分别考虑常数单时延、多时延以及时变时延三种网络通信时延下的一致性问题。通过线性变换和状态空间分解,将该一致性问题等价地转换为相应时延系统的渐进稳定性问题。对于常数单时延和多时延两种情况,通过引入Lyapunov矩阵,得出利用微分方程组进行判定的一致性充分必要判据;针对常数单时延、多时延以及时变时延三种网络通信时延情况,分别构造Lyapunov-Krasovskii泛函,应用自由权矩阵方法得出利用线性矩阵不等式(LMIs)检验的一致性充分判据。通过数值实例验证判据的有效性。  第二,在带有时变通信时延的基础上进一步考虑带有通信拓扑边权值不确定性的高阶线性多智能体系统鲁棒一致性问题。将该鲁棒一致性问题等价转换为相应时延系统的鲁棒稳定性问题,得出多智能体系统鲁棒一致性的充分必要条件。进一步构造Lyapunov-Krasovskii泛函,利用自由权矩阵方法,得出有关LMIs可行解的鲁棒一致性充分判据。通过数值实例验证判据的有效性。  第三,针对高阶线性多智能体系统在切换通信拓扑下一致性问题进行研究。通过线性变换和状态空间分解,将该一致性问题等价地转换为相应切换系统的渐进稳定性问题。引入可一致拓扑和不可一致拓扑的概念,考虑两种类型的切换拓扑:1)系统通信拓扑在仅包含可一致拓扑的集合内进行切换;2)系统通信拓扑在同时包含可一致拓扑和不可一致拓扑的集合内进行切换。针对每一种切换拓扑情况,分析通信拓扑的切换信号对多智能体系统状态一致收敛的影响,分别利用平均驻留时间和动态驻留时间两种切换策略,得出多智能体系统在切换通信拓扑下两种一致性充分判据。通过数值实例验证判据的有效性。  第四,利用通信时延和切换拓扑相关的多智能体系统一致性理论,考虑带有时变通信时延和切换通信拓扑的多智能体系统编队形成问题。提出线性变换同时利用状态空间分解,将该编队问题等价地转换为相应切换时滞系统的渐进稳定性问题。基于有向图,考虑三种切换通信拓扑:1)系统通信拓扑在连通拓扑集内进行切换;2)系统通信拓扑在同时包含连通拓扑和不连通拓扑的集合内进行切换;3)系统通信拓扑在不连通拓扑集合内进行切换,但是集合中所有拓扑的并集是联通的。分别针对这三种通信拓扑情况,构造Lyapunov-Krasovskii泛函,利用自由权矩阵法,分析了通信拓扑切换信号对多智能体系统编队形成的影响,分别给出具有时变通信时延的编队形成的时间依赖及状态依赖的切换策略,得出编队形成的LMIs充分性判据。通过实验平台仿真验证判据的有效性。  基于以上研究内容,本文的成果拓展了多智能体系统一致性问题的研究思路,并将一致性理论成果应用到编队形成控制的研究,丰富了一致性和编队控制的研究方法,为未来实现智能交通中智能网联车(ICV)的应用提供了理论基础,也为实验阶段智能网联车系统的性能分析和控制决策提供参考依据。
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