引用本文

董滔, 李小丽, 赵大端. 基于事件触发的三阶离散多智能体系统一致性分析. 自动化学报, 2019, 45(7): 1366-1372. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170406

DONG Tao, LI Xiao-Li, ZHAO Da-Duan. Event-triggered Consensus of Third-order Discrete-time Multi-agent Systems. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(7): 1366-1372. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170406

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c170406

关键词

多智能体系统，离散时间，事件触发一致，类Zeno行为 

摘要

研究了基于事件触发控制的三阶离散多智能体系统的一致性问题.首先，基于位置、速度和加速度三者的测量误差，设计了一个新颖的事件触发控制机制.然后，利用不等式技巧，得到了使离散多智能体系统达到一致的充分条件.所得到的条件揭示了系统的通信拓扑的Laplacian矩阵特征值和耦合强度对于系统一致性的影响.此外，还给出了事件触发控制器排除类Zeno行为的确定条件，这意味着事件触发控制器不会每个迭代时刻都更新.最后，通过仿真实验验证了所获得理论结果的正确性和可用性.

文章导读

近些年来, 由于多智能体协同控制在编队控制[1]、机器人网络[2]、群集行为[3]、移动传感器[4-5]等方面的广泛应用, 多智能体系统的协同控制问题受到了众多研究者的广泛关注.一致性问题是多智能体系统协同控制领域的一个关键问题, 其目的是通过与邻居之间的信息交换, 使所有智能体的状态达成一致.迄今为止, 对多智能体一致性的研究也已取得了丰硕的成果, 根据多智能体的动力学模型分类, 主要可以将其分为以下4种情形:一阶[6-9]、二阶[10-13]、三阶[14-15]、高阶[16-18].

在实际应用中, 由于CPU处理速度和内存容量的限制, 智能体不能频繁地进行控制以及与其邻居交换信息.因此, 事件触发控制策略作为减少控制次数和通信负载的有效途径, 受到了越来越多的关注.到目前为止, 对事件触发控制机制的研究也取得了很多成果[19-23].Xiao等[19]基于事件触发控制策略, 解决了带有领航者的离散多智能体系统的跟踪问题.通过利用状态测量误差并且基于二阶离散多智能体系统动力学模型, Zhu等[20]提出了一种自触发的控制策略, 该策略使得所有智能体的状态均达到一致. Huang等[21]研究了基于事件触发策略的Lur′e网络的跟踪问题.针对不同的领航者-跟随者系统, Xu等[22]提出了3种不同类型的事件触发控制器, 包含分簇式控制器、集中式控制器和分布式控制器, 以此来解决对应的一致性问题.然而, 大多数现有的事件触发一致性成果集中于考虑一阶多智能体系统和二阶多智能体系统, 很少有成果研究三阶多智能体系统的事件触发控制问题, 特别是对于三阶离散多智能体系统, 成果更是少之又少.所以, 设计相应的事件触发控制协议来解决三阶离散多智能体系统的一致性问题已变得尤为重要.

本文研究了基于事件触发控制机制的三阶离散多智能体系统的一致性问题, 文章主要有以下三点贡献:

1) 利用位置、速度和加速度三者的测量误差, 设计了一种新颖的事件触发控制机制.

2) 利用不等式技巧, 分析得到了保证智能体渐近收敛到一致状态的充分条件.与现有的事件触发文献[19-22]不同的是, 所得的一致性条件与通信拓扑的Laplacian矩阵特征值和系统的耦合强度有关.

3) 给出了排除类Zeno行为的参数条件, 进而使得事件触发控制器不会每个迭代时刻都更新.

图 1  6个智能体通信拓扑结构图

图 2  三阶离散多智能体系统的位置轨迹图

图 3  三阶离散多智能体系统的速度轨迹图

针对三阶离散多智能体系统的一致性问题, 构造了一个新颖的事件触发一致性协议, 分析得到了在通信拓扑为有向加权图且包含生成树的条件下, 系统中所有智能体的位置状态、速度状态和加速度状态渐近收敛到一致状态的充分条件.同时, 该条件指出了通信拓扑的Laplacian矩阵特征值和系统的耦合强度对系统一致性的影响.另外, 给出了排除类Zeno行为的参数条件.仿真实验结果也验证了上述结论的正确性.将文中获得的结论扩展到拓扑结构随时间变化的更高阶多智能体网络是极有意义的.这将是未来研究的一个具有挑战性的课题.

作者简介

李小丽

西南大学电子信息工程学院硕士研究生.主要研究方向为多智能体系统的一致和分布式优化.E-mail:xlli@swu.edu.cn

赵大端  

西南大学电子信息工程学院硕士研究生.主要研究方向为非线性动力学系统, 分布式优化一致, 多智能体系统一致.E-mail:zhaodaduan123@163.com

董滔   

西南大学电子信息工程学院副教授.主要研究方向为多智能体系统控制, 神经网络, 非线性动力学系统, 分岔与混沌研究.本文通信作者.E-mail:david_312@126.com