引用本文

陈世明, 管俊杰, 高彦丽, 裴惠琴, 邱昀. 组合连通拓扑下基于事件触发的多智能体快速一致性算法. 自动化学报, 2018, 44(12): 2269-2277. doi: 10.16383/j.aas.2018.c160839

CHEN Shi-Ming, GUAN Jun-Jie, GAO Yan-Li, PEI Hui-Qin, QIU Yun. Event-triggered Fast Consensus Algorithm for Multi-agent Systems Under Jointly-connected Topology. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(12): 2269-2277. doi: 10.16383/j.aas.2018.c160839

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c160839

关键词

多智能体系统，事件触发控制，快速一致性，组合连通拓扑 

摘要

针对组合连通拓扑下多智能体系统控制过程中存在通信和计算资源损耗大以及系统收敛速度慢等问题，提出一种新的具有状态预测器的事件触发一致性控制协议，通过设计状态预测器使每个智能体都能对其邻居智能体的未来状态作出预测；同时，对于智能个体给出了基于状态信息的事件触发条件，当状态误差满足该条件才触发事件.在该控制策略下多智能体系统可在节约通信和计算资源的同时具有更快的收敛速度.利用Lyapunov稳定性理论和代数图论，证明了所提事件触发控制策略能够有效实现组合连通拓扑结构下的平均一致性，且不存在Zeno行为.仿真实例进一步验证了理论结果的有效性.

文章导读

近年来, 群系统的分布式协同控制因其极强的实际应用背景已成为控制工程、生物学、物理学等学科广泛关注的一个重要问题.例如多航体集结[1-2]、编队控制[3-4]、蜂拥[5-6]、姿态校整[7-8]等.这些协同控制任务都可以统一到多智能体系统的信息一致性这一理论框架内.一致性理论的基本思想是每一个智能体基于自己和其邻居的信息状态更新自身信息, 从而使得所有个体的最终信息收敛到一个共同的值, 即达到一致.

一致性问题的研究可追溯到1995年Vicsek等[9]基于数学方程的描述方式, 用网络建立个体之间的信息交互, 提出了一个简单的离散多智能体系统模型(Vicsek模型). 2003年Jadbabaie等[10]针对Vicsek模型进行了更深入的研究, 利用图论和矩阵论给出Vicsek模型的理论解释, 从本质上揭示了多智能体系统的群集现象. Olfati-Saber等[11]在此基础上建立多智能体系统的理论框架并提出了经典的一致性协议.之后, Ren等[12]研究了一阶连续和离散多智能体系统的一致性问题, 提出在通信拓扑具有生成树的情况下, 所有节点的状态能达成一致.

为改善一致性收敛速度, 文献[13]阐述了预测控制在多智能体系统中的应用, 提出分布式模型预测控制策略, 有效解决了存在有界控制输入的多智能体系统一致性问题.文献[14]研究了多智能体系统一致性的收敛速度问题, 提出一种具有状态预测器的一致性控制协议, 在该控制协议下多智能体系统能以更快的速度达到一致.文献[15]研究了二阶多智能体系统一致性的收敛速度问题, 提出一种快速分布式平均一致性算法, 在每次控制输入都加入基于邻居状态信息的线性预测量, 加快了多智能体系统状态值收敛到平均值的速度.

在实际应用中, 智能体自身的能量和通信信道的带宽都是有限的, 一般而言, 控制任务中的测量、通信和控制协议更新都是周期性执行的, 即周期采样控制方法[16-17].为了保证所有执行点的性能, 采样时间常数通常取一个保守值, 这通常会造成通信和计算资源的浪费.随着研究的深入及解决实际应用中控制器周期性执行任务导致的计算资源和通信资源浪费问题, 基于事件触发的多智能体控制策略研究得以开展和应用.在事件触发控制策略下, 控制任务只按需执行, 从而达到节约系统的资源包括智能体的计算能力、通信能力、能源储备等目的.目前, 基于事件触发控制的多智能体系统一致性已取得不少有意义的研究成果.在固定拓扑下, 文献[18]提出了一阶系统的事件触发控制协议, 并针对其设计了一种与智能体系统状态有关的事件触发条件, 证明不存在Zeno行为, 结果表明事件触发控制在具有期待性能的同时减少了采样次数.文献[19]提出了一个与时间有关的触发函数.文献[20]研究了二阶多智能体系统的事件触发控制.

在时变拓扑下, 文献[21]研究了切换拓扑下的事件触发控制一致性问题, 假设每个切换区间里的多智能体通信拓扑是强连通的, 设计了一个事件触发控制策略并解决了切换拓扑下的一致性问题.文献[22]研究了领导跟随系统在切换拓扑结构下的事件触发一致性问题, 基于邻居个体的状态估计值设计了一个反馈控制器, 在该反馈控制器和事件条件共同作用下, 系统能在有效节约通信资源的同时很好地实现切换拓扑下的领导跟随一致性.文献[23]研究了切换拓扑下线性异质多智能体系统的协同输出调节问题, 设计了一个基于事件触发的观测器, 并在此基础上提出基于输出反馈的输出调节控制策略, 使得异质多智能体系统能在抑制干扰的同时实现对外部系统信号的渐近跟踪一致.

以上时变拓扑研究需要保证时变拓扑是连通的或是强连通的.但实际中, 由于系统通信带宽有限, 环境干扰等因素, 时变拓扑并不能保证一直连通.文献[24]研究了组合连通拓扑结构下的一致性问题, 设计了一个静态事件触发函数使得分歧向量渐近趋于状态平均值附近的有界区域.文献[25]提出一个与触发时刻状态相关的触发函数使得组合连通拓扑下的多智能体系统达成一致性.

考虑当前组合连通拓扑下多智能体系统基于事件触发一致性控制研究成果, 大都集中于控制协议设计或触发条件的选取, 没有兼顾系统的收敛速度, 而系统的收敛速度是一致性问题研究的一项重要性能指标.本文围绕组合连通拓扑下多智能体系统基于事件触发的一致性问题展开研究, 提出一种新的具有状态预测器的事件触发一致性控制协议, 并为智能个体给出了基于系统状态信息的事件触发条件.在每个事件触发时刻, 每个智能体都对其邻居智能体的未来状态作出预测, 再通过通信将预测的状态和触发时刻的状态传递给它的邻居个体, 经所提一致性协议计算使系统快速达成一致性.基于Lyapunov稳定性理论和代数图论证明了所提事件触发控制策略能有效实现组合连通拓扑下的平均一致性, 并且不存在Zeno行为.最后通过仿真实验验证了所提控制策略在节约通信资源和收敛速度方面的优越性.

图 1  拓扑图

图 4  有无状态预测控制策略下状态轨迹对比图

图 5  s每个智能体在控制策略(7)下触发间隔

本文研究了在组合连通拓扑下基于事件触发的多智能体系统平均一致性问题.提出一种新的具有状态预测器的事件触发一致性控制协议, 通过分析拓扑图中的连通部分, 为每个智能体给出了基于系统状态信息的触发条件.在每个事件触发时刻, 每个智能体都对其邻居智能体的未来状态作出预测, 再通过通信将预测的状态和触发时刻的状态传递给它的邻居个体, 经所提一致性控制协议使系统达成一致性.在该控制策略下多智能体系统可在节约通信和计算资源的同时具有更快的收敛速度.基于Lyapunov稳定性理论和代数图论, 证明所提事件触发控制策略能够有效实现组合连通拓扑结构下的平均一致性, 并且不存在Zeno行为.最后通过与已有文献中基于事件触发的一致性控制策略比较, 仿真验证了所提控制策略在节约通信资源和收敛速度方面的优越性.

作者简介

管俊杰   

华东交通大学电气与自动化工程学院硕士研究生.2015年获得湖南工业大学学士学位.主要研究方向为多智能体系统协调控制.E-mail:junjieguan@163.com

高彦丽   

华东交通大学电气与自动化工程学院副教授.主要研究方向为工业过程参数检测, 复杂网络安全及控制.E-mail:selina@ecjtu.jx.cn

裴惠琴   

华东交通大学电气与自动化工程学院博士研究生.2010年获得华东交通大学控制理论与控制工程硕士学位.主要研究方向为群体动力学与协调控制.E-mail:peihuiqinnx@126.com

邱昀  

华东交通大学电气与自动化工程学院硕士研究生.主要研究方向为多智能体系统协调控制.E-mail:qiuyun1004@163.com

陈世明   

华东交通大学电气与自动化工程学院教授.2006年获得华中科技大学博士学位.主要研究方向为复杂网络理论及应用, 多智能体系统协调控制, 粒子群优化算法.本文通信作者.E-mail:shmchen@ecjtu.jx.cn