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有向图中基于扰动观测器的线性多智能体系统一致性

已有 1349 次阅读 2024-1-1 16:02 |系统分类:博客资讯

引用本文

杨东岳, 梅杰. 有向图中基于扰动观测器的线性多智能体系统一致性. 自动化学报, 2018, 44(6): 1037-1044. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160747

YANG Dong-Yue, MEI Jie. Disturbance Observer Based Consensus of Linear Multi-agent Systems Under a Directed Graph. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(6): 1037-1044. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160747

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160747

关键词

多智能体系统，扰动观测器，一致性，有向图

摘要

在有向图中，针对多智能体系统中智能体动力学存在扰动的情形，研究了系统的一致性问题.每个智能体的动力学模型为存在未知外部扰动的一般线性系统.在有向图是强连通的条件下，通过设计一种基于扰动观测器的分布式算法，实现了存在未知扰动的线性多智能体系统的一致性.最后通过仿真验证所提算法的有效性.

文章导读

自从多智能体系统这一概念被提出以来, 关于其协调控制[1]的研究发展出:一致性[2-3]、编队[4-5]和聚集[6-7]等一系列问题.其中, 一致性问题因其在许多领域拥有广泛的潜在应用而受到关注.一致性的目标就是智能体利用其局部邻居的信息不断更新自身状态, 最终所有智能体状态趋于同一值.在一致性问题的研究中, 智能体的动力学模型至关重要, 已有的结果大多集中在一阶和二阶积分器[8-12].而将一阶和二阶积分器作为特殊形式的一般线性多智能体系统的一致性问题也逐渐成为研究的热点[13-19].其中, 对于可测和稳定的线性离散系统, Tuna[13]提出一个针对任意固定拓扑的线性输出反馈律, 使得耦合系统能够渐近一致.针对一般线性时不变系统和固定拓扑结构, Ma等[16]给出了一般线性系统的可一致性条件. Li等[17]提出, 在有向图中包含有向生成树时, 采用观测器形式的控制律可以使一般线性多智能体系统达到一致性.在Zhang等[18]提出的分布式观测器形式的控制律中, 每个智能体采用相同的控制增益.同样当系统的拓扑结构是有向图并且强连通时, Mei等[19]提出一种每个智能体的控制增益均不相同的分布式控制算法, 实现了线性系统的一致性.

在多智能体系统中, 当每个智能体存在扰动时, 现有的一致性算法无法使每个智能体的状态轨线收敛到同一值, 因此需要一种分布式的扰动抑制手段.在不同的应用层面上, 扰动抑制包含了抗干扰、输出调节、扰动观测器等多种抑制手段[20-21].当外源信号被视为跟踪信号时, 一般采用输出调节的方法, 因为从形式上, 输出调节包含了扰动抑制和输出跟踪. Xiang等[22]解决了只有领导者能够接收到外源信号状态, 跟随者根据领导者的状态调节自身输出与外源信号一致的输出调节问题. Su等[23]进一步将多智能体系统分为两组, 一组能够接收到外源信号而另一组不能, 解决了分组输出调节问题.当外源信号被视为扰动时, 根据扰动形式, 当扰动是常数时, Andreasson等[24]在多智能体系统中引入了分布式比例-积分控制器, 通过使用积分环节, 补偿了网络中的静态扰动, 并且使多个智能体在扰动存在的情况下, 以任意初始速度达到初始位置的平均值点.更进一步, Lombana等[25]提出了多重比例-积分控制器, 解决了异构节点动力学中存在常数扰动时的一致性问题.当扰动是时变未知或不可测量的, 一个常用的手段是设计一种扰动观测器, 使用状态量或者输出量来估计扰动, 并用估计值来消除扰动带来的影响. Yang等[26]在存在外源扰动的二阶多智能体系统中采用扰动观测器, 使得系统在固定和切换拓扑结构中均达到一致性. Ding[27]解决了无向图中一般线性多智能体系统存在外部未知扰动的一致性问题.

每个智能体间的信息交换情况一般由拓扑图来描述, 拓扑图通常可以分为无向图和有向图两种.本文研究的有向图与无向图相比有如下两个方面的优点:一方面, 因为无向图是对称的, 所以要求每个智能体的传感设备, 通信能力都是相同的.而对于非对称的有向图, 则允许每个智能体不必使用相同的传感设备和拥有相同的通信能力.另一方面, 使用多智能体系统的目的之一就是用多个功能单一设计简单的智能体代替单个复杂的智能体.因此从降低系统复杂度, 减少成本, 节约能源的角度考虑, 有向图的单向信息交流方式较无向图对通信网络的计算交换能力要求更低.同时, 在通信受限的情况下, 有向图更具优势.因此, 有向图的拓扑形式在简化智能体结构, 降低系统复杂度, 减少成本, 节约能源等方面有着出色的实际应用价值.

本文将重点讨论在有向图中存在外部未知扰动的线性多智能体系统的一致性问题.将相对误差信息作为观测器的输入信息, 并且每个智能体将采用互异的控制增益.本文之后各节的主要内容如下:第1节介绍图论的相关知识和被研究的线性多智能体动力学模型; 第2节介绍分布式扰动观测器及系统的稳定性分析; 第3节是仿真分析; 第4节则是本文结论.