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异构切换多智能体系统的领导-跟随正一致性及平均驻留时间切换

已有 287 次阅读 2026-2-3 15:56 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

Leader-following positive consensus of heterogeneous switched multi-agent systems with average dwell time switching（异构切换多智能体系统的领导-跟随正一致性及平均驻留时间切换）

本文针对一类具有异构特性与切换行为的正多智能体系统，系统研究了其在平均驻留时间切换信号下的领导-跟随正一致性问题。针对系统固有的正性约束与异构切换带来的复杂性挑战，研究创新性地提出了一种融合动态补偿的状态反馈控制协议。通过引入共正李雅普诺夫函数方法并借助线性规划工具，论文构建了确保闭环系统稳定且保持状态非负的一致性充分条件，有效实现了在独立切换策略下异构智能体对领导者状态的渐近跟踪。理论结果通过数值仿真得以验证。本文的工作不仅为异构切换正多智能体系统的协同控制提供了系统的协议设计与分析框架，也为未来扩展到跟踪控制、基于观测器的设计以及大规模网络应用奠定了基础。

Leader-following positive consensus of heterogeneous switched multi-agent systems with average dwell time switching异构切换多智能体系统的领导-跟随正一致性及平均驻留时间切换

作者：Kaiming Li 1, Wei Xing 1,2, Haoyue Yang 1, Junfeng Zhang 1

机构：1 School of Information and Communication Engineering, Hainan University; 2 Key Laboratory of System Control and Information Processing, Ministry of Education

引用：Li, K., Xing, W., Yang, H. et al. Leader-following positive consensus of heterogeneous switched multi-agent systems with average dwell time switching. Control Theory Technol. (2026). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00299-x

全文链接：https://rdcu.be/eZDQ8

摘要

本文研究了异构切换多智能体系统的领导-跟随正一致性问题。首先，引入具有动态补偿的状态反馈控制器，以实现平均驻留时间切换下的正一致性。随后，推导了保证系统正一致性的充分条件。通过矩阵分解方法构建控制协议的增益矩阵，并借助线性规划与共正李雅普诺夫函数降低计算复杂度。最后，通过两个数值算例验证了所得结果的有效性。

引言

现代多智能体系统（MASs）由多个自主智能体组成，通过通信与合作完成预定义任务。随着人工智能技术的进步，越来越多的实际应用开始采用多智能体系统以提升功能与效率，例如电力工程、机器人控制、车辆编队和网络控制等领域。在多智能体系统中，实现一致性至关重要，它能保证智能体间的统一性并提升协调效率。研究人员针对协同控制问题，提出了分析多智能体系统一致性问题的理论框架。切换系统作为一类由多个子系统组成的动态系统，根据切换策略在不同时间段内转换运行模式，其行为类似于混合系统。在此基础上，切换多智能体系统（SMASs）的一致性问题也逐渐成为研究重点。有文章研究了具有切换拓扑的动态智能体网络的一致性问题，建立了网络连通性与协议之间的直接关联。其成果后续得到了进一步拓展，出现了更具可行性的方案以应对切换拓扑动态智能体网络中的一致性挑战。同时，针对由连续时间与离散时间子系统构成的切换多智能体系统，学界提出了线性一致性协议、自适应一致性协议和有限时间一致性协议等方法，用于处理非线性切换多智能体系统中的领导-跟随动态，解决未知切换机制下非严格反馈和输入饱和相关的此类问题。

与先前研究的一般系统不同，正系统由非负输入、初始条件及状态与输出变量取值所定义。正系统的非负性在诸多领域具有广泛的应用价值与意义。研究人员针对连续时间切换正系统，引入了一种新颖的近似输出调节设计方案，通过结合多种坐标变换与控制策略有效处理未知扰动。因此，正性约束作为智能体动态的基本属性，必须在整个正多智能体系统（PMASs）中严格保持。目前关于正多智能体系统一致性的研究仍不充分，主要挑战在于保持系统正性的同时确保智能体达成一致。此外，满足正性条件的正切换多智能体系统（PSMASs）可视为切换系统的一个特例。研究人员通过提出平均驻留时间切换规则并采用多李雅普诺夫函数方法处理正切换多智能体系统的一致性问题，或是设计状态反馈控制器来解决具有时变性的不确定正脉冲切换系统的输入输出稳定性问题。

异构多智能体系统具有独特的优势，能够更有效地适应复杂多样的任务与环境。饱和一致性协议解决了由一阶和二阶智能体构成的复杂异构多智能体系统的一致性问题，使研究人员进一步推进相关研究，例如，通过采用基于内模的分布式控制方案，研究异构多智能体系统的鲁棒输出调节问题；通过设计结合内模的H∞控制器，探讨协同输出调节问题；通过引入基于输出调节方法的状态反馈协议，实现异构多智能体系统的输出一致性等。正切换异构多智能体系统的一致性问题仍是一个开放挑战，当前研究主要集中在协议设计优化和开发新型一致性策略上。此外，切换规则的引入加剧了异构多智能体系统达成一致性的复杂性，对系统正性的保持提出了更高要求。这些因素构成了本研究的重要动机。

基于上述研究成果的启发，本文研究了具有平均驻留时间切换的领导-跟随异构多智能体系统的正一致性问题。值得注意的是，对该复合系统的分析引出了两个关键挑战：（1）如何保证多智能体系统的正性约束？（2）如何设计切换信号以确保异构多智能体系统的一致性——这一问题明显比同构情形更为复杂？为保障系统正性，我们运用正系统理论建立充分条件，确保所有状态轨迹保持在正象限内。与传统的驻留时间方法（强制规定精确切换时刻）相比，平均驻留时间（ADT）方法提供了更灵活的切换信号设计框架。该方法不强加瞬时切换约束，而是限制有限时间间隔内的平均切换次数。为分析闭环稳定性，在切换律下为每个子系统构造了共正李雅普诺夫函数（CLF）。本文提出了一种新型控制协议，以保证异构多智能体系统的领导-跟随正一致性。此外，所发展的设计策略可扩展为统一框架，使得异构多智能体系统在任意切换规则下实现正一致性成为可能。

借鉴前文所述成果中线性规划（LP）与共正李雅普诺夫函数在计算简化方面的有效性，本文探讨了离散时间领导-跟随异构正切换多智能体系统的正一致性问题。本文的主要贡献总结如下：

（1）与先前研究的同构多智能体系统不同，本文研究了异构多智能体系统的正一致性问题。为更好地反映系统异构性，我们为每个智能体设计了独立的切换信号。

（2）引入了一种控制协议框架，用于实现具有平均驻留时间的异构正切换多智能体系统的领导-跟随正一致性。

（3）运用共正李雅普诺夫函数和线性规划分析一致性并确定相关条件。

结论

本文针对异构切换正多智能体系统的领导-跟随一致性问题，建立了一个一致性协议框架。其核心贡献包括：设计了动态补偿器与状态反馈协议，并借助共正李雅普诺夫函数及线性规划技术，确保系统在平均驻留时间切换下实现正一致性。未来工作将扩展该框架，以解决切换正多智能体系统的领导-跟随跟踪问题及基于观测器的一致性设计，并探索其在更大规模网络化系统中的应用。

作者介绍

Kaiming Li，于2023年获得广东石油化工学院电气工程学院学士学位。同年9月进入海南大学攻读人工智能专业硕士学位。主要研究方向为切换正系统与多智能体系统。

Wei Xing，2015年获得西北大学应用数学硕士学位，2023年于大连理工大学（工业装备智能控制与优化教育部重点实验室）获得控制科学与工程博士学位。现任海南大学信息与通信工程学院副教授。主要研究方向包括信息物理系统、博弈论及电力资源优化调度。

Haoyue Yang，2016年获得浙江科技大学电气工程及其自动化学士学位，2020年于杭州电子科技大学获得控制科学与工程硕士学位，2025年于同济大学获得控制科学与工程博士学位。现为海南大学信息与通信工程学院博士后。主要研究方向包括容错控制、数据驱动控制、半马尔可夫跳变系统以及多智能体协同/优化。

Junfeng Zhang，2014年于上海交通大学获得博士学位。2022年起受聘为海南大学信息与通信工程学院教授。2014年12月至2022年5月，任职于杭州电子科技大学自动化学院。2019年8月至2020年8月，访问法国里尔大学和INRIA研究所。他曾担任第六届国际正系统会议程序委员会联合主席。在正系统领域，已发表80余篇期刊和会议论文，并出版专著一部。主要研究方向包括正系统、切换系统与模型预测控制。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2025年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

https://jcta.ijournals.cn/cta_en/ch/index.aspx

投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/ctt

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