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2025年度最佳论文奖 | 切换拓扑下多智能体的动态事件触发固定时间一致性控制

已有 658 次阅读 2026-7-23 09:21 |个人分类:论文推荐|系统分类:博客资讯

编辑荐语

本期将给大家分享2025年度最佳论文奖获奖文章"切换拓扑下多智能体的动态事件触发固定时间一致性控制(Dynamic event-triggered fixed-time consensus control ofmulti-agent systems under switching topologies)". 如您对本期相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

本文针对通信拓扑任意切换、通信与计算资源受限环境下含未知扰动非线性多智能体系统的一致性控制难题, 提出了一种融合辅助动态变量自适应阈值触发与固定时间收敛协议的分布式协同控制框架. 研究直面传统多智能体事件触发一致性控制中静态触发阈值造成通信冗余量大、现有动态触发方案仅适配固定通信拓扑、有限时间收敛效果依赖系统初始状态且缺乏拓扑无关统一稳定性分析工具等核心瓶颈, 从触发机制建模、闭环稳定性分析、无 Zeno 行为论证三个层面完成系统性突破. 首先, 结合辅助动态变量演化方程与状态幂次约束构建分段自适应阈值的新型动态事件触发机制, 依托动态变量随系统状态实时调整触发门槛的特性, 大幅削减智能体间不必要的通信交互次数; 其次, 设计与通信拓扑拉普拉斯矩阵无关联的共同李雅普诺夫函数, 摆脱拓扑切换带来的分析限制, 完成任意连通切换拓扑下闭环系统的稳定性推演, 有效降低稳定性判定条件的保守性; 尤为关键的是, 引入嵌入双曲正切函数的光滑测量误差构造方案, 从理论层面严格证明闭环系统不存在 Zeno 高频触发行为, 依托固定时间稳定引理推导出控制器、动态触发模块参数的可行约束条件, 在兼顾系统非线性动力学、外部未知扰动与随机拓扑切换多重约束的前提下, 得到保证多智能体实现与初始状态无关的实际固定时间平均一致性的充分条件, 且系统收敛时间上界可通过人为调节控制参数预先设定. 多组对比仿真实验充分验证该框架具备触发频次低、收敛速度快、拓扑切换鲁棒性强的综合优势. 本工作不仅为切换拓扑非线性多智能体系统低资源开销固定时间协同控制提供了全新完备的理论分析工具, 也为无人机、移动机器人集群等通信链路动态变化的智能集群工业场景下轻量化高性能协同控制器设计开辟了有效路径.

论文介绍

切换拓扑下多智能体的动态事件触发固定时间一致性控制

Dynamic event-triggered fixed-time consensus control ofmulti-agent systems under switching topologies

王加朋1,2†, 杨家宁1, 罗家祥3, 钱伟1,2, 杨金显1

机构: 1. 河南理工大学电气工程与自动化学院; 2. 河南省智能装备直驱技术与控制国际联合实验室; 3. 华南理工大学自动化科学与工程学院

引用: 王加朋, 杨家宁, 罗家祥, 等. 切换拓扑下多智能体的动态事件触发固定时间一致性控制. 控制理论与应用, 2025, 42(1): 87 – 95

DOI: 10.7641/CTA.2023.30291

全文链接:

http://jcta.alljournals.ac.cn/cta_cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=CCTA230291&flag=1&journal_id=cta_cn&year_id=2025

摘要

对切换拓扑下含扰动的非线性多智能体系统, 本文是出了一种新的动态事件触发实际固定时间平均一致性控制方法, 该方法触发次数更少, 收敛速度更快,通过设计辅助动态变量及其动态方程, 基于动态变量的幂次项建立了新的动态触发机制, 该机制减少了触发次数. 采用共同李雅普诸夫函数证明了所提方法可以保证多智能体系统在任意切换拓扑下实现实际固定时间平均一致性, 收敛时间上是界可通过调节控制参数设定且不依赖于初始状态通过设计含双曲正切函数的测量误差, 证明所提方法不存在 Zeno 行为.最后, 通过实验仿真验证了算法的有效性.

引言

多智能体系统一致性控制问题近年来受到许多学者们的关注[1–3] . 多智能体系统一致性问题的核心任务是通过利用智能体间局部通讯信息设计控制器,使多智能体系统状态最终趋于一致, 之前对该控制问题的研究成果大多是渐近一致的[4] . 文献[5]对高阶严反馈多智能体系统提出了一种预设性能的一致性模糊控制方法. 这些方法都是在无限收敛时间下实现渐近一致的, 因此, 很难满足实际应用.

为了提高收敛速度, 多智能体有限时间收敛一致性控制算法得到了快速发展[6–11]. 文献[6]对二阶线性多智能体系统提出了有限时间一致控制方法. 文献 [7]对含饱和输入二阶线性多智能体系统设计了分布式有限时间一致控制方法. 文献[8]对一阶线性多智能体系统研究了时变拓扑下的分布式有限时间一致控制协议. 文献[9]和文献[10]分别基于模糊控制和神经网络对非线性多智能体设计了不同的有限时间一致性控制方法. 文献[11]研究了二阶非线性多智能体切换系统的有限时间一致性控制方法. 虽然有限时间一致性控制方法可满足快速收敛的要求, 但特别依赖于系统初始状态, 而实际初始状态又很难获取, 这阻碍该方法的实际应用. 因此, 固定时间控制方法[12]被学者提出并应用到多智能体控制领域[13–18] . 文献[13]研究了一阶非线性多智能体系统的固定时间一致性跟踪问题. 文献[14]研究了非线性系统多智能体的固定时间一致性跟踪控制方法. 文献[15]研究了具有干扰的一阶非线性多智能体系统的固定时间一致性控制. 文献[16]对扰动一阶多智能体系统设计了加权平均一致性控制方法. 文献[17–18]研究了切换拓扑下多智能体的固定时间平均一致性问题. 然而, 这些控制方法要求控制器连续更新, 需要占用计算机大量的通信和计算资源, 尤其当智能体数量庞大时, 提供充足的计算资源往往不切实际.

为了节省不必要的通信和计算资源, 事件触发机制被引入到多智能体一致性控制方法中[19] , 与传统时间触发机制相比[20] , 事件触发机制基于触发条件对系统状态进行采样和更新控制器. 文献[21]对一阶线性多智能体系统设计了一种事件触发一致性控制算法, 文献[22]基于事件触发控制机制对含有外部扰动的线性多智能体系统进行了研究, 但它们仅得到了渐进收敛的控制效果. 为缩短收敛时间, 文献[23]对一阶线性多智能体提出了一种事件触发一致性控制算法, 但仅实现了有限时间收敛控制结果. 文献[24]对一类不含扰动的非线性多智能体系统设计了一种事件触发固定时间一致性控制方法. 文献[25]对一类含扰动的非线性多智能体提出了一种事件触发固定时间控制方法. 最近有研究者通过引入辅助动态变量设计了动态事件触发机制[26] , 该机制能够大量减少触发次数. 相比而言, 文献[21–25]设计的控制方法属于静态事件触发机制, 该机制会引起过多不必要的触发, 造成资源损耗. 文献[27]对多智能体系统拓展研究了动态事件触发控制并实现了平均一致性, 文献[28]研究了对含有观测器的一阶线性多智能体系统的自适应动态事件触发控制. 文献[29]对具有切换拓扑下的多智能体系统设计了动态事件触发一致性控制, 文献[30]对领导–跟随的二阶线性多智能体系统设计了动态事件触发一致性控制. 文献[27–30]仅获得一致性控制方法都是渐近收敛的, 这些控制方法收敛速度慢, 难以满足实际应用需求. 为了获得较快的收敛速度, 文献[31]研究了多智能体的动态事件触发固定时间一致性控制方法, 该方法虽然收敛速度快, 但并没有考虑切换拓扑的情形. 实际上,智能体间的通信状况会因自身或外界因素而发生变化, 例如智能体位置的变化、传感器传输距离限制和信号干扰等, 都会导致智能体系统通信网络拓扑结构变化[32] , 因此, 研究任意切换拓扑下的多智能体系统一致性控制更符合实际应用, 而文献[26–28, 30–31]都没有考虑切换拓扑的情形, 通信条件不具一般性. 因此, 对通信拓扑任意切换下的多智能体系统研究一种触发次数少、收敛速度快的一致性控制方法更具实用性和挑战性.

受上述研究启发, 为探索一种事件触发次数较少和收敛速度较快的控制方法, 本文对任意切换拓扑下含未知干扰的非线性多智能体系统提出了一种新型动态事件触发实际固定时间平均一致性控制方法. 本文研究的主要贡献是: 第一, 不同于静态的事件触发[21–25] , 本文引入辅助动态变量, 为实现实际固定时间收敛, 首先, 构建其合适的动态方程, 然后, 基于该动态变量幂次项提出一种新的动态事件触发机制, 该动态变量使事件触发条件的阀值会随测量误差动态调整, 可降低事件触发次数; 第二, 与固定拓扑下多智能体一致性[26–28, 30–31]结果不同, 本文提出的共同李雅普诺夫函数与拉普拉斯矩阵无关, 即与多智能体之间的通信拓扑无关, 据此设计的控制方法能够实现任意切换拓扑下多智能体实际平均一致性. 而且与文献 [28, 30]不同, 本文构造的共同李雅普诺夫函数中含有动态变量的二次项, 无需证明该项的非负性; 第三, 利用共同李雅普诺夫函数证明了所提动态事件触发控制方法可以保证非线性多智能体系统在任意切换拓扑下实现实际固定时间平均一致性, 即剩余误差在固定时间内收敛到零的小邻域内; 第四, 所提控制方法中采用光滑的双曲正切函数, 根据测量误差可导性证明了不存在Zeno行为. 最后, 通过实例仿真验证所提的控制方法触发次数少和收敛速度快的优越性.

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结论

本文对通信拓扑切换下的非线性多智能体系统, 通过设计辅助动态变量和新的动态触发机制, 提出了一种新的动态事件触发实际固定时间平均一致性控制方法, 采用共同李雅普诺夫函数和固定时间控制理论证明了所提控制方法使多智能体闭环系统在任意通信拓扑切换下实现实际固定时间平均一致的稳定性, 并证明了不存在Zeno行为. 实验验证了所提方法使多智能体系统在固定时间内能够以更少触发, 更快速度实现实际平均一致性. 未来所提方法推广到多智能体系统联合联通或有向图通信等情形值得研究.

作者简介

王加朋博士, 讲师,硕士生导师, 目前研究方向为多智能体事件触发控制;

杨家宁硕士研究生, 目前研究方向为多智能体系统事件触发控制、智能控制;

罗家祥教授, 博士生导师, 目前研究方向为智能优化；

钱伟教授, 博士生导师, 目前研究方向为网络化控制、时延系统控制；

杨金显教授, 硕士生导师, 目前研究方向为惯性导航、非线性系统.

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）。

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