CN110442022B - 带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有任意有界时滞的异构多智能体***的分组一致性控制方法，构建一阶***和二阶***的数学模型，确定多智能体***拓扑结构，利用图论知识描述其拓扑关系；设计带有时滞的异构多智能体***的控制协议；利用矩阵论和非负矩阵的性质分析***的一致性问题，得出***收敛条件；确定符合***收敛条件的控制协议缩放参数，代入***控制协议，实现***的分组一致性控制。本发明提供一种带有任意有界时滞的异构多智能体***的分组一致性控制方法，其通过分布式控制的方法解决全局控制问题，不需要***的全局信息，同时仅要求***拓扑图联合连通，而不需要其子图都是连通图，提高了***的鲁棒性，适用于带有任意有界时滞的异构多智能体***分组一致性控制。

Description

带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法

技术领域

本发明属于智能控制领域。更具体地说，本发明涉及一种带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法。

背景技术

多智能体***的分布式协调控制由于其在编队控制、集群控制和蜂拥控制等方面的广泛应用而得到了广泛的关注。集中式控制对比于分布式控制，要求每个节点都能有一个与中央控制器有着优良连接的网络通信，但是实际应用中由于通信延迟等因素的影响，集中式控制往往难以良好地实现预定的控制效果，并且由于可能存在的单点故障，集中式控制所发生故障的概率比分布式控制较高。分布式控制减少了集中式控制中中央控制器和各节点的通信时滞的影响，使***能够适应动态变化的运行环境，减少了对全局通信的依赖，提高了***的容错率和鲁棒性。

一致性问题作为最基本的分布式协调控制问题之一，是控制***理论和图论的交叉领域，它是涉及一系列智能体通过信息交互与共享来达到共同目标的过程。一致性指的是智能体***的各个状态随着时间的推移最终在某一时刻都趋近于同一个值，这种状态可以是卫星的运动姿态、鱼群或鸟群的行动方向、数据融合或者分布式传感器的滤波值。

目前，一致性问题的研究，主要成果集中在一阶***、二阶***、高阶***和异构***的协同一致性控制。随着***复杂程度以及规模的不断增加，根据环境、任务等实际需要，要求多个智能体分布协调完成多个不同任务时，多智能体***中则会存在许多不同的一致状态，而针对异构多智能体***的分组一致性控制方法研究较少，例如专利名称为非线性多智能体***的最优一致性控制方法，其虽然也是研究异构多智能体，但其研究的也只是普通的一致性控制。

同时，现有技术中关于异构多智能体分组的一致性问题，主要研究集中在固定拓扑无时滞***的分组一致性控制，然而在实际应用中，由于通信带宽的限制和环境因素的干扰，各智能体之间的信息交互往往存在延迟，各智能体之间网络拓扑结构也会不断变化。因此，对于带有时滞的异构多智能体***的分组一致性仍是值得研究的重要方向。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法产品，其是对分组一致性控制，且主要针对了***带有通信时滞的情况，更符合实际通信环境。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法，包括：

步骤一，通过建立异构多智能体***的拓扑结构，进而确定与之相配合的***控制协议；

步骤二，确定控制协议的缩放参数，实现***的分组一致性控制。

优选的是，其中，所述步骤一被配置为包括：

S11，构建一阶***和二阶***的控制模型，确定多智能体***拓扑结构，利用图论知识描述其拓扑关系；

S12，设计带有时滞的异构多智能体***的控制协议。

优选的是，其中，所述步骤二被配置为包括：

S21，利用矩阵论和非负矩阵的性质分析***的一致性问题，得出***收敛条件；

S22，确定符合***收敛条件的控制协议缩放参数，代入***控制协议，实现***的分组一致性控制。

优选的是，其中，在S11中，所述一阶和二阶***控制模型的数学描述如下：

其中，l₁＝{1，2，…m}，l₂＝{m+1，m+2，…n}，x_i和

分别表示一阶智能体i的位置信息和控制输入；x_i、v_i和

分别表示二阶智能体i的位置信息、速度信息以及控制输入。

优选的是，其中，在S12中，所述带有时滞的异构多智能体***的控制协议如下：

其中，k₁，k₂，k₃，α₁，α₂代表***的缩放参数；a_ij代表智能体j到智能体i的边e_ji的权值，若e_ji存在，则a_ij＞0，反之则a_ij＝0；τ_ij≥0代表从智能体j 到智能体i的信息流相关的通信延迟。

优选的是，其中，在S21中，所述***收敛的充分条件如下：

k₁＞0，k₂＞0，k₃＞0，α₁＞0，α₂＞0

并且，***的拓扑结构具有生成树，通信时滞任意有界。其中，N_i代表智能体i的邻居集合，α₁和α₂的比值决定了稳定后的一阶多智能体和二阶多智能体的位置信息的比值。

优选的是，其中，在S22中，所述确定***控制协议的缩放参数，实现带有任意有界时滞的异构多智能体***分组一致性控制，并且针对***拓扑结构动态变化时，仅要求拓扑图联合连通，而不需要其各子图都是连通图。

本发明至少包括以下有益效果：本发明针对异构多智能体***分组一致性控制问题，给出了***收敛的充分条件。现有技术尚无针对带有通信时滞的异构多智能体分组一致性控制方法，并且大多针对固定拓扑结构的***，但由于实际应用中通信带宽的限制和环境因素的制约，***不可避免存在通信延迟，***网络拓扑结构也会动态变化。本发明解决了通信延迟对***收敛性的影响，并表明，只要***通信时滞是任意有界并且其拓扑结构联合连通，则其不对***是否收敛产生影响，但显然对于不同的通信时滞会影响***的收敛速度。最后，稳定后的一阶多智能体和二阶多智能体的位置信息的比值可根据本发明设计的控制协议中的相应缩放参数的比值确定。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明中异构多智能体***分组一致性控制方法流程图；

图2为本发明中异构多智能体***拓扑结构图；

图3为本发明中各智能***置轨迹图；

图4为本发明中二阶智能体速度轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

根据本发明的一种带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法的实现形式，其中包括：

S11，构建一阶***和二阶***的控制模型，确定多智能体***拓扑结构，利用图论知识描述其拓扑关系；

建立由一阶***和二阶***构成的异构多智能体***控制模型，智能体i 的控制模型描述如下：

其中，l₁＝{1，2，…m}，l₂＝{m+1，m+2，…n}，x_i和

分别表示一阶智能体i的位置信息和控制输入；x_i、v_i和

分别表示二阶智能体i的位置信息、速度信息以及控制输入；

S12，设计带有时滞的异构多智能体***的控制协议；

针对***存在通信时滞情况，设计如下的控制协议：

其中，k₁，k₂，k₃，α₁，α₂代表***的缩放参数；a_ij代表智能体j到智能体i的边e_ji的权值，若e_ji存在，则a_ij＞0，反之则a_ij＝0；τ_ij≥0代表从智能体j 到智能体i的信息流相关的通信延迟；

S21，利用矩阵论和非负矩阵的性质分析***的一致性问题，得出***收敛条件；

利用矩阵论知识对异构多智能体***进行模型变化，将分组一致性问题转化为普通的一致性控制问题，并利用非负矩阵的性质分析***的收敛条件如下：

k₁＞0，k₂＞0，k₃＞0，α₁＞0，α₂＞0

并且，***的拓扑结构具有生成树，通信时滞任意有界。其中，N_i代表智能体i的邻居集合，α₁和α₂的比值决定了稳定后的一阶多智能体和二阶多智能体的位置信息的比值。

S22，确定符合***收敛条件的控制协议缩放参数，代入***控制协议，实现***的分组一致性控制；

其中，所述确定***控制协议的缩放参数，实现带有任意有界时滞的异构多智能体***分组一致性控制，并且针对***拓扑结构动态变化时，仅要求拓扑图联合连通，而不需要其各子图都是连通图。

采用这种方案给出的控制协议，最终实现***的分组一致性控制，即

为了验证本发明的有效性，本部分基于附图2的拓扑结构进行仿真验证。假设多智能体***由2个一阶智能体和3个二阶智能体组成，如图2所示，1、 2是一阶智能体，3、4、5是二阶智能体。

假设邻接矩阵权值a_ij满足若智能体j到智能体i的边e_ji存在，则a_ij＝1；否则a_ij＝0。因此，***邻接矩阵如下：

在此取值k₁＝k₂＝1，k₃＝3，α₁＝1，α₂＝2，满足收敛条件 k₁＞0，k₂＞0，k₃＞0，α₁＞0，α₂＞0，

由附图2可知，***的拓扑结构存在生成树。

令τ₁₅＝3，τ₅₁＝5，τ₂₃＝1，τ₃₂＝2，τ₃₄＝8，τ₄₃＝6，τ₄₅＝4，τ₅₄＝7，各智能***置初始值x(0)＝[x₁(0)，x₂(0)，x₃(0)，x₄(0)，x₅(0)]＝[1，4，-3，3，2]，各智能体速度初始值v(0)＝[v₃(0)，v₄(0)，v₅(0)]＝[1，0，-1]。

结合附图2所示的拓扑结构以及上述初始条件，仿真结果如附图3和附图4所示。

从附图3和附图4所示出的仿真结果可以看出，由一阶智能体和二阶智能体构成的异构多智能体***，在满足本发明专利给出的收敛条件后，能够实现对分组一致性的控制。本方案是用于研究分组一致性控制，其研究点不在于研究***收敛的性能(如收敛速度)，而在于研究其收敛功能(能否收敛)，故其控制协议以及最终控制效果均与现有技术中对普通一致性的研究不一样，并且方案针对了***带有通信时滞的情况，更符合实际通信环境；

另外，与现有的技术研究异构***的、研究分组一致性的相比较，本方案主要针对实际应用中由于通信带宽的限制和环境因素的干扰，往往***存在时滞并且拓扑结构会实时变化，而本方案充分考虑这些问题，而有针对性的通过分布式控制的方法解决全局控制问题，不需要***的全局信息，同时仅要求***拓扑图联合连通，而不需要其子图都是连通图，提高了***的鲁棒性，适用于带有任意有界时滞的异构多智能体***分组一致性控制，并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，通过建立异构多智能体***的拓扑结构，进而确定与之相配合的***控制协议；

步骤二，确定控制协议的缩放参数，实现***的分组一致性控制；

所述步骤一被配置为包括：

S11，构建一阶***和二阶***的控制模型，确定多智能体***拓扑结构，利用图论知识描述其拓扑关系；

S12，设计带有时滞的异构多智能体***的控制协议；

所述步骤二被配置为包括：

S21，利用矩阵论和非负矩阵的性质分析***的一致性问题，得出***收敛条件；

S22，确定符合***收敛条件的控制协议缩放参数，代入***控制协议，实现***的分组一致性控制；

在S12中，所述带有时滞的异构多智能体***的控制协议如下：

其中，k₁,k₂,k₃,α₁,α₂代表***的缩放参数；a_ij代表智能体j到智能体i的边e_ji的权值，若e_ji存在，则a_ij＞0，反之则a_ij＝0；τ_ij≥0代表从智能体j到智能体i的信息流相关的通信延迟；

在S21中，所述***收敛的充分条件如下：

k₁＞0,k₂＞0,k₃＞0,α₁＞0,α₂＞0

并且，***的拓扑结构具有生成树，通信时滞任意有界；

其中，N_i代表智能体i的邻居集合，α₁和α₂的比值决定了稳定后的一阶多智能体和二阶多智能体的位置信息的比值；

在S11中，所述一阶和二阶***控制模型的数学描述如下：

其中，l₁＝{1,2,…m}，l₂＝{m+1,m+2,…n}，x_i和

分别表示一阶智能体i的位置信息和控制输入；x_i、v_i和

分别表示二阶智能体i的位置信息、速度信息以及控制输入。

2.如权利要求1所述的带有时滞异构多智能体***的分组一致性控制方法，其特征在于，在S22中，所述确定***控制协议的缩放参数，实现带有任意有界时滞的异构多智能体***分组一致性控制，并且针对***拓扑结构动态变化时，仅要求拓扑图联合连通，而不需要其各子图都是连通图。

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