一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法技术方案

本发明专利技术提出了一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法，建立灌装生产线的n个二阶非线性子系统组成的多智能体系统模型，为了更贴近实际工程，充分考虑非线性、参数摄动以及不确定干扰等因素，同时为了保证生产线生产总量不变，设计滑模观测器实时预估状态变量及扰动变量，并将预估值引入总量协同一致控制协议得到智能体的控制输入量，协调各个子系统输出总和保持一致。

【技术实现步骤摘要】
一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法
本专利技术涉及智能控制
，更具体地，涉及一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法。
技术介绍
随着工业生产规模及其复杂程度的日益增长，灌装生产线需要多台电机的协调配合才能完成复杂的生产任务。对于多机器协同运行而言，各电机工况差异将引起生产过程不稳定，例如由于一些因素而造成某些生产线上局部停机，使得各机器的生产量难以趋于一致，导致整体生产效率下降。减少因局部停机造成的经济损失，最优化灌装生产线的生产效率，寻求一种总量协同控制策略。当生产线局部停机时，可通过该策略协调其余正常工作的生产线发挥生产冗余力，抑制整体生产效率下降，维持灌装生产线整体生产效率不变。多智能体协调控制由于其在机器人编队、分布式滤波以及复杂网络等方面的广泛应用，引起了来自控制科学、计算机科学等领域研究者的浓厚兴趣。作为协同控制的最根本问题，一致性指的是智能个体依据领域规则，相互作用，相互传递信息，最终就某个感兴趣的状态变量达成一致，用于驱动智能个体趋于一致的协议称为一致性协议。依据是否有外界参考信号，一致性问题可以粗略的划分为两类：带领航者的一致性与无领航者的一致性。收敛速率是衡量一致性控制协议有效性的重要性能指标，遗憾的是，目前的有限时间一致性算法的收敛速率，对参数以及初始状态的选取依赖性较强。此外，在大多数有限时间一致性协议的研究成果中，都假设全部状态可知。但在实际工程中，由于受控对象的某些状态不易直接测量，或者由于测量设备在经济性和使用性等方面的限制，无法直接获得系统的全部状态变量，部分状态信息的缺失使得基于状态反馈的控制器实现困难。另一方面，尽管国内外学者在多智能体一致性控制方面取得了一系列杰出的成果，然而现有的方法大多只关注各智能体个体状态(如速度、位置等)趋于一致，并未考虑总量协同控制问题。因此，需要一种针对具有不可测量状态的有限时间总量协同控制方法以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提供一种具有不可测量状态的有限时间总量协同控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：步骤1：建立由灌装生产线的n个二阶非线性子系统组成的多智能体系统模型，设置领航者输入给定参考信号T*；步骤2：应用滑模观测器观测每个智能体的状态变量以及干扰变量；步骤3：将步骤2中获取的每个智能体的状态变量以及干扰变量实时反馈至总量协同一致控制器，基于总量协同控制协议运算输出每个智能体的控制变量，协调各子系统的相对运动以实现控制目标即各子系统输出总和在有限时间内趋近参考值T*。进一步地，步骤1中的多智能体系统模型具体为：第i个二阶子系统的智能体动态模型为xi＝[xi1,xi2]T为状态变量，ui为第i个智能体的控制输入，di(t)为干扰变量，yi为第i个智能体的输出，fi(xi2,t)为非线性函数，满足局部Lipschitz条件，|fi(x,t)-fi(z,t)|≤Li|x-z|，Li为大于零的常数。进一步地，上述步骤2中的滑模观测器模型具体为：ki1,ki2为滑模观测器常数，分别为状态变量xi1,xi2的估计值，ei1,ei2分别表示状态变量的估计值与实际值之间的偏差为干扰变量di的观测值，通过级联滑模观测器估计得到。级联滑模观测器的待设计参数足够大满足ki1＞|ei2|max,ki2＞Li|ei2|max|+|di|max，观测器的误差ei1,ei2将在有限时间内收敛到零。进一步地，步骤3中的总量协同一致控制器的控制协议具体为：式中，i＝1,.2,...,n，β1，β2为控制器增益，σ1为跟踪误差，为滑模观测器的估计值，1＜q＝q1/q2＜2，q1,q2为正奇数。步骤3中的总量协同一致控制器的增益满足以下条件：(1)β1＞0；(2)则二阶多智能体系统的输出总和将在有限时间内与参考信号T*趋于一致。本专利技术的有益效果为对于多机器协同运行的灌装生产线在部分状态信息缺失的条件下，通过设计滑模观测器实时预估状态信息以及不确定干扰信息，并将估计值反馈给总量协同跟踪控制协议；该方法考虑的非线性、参数摄动以及不确定干扰等因素，更加贴近实际工程，提升了系统的协同跟踪性能。经过严格的稳定性分析，证明了滑模观测器的估计误差将导致总量协同跟踪误差收敛到原点附近的领域内，其收敛性能摆脱了现有的有限时间一致性算法需要依赖参数及初始状态的选取，本专利技术的非线性多智能体的有限时间总量协同控制方法具有良好的协同跟踪性能。附图说明图1为非线性多智能体的有限时间总量协同一致控制系统的结构框图。图2-5为本实施例四个智能体对应的四种干扰信号与其观测值的对照仿真曲线。图6-9为本实施例四个智能体对应的状态变量xi2与其观测值的对照仿真曲线。图10-11为本实施例给定常值参考信号时，总量协同一致控制器的跟踪误差及虚拟控制律的收敛曲线图。图12-13为本实施例给定时变参考信号时，总量协同一致控制器的跟踪误差及虚拟控制律的收敛曲线图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。建立由灌装生产线的n个二阶非线性子系统组成的多智能体系统模型：第i个二阶子系统的智能体动态模型为式中，i＝1,2,...,n；xi＝[xi1,xi2]T为由两类状态变量组成的状态量向量，xi1为系统中可测类型的状态变量，xi2为系统中不可测类型的状态变量；ui为第i个智能体的控制输入量；di(t)为不可测的复合干扰变量；yi为第i个智能体的输出；fi(xi2,t)为非线性函数，满足局部Lipschitz约束条件，|fi(x,t)-fi(z,t)|≤Li|x-z|，Li为大于零的常数。设置领航者并输入参考信号T*。基于该多智能体系统，需要达成的输出目标为各子系统输出总和yi在有限时间ts内趋近给定的参考值T*即有限时间内生产总量保持不变由上述构造的多智能体系统模型可知每个智能体只有部分状态可测以及存在多种未知复合干扰。因此为了实时准确预估系统中不可测变量，设计如下的滑模观测器：式中，ki1,ki2为滑模观测器参数；分别为状态变量xi1,xi2的估计值；ei1,ei2分别表示状态变量的估计值与实际值之间的偏差通过级联滑模观测器实时预估复合干扰变量下面讨论一下所设计的滑模观测器的收敛情况，观测器的误差方程为：定义一个正定的Lyapunov函数为：对Ui沿系统轨迹求导得：由上式可知，当观测器的待设计参数ki1,ki2满足ki1＞|ei2|，ki2＞Li|ei2|max+|di|max时，有当且仅当||Ei||1＝0时，Ui＝0，因此，所设计观测器误差方程为全局渐近稳定的。根据滑模变结构控制原理，观测器偏差将在有限时间T1内到达滑模面si＝Ei。也就是说滑模观测器的设计参数ki1,ki2满足ki1＞|ei2|max,ki2＞Li|ei2|max+|di|max，那么观测器误差将在有限时间内收敛到滑模面。由上述设计的滑模观测器实时预估得到每个智能体的状态变量以及复合干扰变量，将估计值引入一致控制器，用于获取每个智能体的控制输入变量，控制协调各个子系统的相对运动，使得各子系统输出总和在有限时间内趋近给定的参考值T*。下面设计总量协同一致控制器，控制器的构造过程主要是基于反演递推设计方法。定义n个非线性系统的输出总和与设定的参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法，其特征在于，步骤1：建立由灌装生产线的n个二阶非线性子系统组成的多智能体系统模型，设置领航者输入给定参考信号T*；步骤2：采用滑模观测器观测每个智能体的状态变量以及干扰变量，所述状态变量包括不可测状态，所述干扰变量为不确定复合扰动；步骤3：将步骤2中获取的每个智能体的状态变量以及干扰变量实时反馈至总量协同一致控制器，基于总量协同控制协议运算输出每个智能体的控制变量，协调各子系统的相对运动以实现控制目标即各子系统输出总和在有限时间内趋近参考值T*。

【技术特征摘要】
1.一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法，其特征在于，步骤1：建立由灌装生产线的n个二阶非线性子系统组成的多智能体系统模型，设置领航者输入给定参考信号T*；步骤2：采用滑模观测器观测每个智能体的状态变量以及干扰变量，所述状态变量包括不可测状态，所述干扰变量为不确定复合扰动；步骤3：将步骤2中获取的每个智能体的状态变量以及干扰变量实时反馈至总量协同一致控制器，基于总量协同控制协议运算输出每个智能体的控制变量，协调各子系统的相对运动以实现控制目标即各子系统输出总和在有限时间内趋近参考值T*。2.根据权利要求1所述的一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法，其特征在于，步骤1中的多智能体系统模型具体为：第i个二阶子系统的智能体动态模型为i＝1,2,...,n；xi＝[xi1,xi2]T为状态变量，ui为第i个智能体的控制输入，di(t)为干扰变量，yi为第i个智能体的输出，fi(xi2,t)为非线性函数，满足局部Lipschitz条件，|fi(x,t)-fi(z,t)|≤Li|x-z|，Li为大于零的常数。3.根据权利要求2所述的一种非线性多智能体系统的总量协同一致控制方法，其特征在于，步骤2中的滑模观测器模型具体为：ki1,ki2为滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：何静，林真珍，张昌凡，钟泽辉，刘建华，赵凯辉，黄守道，谭海湖，杨步充，吴公平，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43