一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，包括：设计预定时间分布式观测器在预定时间内估计跟踪误差；根据预定时间，确定分布式观测器参数；设计预定时间非奇异终端滑模一致性控制协议，使跟随者多智能体系统能够在预定时间内跟踪上领导智能体系统的轨迹；确定能保证滑模面的连续性和可微性，消除控制奇异性的控制器参数；将所提出的分布式观测器和一致性控制协议部署在每个跟随者智能体上，实现预定时间一致性跟踪。与既有的固定时一致性方案相比，本发明专利技术方法可以获得更低保守性的收敛时间估计，这也有助于降低控制器设计的保守性。因此，本发明专利技术方法在对控制精度和收敛时间要求较高的多智能体系统应用上显示出了广阔的应用前景。

A Unified Consistency Tracking Control Method for Multi-Agent System with Preset Time

【技术实现步骤摘要】
一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法
本专利技术涉及多智能体系统协同控制
，特别涉及一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法。
技术介绍
近些年来，多智能体系统分布式协同控制在各个领域得到了普遍应用，包括网络化机器人操作手协调控制，机器人跟踪和部署，无人系统编队和微网能量管理。分布式协同控制的一个基本问题在于设计一致性协议使得所有智能体通过局部通信实现同步，该问题称为一致性问题。一致性问题按照系统中有无领导又可以分为：无领导一致性问题和一致性跟踪问题。无领导一致性是指所有智能体收敛到初始状态的平均值或初值状态的加权平均值。一致性跟随是指所有跟随智能体跟踪上领导的轨迹，群体的目标可以通过领导的状态指定。因此，同无领导一致性相比，一致性跟踪提升了群体目标实现的灵活性，受到学术界和工业界的广泛关注。解决一致性跟踪问题的关键在于设计一致性控制协议。评价所设计一致性控制协议的一个重要的性能指标是收敛速度。相关文献表明提升代数连通度有助于提升一致性控制协议的收敛速度。这激发了研究人员通过设计最优权值或选择更好的通信拓扑加快收敛速度。然而，这些方法仅能实现渐进一致，这意味着智能体系统无法在有限时间内实现精确的一致性。有限时一致性可以在有限时间内实现多智能体系统精确一致。同渐进一致相比，有限时一致具有更高的一致性精度，更快的收敛速度和对干扰和不确定更强的鲁棒性。对于某些对控制精度和收敛时间要求高的应用场合，人们更希望实现有限时一致。因此，研究人员花费大量精力设计有限时一致性控制协议，齐次性方法，加幂积分器方法和终端滑模方法用于设计有限时一致性控制协议。然而，既有的有限时一致性控制协议的收敛时间取决于智能体的初值。然而，实际智能体系统的初值难以获得，这给估计收敛时间带来困难。此外，随着初值趋近于无穷，一致性时间也趋近于无穷，这阻碍了有限时一致性应用于初值很大的多智能体系统。为提升既有有限时一致性协议的性能，固定时稳定性被引入到一致性控制协议设计中。固定时一致性具有吸引人的特性——收敛时间上界是一个与初始状态无关的常数，这有助于控制器设计和稳定时间估计，使得固定时控制适合应用于具有严格收敛时间上界的应用场合，例如，电力系统控制和远端操作系统控制。固定时控制协议已经被用于实现带有无向通信拓扑，有向通信拓扑和切换通信拓扑多智能体系统的一致性。然而，既有的结果存在两个主要问题。首先，由稳定性分析得出的收敛时间上界是非常保守的。其次，固定时一致性协议收敛时间的上界是控制参数的复杂函数，调节参数与稳定时间上界之间没有显式关系。为了克服上述问题，需要发展预定时间稳定控制。与固定时稳定控制相比，预定时间稳定控制具有以下两个优势：首先，预定时间稳定控制的收敛时间上界等于控制器调节参数，这方便了控制器设计以满足稳定时间的要求；其次，控制器的调节参数是稳定时间最小上界，从而避免了对收敛时间边界的过分估计。将预定时间稳定性扩展到解决一致性跟踪问题需要解决两个富有挑战性的科学问题——预定时间观测问题和控制奇异性问题。到目前为止，还没有文献提出预定时间一致性控制协议。实现预定时间领导-跟随一致性有助于确定控制协议增益并减低一致性时间上界估计的保守性，有助于将预定时间一致性应用于对收敛时间要求严格的应用场合。因此，对预定时间一致性跟踪问题的研究对实际系统应用具有重要的指导作用及应用前景。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，以方便一致性时间上界的估计和控制器的设计，并降低一致性时间估计的保守性。技术方案一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，其特征在于所述的多智能体系统由一个领导者和N个跟随者组成，N个跟随者组成的相互作用网络是无向图Gs，每个跟随者和领导之间都有路径相连，第i个跟随者的动态为：其中，x1i为位置型状态，x2i为速度型状态，ui是控制输入；领导者的动态为：其中，x10为位置型状态，x20为速度型状态，u0是有界的控制输入，即存在已知的正常数λ，使得|u0|≤λ，所有跟随者无法获得领导的控制输入信息，但常数λ对所有跟随者都是已知的；所述的一致性跟踪控制方案包括如下步骤：步骤1：为每一个跟随者设计分布式观测器：式中ξi和ηi是第i个跟随者分布式观测器状态，α，β，λ是观测器增益，p和q是满足p<q的正奇数，sig(·)α＝|·|αsign(·)；步骤2：根据所要求的观测时间2Tb，确定分布式观测器的增益：式中λmin(H)为矩阵H的最小特征值，H＝Ls+B，Ls为图Gs的Laplacian矩阵，B＝diag{a10,...,aN0}，ai0>0表示跟随者与领导有通信连接相连，否则ai0＝0；使得观测器状态能够在预定时间2Tb内收敛到跟踪误差的状态；步骤3：定义第i个跟随智能体跟踪误差e1i＝x1i-x10，e2i＝x2i-x20；在观测器获得领导的状态信息后，为使得第i个跟随智能体能在预先指定的时间Tc+Td内跟踪上领导的轨迹，为第i个跟随智能体设计非奇异终端滑模一致性控制协议：式中m，n为正常数，Tc为预先指定的稳定时间，滑模面si定义为：式中k1，k2为正实数，Td为预先指定的稳定时间，ε为小的正常数；步骤4：为使得滑模面及其导数连续，控制参数k1，k2选择为k1＝1+m，k2＝-m；为消除控制奇异性，控制参数m，n需要满足0<m<1/2，0<n<1/2；步骤5：将控制器(5)和分布式观测器(3)部署到第i个跟随者中，使得所有跟随者的状态能够在预先指定的时间2Tb+Tc+Td内跟踪上领导的轨迹，即对于任意时刻t≥2Tb+Tc+Td，均有x1i(t)＝x10(t)，x2i(t)＝x20(t)成立。有益效果鉴于许多实际多智能体系统对控制精度和一致性时间有很高的要求，本专利技术能够在指定的时间内实现多智能体系统精确的一致性跟踪，而且分布式观测器/一致性跟踪控制协议的增益可以直接由指定的一致性时间确定，这提升了收敛时间调整和控制器设计的灵活性，方便了控制器设计。此外，所提出方法降低了收敛时间上界估计的保守性，从而降低了控制器设计的保守性。因此，所提出的一致性跟踪控制方法在应用于对控制精度和收敛时间要求较高的系统时能够显示出明显的优势。相对于现有技术，本专利技术的创新性体现在以下三个方面：(a)、提出了新颖的预定时间一致性跟踪控制方案解决了多智能体系统预定时间跟踪问题，所提出的控制方案包括分布式观测器和非奇异终端滑模控制协议，解决了预定时间分布式观测问题和控制奇异问题。(b)、一致性时间可以根据收敛时间的要求预先指定，所提出分布式观测器/一致性跟踪控制协议的增益可以直接由指定的一致性时间确定。(c)、与既有的固定时一致性方案相比，本专利技术所提出的方法可以获得更低保守性的收敛时间估计，这也有助于降低控制器设计的保守性。附图说明图1预定时间一致性跟踪控制方案设计步骤框图图2单连杆机械手多智能体系统相互作用拓扑图3观测器状态ξi和跟踪误差状态e1i的时间响应图4观测器状态ηi和跟踪误差状态e2i的时间响应图5智能体状态x1i的时间响应图6智能体状态x2i的时间响应具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：请参阅图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，其特征在于所述的多智能体系统由一个领导者和N个跟随者组成，N个跟随者组成的相互作用网络是无向图Gs，每个跟随者和领导之间都有路径相连，第i个跟随者的动态为：

【技术特征摘要】
1.一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，其特征在于所述的多智能体系统由一个领导者和N个跟随者组成，N个跟随者组成的相互作用网络是无向图Gs，每个跟随者和领导之间都有路径相连，第i个跟随者的动态为：其中，x1i为位置型状态，x2i为速度型状态，ui是控制输入；领导者的动态为：其中，x10为位置型状态，x20为速度型状态，u0是有界的控制输入，即存在已知的正常数λ，使得|u0|≤λ，所有跟随者无法获得领导的控制输入信息，但常数λ对所有跟随者都是已知的；所述的一致性跟踪控制方案包括如下步骤：步骤1：为每一个跟随者设计分布式观测器：式中ξi和ηi是第i个跟随者分布式观测器状态，α，β，λ是观测器增益，p和q是满足p<q的正奇数，sig(·)α＝|·|αsign(·)；步骤2：根据所要求的观测时间2Tb，确定分布式观测器的增益：式中λmin(H)为矩阵H的最小特征值，H＝Ls+B，Ls为图Gs的Laplacian矩阵，B＝diag{a10,...,aN0}，ai0>0表...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪骏康，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61