多智能体系统的包围控制设计与分析

Coordination control of multi-agent systems has received considerable attention due to its wide applications in many areas including cooperative control of multiple robots, unmanned air vehicles and mobile sensor networks. Most of the existing results focus on consensus problems, this project will pay attention to containment control. The project starts with three aspects: the dynamics, the interation topology, and the methods. For the multi-agent systems with complicated dynamics under complicated communcation topologies, we will propose suitable distributed containment control protocols and provide algebraic conditions and topology conditions to reach the containment control objective. After theoretical calculations and computational simulations, we will use multiple robots to verify the effectiveness of the algorithms. The researches are expected to provide some guidance to solve some problems such as task assignment in the industrial processes. Therefore, it is of great importance in engineering applications.

多智能体系统的协调控制在多机器人协作、无人飞行器以及移动传感器网络等领域都具有潜在应用，因此成为当前研究的热点。已有的研究结果大部分针对一致性问题，本项目针对包围控制问题开展研究。拟从智能体动力学模型、通信环境和目标的实现方法三方面入手，针对具有复杂动力学模型（高阶系统、线性系统、非线性系统、有外扰的系统等）的多智能体系统，研究其在复杂通信环境（通信时滞、随机因素、信息采样、信息量化等）下的包围控制问题，提出有效的分布式协议,给出多智能体系统达到包围控制所需要满足的代数条件和拓扑条件。通过理论推导、实际数据仿真和多机器人实验来验证所提算法的有效性。通过本项目的研究，预期能够对工业生产中的一些问题（如任务分配）提供理论基础和技术指导，在工程应用方面具有很强的现实意义。

本项目研究了多智能体系统的分布式协调控制问题。主要研究内容包括五个部分。.. 1). 研究了多智能体系统的指数有限时间协调控制问题：包围控制和一致性。提出了包围协议使得在同一强连通分支中的边界智能体以指数有限时间的收敛速度达到一致性，所有的内部智能体以指数有限时间的速度进入边界智能体张成的凸包内；设计了针对部分智能体的牵制控制协议使得所有智能体达到指数有限时间一致性。.. 2). 研究了基于非周期采样信息的连续时间二阶系统和一般线性多智能体系统的包围控制问题。把具有不确定时变采样区间的系统看作是具有固定采样长度的系统的不确定性系统。利用小增益定理的方法给出了系统稳定的充分条件。.. 3). 研究了一般线性多智能体系统的包围控制问题。对于可降阶和不可降阶情形分别定义了滑模面集合和基于快滑模控制的分布式控制器。证明了误差轨线以指数有限时间的收敛速度收敛到滑模面上。根据滑模面的定义可知，协调目标已经达到。.. 4). 针对一阶连续时间多智能体系统，研究了网络化的多个智能体的双向一致性行为。分析了具有连续时间动力学方程和基于采样信息的智能体的行为。证明了在结构平衡的条件下，同一组中的智能体将达到一致性，不同组的智能体将互相远离。.. 5). 研究一般线性多智能体系统在有向时不变拓扑下的最优预见协调问题。应用连续时间系统的标准预见控制结果，给出了多智能体系统的最优预见的控制器。