通信限制下多智能体系统的固定时领导-跟随一致性研究

Fixed-time leader-follower consensus can satisfy the requirement of consensus tracking time in practical system, which facilitates controller design and consensus time estimation and has become a hot topic in coordination control of multi-agent system. However, the existing results failed to address fixed-time leader-follower consensus problem under communication bandwidth constraints. In practical multi-agent system, transmitting a large amount of interaction information simultaneously results in time delay and degrades system performance. In order to reduce the amount of information transmitted in communication channel, we can quantify the transmitted signal and transmit the information under direct communication topology as much as possible. Based on the applicant’s research foundation in fixed-time control and consensus control of multi-agent system, this project will design fixed-time distributed observer based fixed-time consensus scheme, study fixed-time leader-following consensus protocol design approach under directed communication topology, with network induced delay, and with quantized communication, address distributed observer design problem, Lyapunov function construction problem and fixed-time leader-follower consensus protocol design problem under communication constraints, and apply the proposed consensus protocol into secondary control in microgrid to conduct simulation validation. The results obtained in this project will provide theoretical reference for the applications of the fixed-time consensus protocol to networked control system.

固定时领导-跟随一致性可满足实际系统对一致性跟踪时间的要求，方便控制器设计和一致性时间估计，已成为多智能体系统协调控制领域的研究热点。然而，既有文献未能解决通信带宽限制下固定时领导-跟随一致性问题，在实际多智能体系统中同时传输大量交互信息会造成延时，恶化系统性能，可通过量化通信和有向通信减少信息传输。基于申请者在固定时控制和多智能体系统一致性控制上的研究基础，本项目拟通过设计基于固定时分布式观测器的固定时一致性方案，研究有向通信拓扑下固定时领导-跟随一致性协议设计方法，带有网络延时的固定时领导-跟随一致性协议设计方法，基于量化通信的固定时领导-跟随一致性协议设计方法，解决通信限制下固定时分布式观测器设计问题、李雅普诺夫函数构造问题和固定时领导-跟随一致性协议设计问题，并将所提出的一致性协议用于微网二次控制中进行仿真验证。本项目的研究成果将为固定时一致性协议在网络化系统中的应用提供理论参考。

固定时领导-跟随一致性可满足实际系统对一致性跟踪时间的要求，方便了控制器设计和一致性时间估计，已成为多智能体系统协同控制领域的研究热点。然而，既有文献未能解决通信带宽限制下固定时领导-跟随一致性问题，在实际多智能体系统中同时传输大量交互信息会造成延时，恶化系统性能，可通过量化通信和有向通信减少信息传输。本项目通过设计基于固定时分布式观测器的固定时一致性方案，研究有向通信拓扑下固定时领导-跟随一致性协议设计方法，带有网络延时的固定时领导-跟随一致性协议设计方法，基于量化通信的固定时领导-跟随一致性协议设计方法，解决通信限制下固定时分布式观测器设计问题、李雅普诺夫函数构造问题和固定时领导-跟随一致性协议设计问题。在本项目的资助下，提出了有向通信下多智能体系统固定时领导-跟随一致性控制方法、通信延时下多智能体系统固定时领导-跟随一致性控制方法、数据丢包下多智能体系统固定时领导-跟随一致性控制方法、量化通信下多智能体系统固定时领导-跟随一致性控制方法、多智能体系统事件触发固定时领导-跟随一致性控制方法、带有物理限制和干扰的多智能体系统固定时领导-跟随一致性控制方法，突破了通信限制下固定时分布式观测器设计、李雅普诺夫函数构造、量化器设计和固定时领导-跟随一致性控制协议设计等技术难点，解决了单向通信、通信延时、数据丢包、比特率限制、通信带宽限制等通信限制和带有输出限制、未知控制方向、未知系统动态、未知外部干扰和死区控制输入等物理限制的多智能体系统固定时领导-跟随一致性问题，并应用于智能微电网二次电压控制和经济优化调度、机器人集群编队控制、机械臂一致性跟踪控制等实际场景中，获得了通信限制下多智能体系统固定时领导-跟随一致性新理论和新方法，为研究通信限制下无人机、无人车、无人艇等无人系统和智能微电网、智能制造、综合能源系统等信息物理系统固定时集群协同控制提供理论参考和应用指导。