基于群组结构的多智能体系统有限时间分组一致性研究

Finite-time consensus is a hot problem in research of consensus of multi-agent systems. In real systems, the realization of consensus is related with network structures and environment factors, cluster consensus will appear in multi-agent systems consequently. . In this project, finite-time cluster consensus of multi-agent systems based on clustered-structures is deeply researched by non-smooth control theory and coupled-networks theory. First, the model of multi-agent systems based on clustered-structures is presented, then three novel coupled-relations (cooperation, cooperation-competition and dynamic combination) are proposed, and the protocols of finite-time cluster consensus based on three coupled-relations are designed respectively. Second, the influences of coupled-networks between clusters and networks in cluster to the capability of finite-time cluster consensus are analyzed, furthermore the influences of changes on characters of networks to the capability of finite-time cluster consensus are analyzed, and the important connected-structures are found. Last, with the conclusions of above researches, finite-time cluster consensus by pinning control is tried to research through putting the controllers on the important connected-structures, and the contrastive researches between pinning control and non-pinning control are given.. The contents of all the study enrich the research of finite-time consensus about cluster consensus, and the consequences of all the study provide practical significance to the operation and decision of complex real multi-agent systems. .

有限时间一致控制是多智能体系统一致研究中的热点问题。在实际系统中，一致的实现和特定的网络结构及环境因素有关，多智能体系统会出现分组一致的情况。本项目采用非光滑控制理论、耦合网络理论等方法对基于群组结构的多智能体系统有限时间分组一致进行深入研究：首先，建立分组耦合多智能体系统模型，提出三种新颖的分组耦合关系（合作、合作竞争、动态合并），以这三种耦合关系为研究背景分别设计有限时间分组一致协议；其次，分析组间的耦合方式及组内网络结构对有限时间分组一致性能的影响，分析网络参数的变化对有限时间分组一致性能的影响，发现组内外影响性能的重要连接结构；最后，基于以上分析研究结果，在重要连接结构上施加控制器，研究通过牵制控制实现有限时间分组一致，并给出牵制控制协议与非牵制控制协议的对比研究结果。项目的研究内容丰富了有限时间一致在分组一致方面的理论研究，研究结果对复杂实际系统的运行及决策具有现实意义。

多智能体系统有限时间一致性问题是最近复杂系统和复杂网络领域的一个研究热点。本项目采用理论分析和仿真模拟相结合的方法，分析了群组结构特征与有限时间一致性的内在关联关系，设计合理的控制器以提升系统有限时间一致性能力，并讨论了不同群组结构的演化对多智能体系统有限时间一致的影响。主要创新性的研究结果包括：.（1）建立基于合作竞争关系的网络耦合系统模型，设计了相应的有限时间一致性协议，同时进行了多种拓扑结构的仿真验证； .（2）建立基于动态合并关系的网络耦合系统模型，设计相应的有限时间一致性协议，使多个不同群组合并成统一一致的状态，同时进行了多种拓扑结构的仿真验证；我们所设计的一致性协议可以明显提高收敛速度并且具有很好抗攻击性，同时协议具有更弱的约束条件更有利于实际应用；.（3）基于上述两类系统模型，深入分析研究结构特征及多种网络结构参数对动力学行为的影响；首先分析了多种组内拓扑结构对系统收敛能力及稳定性的影响；接着分析了组间拓扑结构对系统收敛能力及稳定性的影响，进一步研究了相同拓扑结构不同智能体分组对系统动态性能的影响；通过上述分析研究可以主动发现对系统动态性能影响较大的群组拓扑结构及关键节点，我们进一步又研究了基于关键节点的耦合系统同步性能的研究，基于关键节点得到了最简等效网络，并分析了影响同步性能的四种因素；.（4）研究了局域世界网络的结构可控性问题。局域世界是真实复杂网络的重要组成元素，我们以局域世界的可控性作为切入点，分析研究了不同局域世界的网络结构对可控性的影响，并给出了数字仿真加以验证。 .（5）基于结构微调的网络系统抗攻击能力优化研究。提出了基于禁忌搜索的网络抗攻击能力优化方法，分析了onion-like结构的动态无标度网络脆弱性与同步能力的关联关系。.项目研究对于深刻认识群组结构的复杂性及其对多智能体系统有限时间一致的影响、预防系统结构性故障等具有十分重要的理论意义；并为快速可靠的控制系统设计、现有系统结构优化等提供科学的理论依据。