具有动态拓扑结构和时延的多自主体系统的一致性控制

In recent years, multi-agent systems (MASs) has received great attention from researchers and been a hot topic in the control area. Due to the limitation of communication power or the unreliability of the communication network, the network topology is often time-varying. Meantime, time-delay is inevitable during data transmission and data processing. Hence, it is necessary to investigate the consensus problem of MASs with dynamical network topology and time-delay. In this project, we first study the consensus problem of Vicsek model with input delay and communication delay. By defining the concept of robust subgraph, we obtain some delayed-dependent consensus conditions, imposed only on the initial state. Then we consider the MASs with Markovian switching topologies and constant time-delay. By developing the mean-square stability criterion for the delayed Markovian linear jump systems, sufficient consensus condition along with the design of distributed control protocols is provided in terms of the Markovian switching topologies, time-delay, and the agent dynamics. We also consider the MASs with time-varying delay and packet dropouts. By defining the notion of compressed edge Laplacian for directed graphs to separate the packet dropouts from the network topology and developing the mean-square stability criterion for the associated delayed stochastic systems, sufficient consensus condition is obtained in terms of the communication delay, the packet dropout rates, the communication network topology, and the agent dynamics. The results in this project will enrich and develop the theory of MASs.

近年来，多自主体系统受到众多学者的广泛关注，是系统控制领域的一大研究热点。由于通信功率的限制或者通信网络的故障，其通信拓扑结构大多是时变的。同时，信息在通信网络的传输以及数据处理过程中不可避免地产生时延。因此很有必要研究动态拓扑结构下带时延的多自主体系统的一致性问题。本项目首先研究具有输入时延与通信时延的Vicsek模型的一致性问题。通过定义鲁棒子图，建立依赖于初始条件与时延有关的一致性条件。其次考虑马尔可夫切换拓扑下的具有常数时延的多自主体系统，通过发展时延马尔可夫线性跳变系统的均方稳定判定准则，建立与网络拓扑结构、马尔可夫切换、时延以及系统动态特性相关的显式一致性条件。最后研究带有时变时延和丢包的多自主体系统，通过定义压缩边Laplacian矩阵以及相应的均方稳定判定准则，建立与丢包率、时延、拓扑结构以及动态特性相关的显式一致性条件。本项目的研究成果将丰富和发展多自主体系统控制理论。

伴随着移动通信技术的快速进步，多自主体系统的应用得到了空前的发展，例如完成农药喷洒、物流运输、多无人机搜索、协同侦察作战等复杂任务。其中一致性控制是多自主体系统研究工作中的一个基本而又关键的问题，同时，由于通信功率的限制或者通信网络的故障，其通信拓扑结构大多是时变的，此外，信息在通信网络的传输以及数据处理过程中不可避免地产生时延。因而研究了具有动态拓扑结构、通信信道同时存在时延和丢包情况下的多自主体系统的一致性问题，建立了依赖丢包率、时延、拓扑结构以及系统动态特性的显式一致性条件，并提供了一致性控制器设计；扩展应用至多体航天器编队飞行系统，针对通信资源有限、星间通讯距离受限等问题，研究多体航天器编队系统姿态协同控制方法，采用带权重的有向强联通图描述编队飞行过程中航天器相互之间的通信情况，基于势函数对航天器间的期望构型和通信范围进行了约束，设计了事件驱动通信机制以降低对通信资源的占用，并构建了低通讯连通保持协同控制器；进一步研制开发航天器编队经典构型与线性双脉冲交会仿真实验平台以及空间分布式光学成像编队仿真配置软件。研究成果不仅将丰富和发展多自主体系统控制理论，而且为理论研究落地实现工程实用提供了坚实基础。..通过该项目的研究，研究成果以学术论文的形式发表SCI论文2篇，EI检索国内外会议论文2篇；授权国家发明专利2项、受理国家发明专利4项；登记授权计算机软件著作权5项；待出版英文学术专著《Control Over Communication Networks:Modeling, Analysis, and Design of Networked Control Systems and Multi-Agent Systems over Imperfect Communication Channels》一本；并初步开发了航天器编队经典构型与线性双脉冲交会仿真实验平台以及空间分布式光学成像编队仿真配置软件，为后续的研究奠定了良好的基础。