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多Agent系统的控制及稳定性分析

2020-11-28阅读(232)

多Agent系统的控制及稳定性分析

论文摘要

多Agent系统的研究工作在最近十几年得到了全面的展开,本论文从控制理论的角度对多Agent系统的控制及稳定性分析等问题进行了研究,主要内容如下:（1）研究了人工势场方法对多Agent系统进行控制的问题。在二维环境中以二次积分模型为研究对象,基于电势场的相关概念提出人工势场函数,并推导出由此产生的各个Agent之间及Agent和障碍物之间的力,同时结合比例-微分控制使整个系统在保持队形的同时能够避开障碍物并朝目标前进。通过Lyapunov稳定性分析得出系统是稳定的;在此控制策略的基础上,提出虚拟改进障碍物外部形状的方法,使得各Agent能避开由障碍物外形包围而成的局部极小值区域顺利到达目的地。（2）利用滑动模型方法结合人工势场及图论的知识研究了在三维空间中多Agent系统的轨迹跟踪控制。滑动模型控制方法不受空间维数的限制,同时具有很好的鲁棒性,这恰好能满足多Agent系统的控制要求,因此发挥滑模控制的优势结合人工势场方法和图论对多Agent系统进行控制能有效完成障碍物环境中多Agent系统的轨迹跟踪控制,并能在跟踪过程中满足一定的队形要求,通过选取适当的Lyapunov函数证明了其稳定性。（3）研究了多Agent系统的稳定性问题。提出了输入-状态弦稳定性（Input-to-State String Stability）的概念,用于分析“弦”结构的稳定性能。这种“弦”结构常作为基本构成单位出现在多Agent系统中。将“弦”中各子系统之间的相互影响看作对子系统的一种输入,并结合输入-状态稳定性、弦稳定性的概念以及奇异摄动理论的分析方法对此类多Agent互联系统的输入-状态弦稳定性进行了分析,给出了弱关联条件下Agent状态交互影响时系统输入-状态弦稳定的充分条件。（4）研究了多Agent系统的队形变换问题。指出了多Agent系统队形变换的几种形式,利用图论中的连通性、刚性等性质,以及图的相关矩阵对多Agent系统的结构进行分析,从而给出了基于图论方法的队形变换时的控制算法,并给出了由较大图分解成较小子图和两个较小子图合并成大图两种算法的流程。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 多Agent系统概述
  • 1.2 从控制的角度研究多Agent系统的目的和意义
  • 1.3 多Agent系统控制问题的研究现状
  • 1.3.1 控制结构
  • 1.3.2 系统特点及相关稳定性分析
  • 1.3.3 研究热点
  • 1.4 多Agent系统控制问题研究的发展方向
  • 1.5 本文工作
  • 第2章 基于改进人工势场方法的多Agent系统控制
  • 2.1 基于人工势场的多Agent系统控制方法设计
  • 2.1.1 Agent的模型
  • 2.1.2 基于电场概念的势场函数
  • 2.1.3 控制算法和稳定性分析
  • 2.1.4 仿真示例
  • 2.2 对人工势场方法的改进
  • 2.2.1 一类局部极小值问题
  • 2.2.2 应用环境分析
  • 2.2.3 改进人工势场的Agent控制方法描述
  • 2.2.4 仿真研究
  • 2.3 总结
  • 第3章 基于滑模控制方法的多Agent系统轨迹跟踪
  • 3.1 滑动模型方法介绍
  • 3.2 滑模控制方法的应用
  • 3.2.1 单个Agent的控制方案设计
  • 3.2.2 稳定性分析
  • 3.3 基于滑模控制方法与图论的多Agent系统综合控制设计
  • 3.3.1 图论与多Agent系统结构
  • 3.3.2 控制设计
  • 3.4 基于滑模控制与人工势场方法对多Agent系统的控制设计
  • 3.4.1 Agent与障碍物之间的势场
  • 3.4.2 Agent之间的势场
  • 3.4.3 控制设计
  • 3.5 仿真研究
  • 3.5.1 滑模控制结合图论（无障碍物的仿真）
  • 3.5.2 滑模控制结合人工势场（无障碍物环境中的仿真）
  • 3.5.3 滑模控制结合人工势场（有障碍物环境中的仿真）
  • 3.6 结论
  • 第4章 一类非线性互联多Agent系统的输入-状态弦稳定性
  • 4.1 相关概念
  • 4.2 输入-状态弦稳定
  • 4.2.1 输入-状态稳定性与弦稳定性
  • 4.2.2 输入-状态弦稳定
  • 4.3 一类非线性多Agent互联系统的输入-状态稳定性分析
  • 4.3.1 两个非线性互联系统的输入-状态弦稳定
  • 4.3.2 N个非线性互联Agent的弦稳定
  • 4.4 仿真示例
  • 4.5 总结
  • 第5章 基于图论的多Agent系统结构变化控制
  • 5.1 图论知识与多Agent系统的队形结构
  • 5.1.1 图的矩阵
  • 5.1.2 图的连通性
  • 5.1.3 图的连通性与刚性结合
  • 5.2 多Agent系统的队形变换
  • 5.2.1 多Agent系统中常用队形变换形式
  • 5.2.2 队形变换方法研究
  • 5.2.3 实例说明
  • 5.3 系统稳定性分析
  • 5.4 仿真
  • 5.4.1 要求连通性的队形控制仿真
  • 5.4.2 要求刚性的队形控制仿真
  • 5.5 结论
  • 第6章 总结与展望
  • 6.1 本文主要工作:
  • 6.2 主要创新点
  • 6.3 展望
  • 附录
  • A Agent的数学模型
  • A.1 一阶运动模型（Kinematic or first order）
  • A.2 二阶动力学模型（Dynamic or second order）
  • A.3 一阶单轮模型（Unicycle）
  • A.4 二阶单轮模型
  • A.5 四轮小车结构的模型
  • A.6 非线性数学模型
  • B 人工势场方法
  • C 图论
  • 作者在博士期间完成的论文
  • 致谢
  • 参考文献

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