混雜群體系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制研究.pdf

1、近年來，群體系統(tǒng)協(xié)同控制的研究受到了來自生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、人工智能及控制工程等不同領(lǐng)域眾多科研工作者越來越多的關(guān)注。本論文研究了群體系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制問題。這里所探討研究的群體系統(tǒng)是由大量具有動(dòng)態(tài)演化特征的個(gè)體通過局部感知和相互作用形成的一類復(fù)雜開放的分布式系統(tǒng)，一般通過局部信息交互和控制器的設(shè)計(jì)從整體層面上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而有序的協(xié)同行為。目前，由于群體系統(tǒng)協(xié)同控制在衛(wèi)星編隊(duì)控制、無人航天器的協(xié)同控制、高速列車群協(xié)調(diào)控制、移動(dòng)機(jī)器人

2、的分布式優(yōu)化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，分布式協(xié)同控制成為了控制學(xué)者廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。論文在介紹已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了同質(zhì)群體系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)同追蹤控制和異質(zhì)群體系統(tǒng)的協(xié)同追蹤控制，論文主要研究工作和成果如下：
　　1.研究了同質(zhì)多智能體系統(tǒng)的局部蜂擁問題，即基于局部信息交互的智能群體形成若干個(gè)群組包圍具有可變化視域范圍的多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)。論文提出了一種由生物激發(fā)的局部多蜂擁控制算法，融合了蜂擁行為和反蜂擁行為的關(guān)鍵特征。采用

3、該控制算法包圍多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的過程中，通過移動(dòng)目標(biāo)的變化可視范圍和追蹤其智能個(gè)體的數(shù)量，智能個(gè)體能夠自適應(yīng)地選擇蜂擁追蹤模式和反蜂擁的搜索模式，使得當(dāng)一些智能個(gè)體追蹤各自的移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，另外一些智能個(gè)體依據(jù)距離最近原則搜索其他移動(dòng)目標(biāo)個(gè)體，進(jìn)而整個(gè)群體形成多個(gè)局部蜂擁團(tuán)體完成所有目標(biāo)的協(xié)同追蹤任務(wù)。在這兩種工作模式中，智能個(gè)體分別采用不同的控制協(xié)議，并且利用Lyapunov定理和LaSalle不變原理對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，進(jìn)一步得到了群

4、體系統(tǒng)能量最小的條件。
　　2.研究了同質(zhì)多智能體系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)同一致性追捕問題，基于部分信息交互設(shè)計(jì)了一種分布式多蜂擁方法能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)的追捕以及移動(dòng)目標(biāo)追捕智能體數(shù)量的平均化。結(jié)合提出的圓形隊(duì)形控制策略，智能個(gè)體可以自適應(yīng)選擇目標(biāo)形成不同的圓形隊(duì)形群組完成多目標(biāo)的追捕。每一組追捕智能個(gè)體的速度狀態(tài)趨于一致。利用 Lyapunov方法分析證明了多智能體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，給出了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同一致追捕的充分條件并進(jìn)行了相關(guān)分析。

5、仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　3.研究了有限信息通信情況下耦合異質(zhì)慣性智能體的蜂擁行為及目標(biāo)協(xié)同一致性追蹤問題?？紤]實(shí)際應(yīng)用中智能個(gè)體的慣性作用，設(shè)計(jì)了一種分布式控制協(xié)議使得智能個(gè)體能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的群集行為，并且采用系統(tǒng)分解法，證明分析了慣性智能群體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合多慣性智能個(gè)體的蜂擁行為，根據(jù)智能體和目標(biāo)的速度關(guān)系，智能個(gè)體能夠自適應(yīng)的尋找并選擇目標(biāo)個(gè)體。對(duì)此，提出了一種增廣的分布式多蜂擁方法能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)慣性智能體系統(tǒng)的

6、多目標(biāo)協(xié)同一致性追蹤。該方法不僅可以保證追蹤智能體的局部蜂擁，而且能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)多智能體協(xié)同一致性追蹤多個(gè)目標(biāo)的任務(wù)。
　　4.針對(duì)具有固定通信拓?fù)涞漠愘|(zhì)相依群體系統(tǒng)，論文研究了異質(zhì)相依群體的協(xié)同一致性追蹤問題。首先，從個(gè)體性質(zhì)不同和子群體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的角度出發(fā)，建立異質(zhì)系統(tǒng)的相依模型。為了通過局部信息實(shí)現(xiàn)異質(zhì)相依群體系統(tǒng)的一致性追蹤，設(shè)計(jì)了一類分布式一致性追蹤控制協(xié)議。隨后，對(duì)于固定通信拓?fù)涞那闆r，給出相應(yīng)的充分條件確保一致性追蹤

7、的實(shí)現(xiàn)。定義了相依個(gè)體比例和相依冗余度兩個(gè)參數(shù)Pr和Re，并分析了這些參數(shù)對(duì)群體系統(tǒng)協(xié)同一致性追蹤的影響。最后，通過仿真實(shí)例以說明理論分析的有效性。
　　5.針對(duì)具有切換通信拓?fù)涞漠愘|(zhì)群體系統(tǒng)，論文研究了異質(zhì)群體的協(xié)同一致性追蹤問題。首先，描述了異質(zhì)群體系統(tǒng)中二階個(gè)體、一階個(gè)體和目標(biāo)個(gè)體的動(dòng)力學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)異質(zhì)群體系統(tǒng)的一致性追蹤，給出了一類分布式一致追蹤控制協(xié)議。通過局部信息實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)群體系統(tǒng)的一致性追蹤。隨后，對(duì)于切換通信拓