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基于障礙Lyapunov函數的多智能體系統誤差約束同步
《信息技術與網絡安全》2020年第6期
吳慕蘭
中國科學技術大學 自動化系,安徽 合肥230026
摘要: 帶誤差約束的多智能體同步除了要求多智能體的狀態同步以外,同時還要求同步誤差受給定的界約束。針對期望實現誤差約束的未知非線性領航-追隨者多智能體系統,提出了一種分布式神經自適應同步控制方法。首先利用神經網絡近似智能體動力學方程中的未知非線性項,提出了一種新的分布式障礙Lyapunov函數來限制同步誤差,然后根據所提出的障礙Lyapunov函數,通過穩定性分析推導出分布式自適應控制律。最后給出了一個仿真實例,驗證了利用所提出的控制律可以實現同步誤差約束。
中圖分類號: TP273
文獻標識碼: A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.06.014
引用格式: 吳慕蘭. 基于障礙Lyapunov函數的多智能體系統誤差約束同步[J].信息技術與網絡安全,2020,39(6):73-79.

Synchronization of multi-agent systems with error constraints based on barrier Lyapunov function
Wu Mulan
Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China
Abstract: Synchronization of multi-agent systems with error constraints requires that the states of agents synchronize, meanwhile the synchronization error is required to be confined by a predefined bound. This paper proposes a distributed neuro-adaptive control for synchronization of the leader-follower multi-agent systems with error constraints, where both the leader and the followers are governed by unknown nonlinear dynamics. To solve the problem of synchronization error constraints, neural networks are employed to approximate the unknown nonlinearities of the system dynamics, and a novel distributed barrier Lyapunov function (DBLF) is developed to confine the synchronization errors. Then distributed neuro-adaptive control protocols are derived based on the Lyapunov stability analysis, in which the Lyapunov function is defined in terms of the proposed DBLF. A simulation example is finally provided to verify that the synchronization error constraints can be realized by employing the proposed control protocols.
Key words : multi-agent systems;synchronization error constraints;adaptive control;neural network;barrier Lyapunov function

近年來,多智能體系統由于在編隊控制、無線傳感器、機器人協作裝備等領域的廣泛應用而受到越來越多的關注。作為多智能體系統研究中的基礎問題,同步指所有智能體在某些變量例如位置或速度上達到一致的動態過程。目前存在的有關同步問題的工作主要分為兩類:一類是無領航者的同步問題[1],一類是領航-追隨者同步問題[2],并且其中大多數工作是關于線性系統的。但是在實際情況中系統不可避免地會出現各種非線性和不確定性項,因此未知非線性多智能體系統的同步已成為一個研究的熱點。

由于神經網絡方法[3-4]具有可以從樣本集學習復雜映射的能力,其可以在線學習對未知非線性動力學系統的識別。基于神經網絡固有的非線性逼近能力和內在的自適應學習特征,原始的控制問題常常可以轉化為神經網絡自適應控制問題[5-6]。這類控制策略能保證系統的一致性誤差最終可以穩定在一個較小的界內,其大小取決于模型中的一些顯式參數和未知但有界的項,然而并沒有系統的方法去計算這些上界,因此無法去準確地評估最終的穩定狀態性能。同時,不確定性使得控制過程中誤差的收斂速度也難以準確地評估。實際控制過程中,希望系統在各項參數設計好后滿足給定的穩態性能和瞬態性能,即系統的誤差最終收斂到給定的較小的界內,同時收斂的速度不小于給定的值。KATSOUKIS T等通過使用預設性能控制的方法來實現這一同步誤差約束[7],其最終目標是使得每個智能體的同步誤差嚴格地在預設區域內演化。關鍵思想是通過轉換后的同步誤差將每個智能體的約束誤差放寬為不受約束的誤差,但是轉換后的誤差會增加需要處理的變量的數量且控制效果不穩定。

本文采用障礙Lyapunov函數方法[8]解決誤差約束問題從而避免引入轉換誤差,設計了新的分布式障礙Lyapunov用以研究多智能體系統問題,實驗結果表明同步誤差能夠被嚴格限制在預設范圍內演化。



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作者信息:

吳慕蘭

(中國科學技術大學 自動化系,安徽 合肥230026)


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