[发明专利]一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，包括：设计预定时间分布式观测器在预定时间内估计跟踪误差；根据预定时间，确定分布式观测器参数；设计预定时间非奇异终端滑模一致性控制协议，使跟随者多智能体系统能够在预定时间内跟踪上领导智能体系统的轨迹；确定能保证滑模面的连续性和可微性，消除控制奇异性的控制器参数；将所提出的分布式观测器和一致性控制协议部署在每个跟随者智能体上，实现预定时间一致性跟踪。与既有的固定时一致性方案相比，本发明方法可以获得更低保守性的收敛时间估计，这也有助于降低控制器设计的保守性。因此，本发明方法在对控制精度和收敛时间要求较高的多智能体系统应用上显示出了广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及多智能体系统协同控制技术领域，特别涉及一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法。

背景技术

近些年来，多智能体系统分布式协同控制在各个领域得到了普遍应用，包括网络化机器人操作手协调控制，机器人跟踪和部署，无人系统编队和微网能量管理。分布式协同控制的一个基本问题在于设计一致性协议使得所有智能体通过局部通信实现同步，该问题称为一致性问题。一致性问题按照系统中有无领导又可以分为：无领导一致性问题和一致性跟踪问题。无领导一致性是指所有智能体收敛到初始状态的平均值或初值状态的加权平均值。一致性跟随是指所有跟随智能体跟踪上领导的轨迹，群体的目标可以通过领导的状态指定。因此，同无领导一致性相比，一致性跟踪提升了群体目标实现的灵活性，受到学术界和工业界的广泛关注。

解决一致性跟踪问题的关键在于设计一致性控制协议。评价所设计一致性控制协议的一个重要的性能指标是收敛速度。相关文献表明提升代数连通度有助于提升一致性控制协议的收敛速度。这激发了研究人员通过设计最优权值或选择更好的通信拓扑加快收敛速度。然而，这些方法仅能实现渐进一致，这意味着智能体系统无法在有限时间内实现精确的一致性。有限时一致性可以在有限时间内实现多智能体系统精确一致。同渐进一致相比，有限时一致具有更高的一致性精度，更快的收敛速度和对干扰和不确定更强的鲁棒性。对于某些对控制精度和收敛时间要求高的应用场合，人们更希望实现有限时一致。因此，研究人员花费大量精力设计有限时一致性控制协议，齐次性方法，加幂积分器方法和终端滑模方法用于设计有限时一致性控制协议。然而，既有的有限时一致性控制协议的收敛时间取决于智能体的初值。然而，实际智能体系统的初值难以获得，这给估计收敛时间带来困难。此外，随着初值趋近于无穷，一致性时间也趋近于无穷，这阻碍了有限时一致性应用于初值很大的多智能体系统。

为提升既有有限时一致性协议的性能，固定时稳定性被引入到一致性控制协议设计中。固定时一致性具有吸引人的特性——收敛时间上界是一个与初始状态无关的常数，这有助于控制器设计和稳定时间估计，使得固定时控制适合应用于具有严格收敛时间上界的应用场合，例如，电力系统控制和远端操作系统控制。固定时控制协议已经被用于实现带有无向通信拓扑，有向通信拓扑和切换通信拓扑多智能体系统的一致性。然而，既有的结果存在两个主要问题。首先，由稳定性分析得出的收敛时间上界是非常保守的。其次，固定时一致性协议收敛时间的上界是控制参数的复杂函数，调节参数与稳定时间上界之间没有显式关系。为了克服上述问题，需要发展预定时间稳定控制。与固定时稳定控制相比，预定时间稳定控制具有以下两个优势：首先，预定时间稳定控制的收敛时间上界等于控制器调节参数，这方便了控制器设计以满足稳定时间的要求；其次，控制器的调节参数是稳定时间最小上界，从而避免了对收敛时间边界的过分估计。将预定时间稳定性扩展到解决一致性跟踪问题需要解决两个富有挑战性的科学问题——预定时间观测问题和控制奇异性问题。到目前为止，还没有文献提出预定时间一致性控制协议。实现预定时间领导-跟随一致性有助于确定控制协议增益并减低一致性时间上界估计的保守性，有助于将预定时间一致性应用于对收敛时间要求严格的应用场合。因此，对预定时间一致性跟踪问题的研究对实际系统应用具有重要的指导作用及应用前景。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种预定时间多智能体系统一致性跟踪控制方法，以方便一致性时间上界的估计和控制器的设计，并降低一致性时间估计的保守性。