[发明专利]具有非线性特性的多智能体系统分布式协同控制方法

说明书

具有非线性特性的多智能体系统分布式协同控制方法：首先为多智能体系统中各个智能体建立非线性参考行为模型；然后将多智能体系统解耦成多个单输入单输出的子系统；然后利用频域分析方法得到各个非线性子系统的PID控制器参数稳定域；最后对所有子系统的PID控制器稳定域求交集，获得具有非线性特性的多智能体系统全局分布式PID控制器及其稳定域；同时，针对不同的全局控制需求，可以在稳定域内择优选择合适的PID控制器参数。本发明提供了一种具有非线性特性的多智能体系统分布式协同控制的方法，利用频域法得到非线性多智能体系统的PID控制器参数稳定域，解决了控制器参数整定过程过于繁琐的问题，可以灵活地适应不同的全局控制需求。

技术领域

本发明涉及多智能体系统协同控制领域，特别地，针对具有非线性特性的多智能体系统，利用频域法对分布式PID控制器参数进行镇定性分析，获取控制器参数稳定域。

背景技术

随着控制系统发展的日益复杂化和智能化，如何将一个复杂的任务简单化、分散化成为了当前控制理论发展的一大热门方向。受到自然界群聚现象—如鸟类迁徙和鱼类群游—的启发，多智能体系统的控制理论开始迅速发展。多智能体系统，是由多个智能体组成的整体系统。其中每一个智能体都可以获得环境及相邻智能体的信息，并通过智能体之间的耦合关系和信息交互，规划自身的行为达成整体目标。多智能体系统具有灵活性、可扩展性、自主性、容错性等优点。这些特点使得在多智能体系统中，各个智能体能够通过管理自己的行为，或独立或合作地完成整体目标，即达成一致。多智能体技术在各工业应用领域就具备良好的发展前景，如卫星姿态对准、无人机协同控制、动物聚集行为分析等方面。典型的多智能体系统有多机器人系统、智能电网和分布式卫星系统等。

多智能体系统的分布式控制是指各个智能体具有自治能力，通过个体间信息交换和各自控制完成全局目标。相对于传统的集中式控制，它的优点是即使一个智能体的控制失效，也不会对整体造成太大的影响，具有稳定性高、适应性强等特点，更加符合现代多智能体系统的控制要求。因此，研究多智能体系统的分布式协同控制具有实际意义。

在实际应用中，大多数的多智能体系统都具有非线性动力学特性，因此研究具有非线性特性的多智能体系统是十分重要的。朴营国在文献基于模糊逻辑的一类非线性系统直接自适应控制(控制理论与应用,2001,18(1):45-50)中利用模糊控制理论，针对闭环非线性控制系统，提出了一种直接自适应控制方法。但是由于模糊控制不需要得到非线性系统的数学模型，且模糊控制理论发展较慢而且缺乏系统性，所得到结果存在一定误差。专利CN108803349A针对非线性多智能体系统，利用耦合HJB方程和分层分布式控制架构提出了一种最优一致性控制算法。但对于不同的控制需求，多智能体系统需要重新进行利用自适应方法获得新的一致性协议，这也限制了同一个多智能体系统的控制需求的改变。Han和Cao在文献Stability of Nonlinear Closed-Loop Control System Based onGeneralized Frequency Response Functions(Control TheoryApplications,1997(6):794-802)中利用广义频率响应函数得到了非线性闭环控制系统的稳定性判据。但它只给出了非线性闭环系统的稳定性的充分条件，未给出使非线性系统稳定的所有参数范围，也不能利用PID控制器参数稳定域来简化参数整定的繁琐过程，使系统满足不同的控制需求。此外这一研究只集中于单个非线性系统的稳定性研究，无法使整个多智能体系统满足一定的性能指标要求，也很难适应不同的全局控制需求。经典的频域法能够简化线性系统的分析与设计，且工程师熟悉传统的频域法，因此，利用频域法来对非线性系统进行分析具有十分重要的意义。此外，工程师在实际工作中往往采用经验调试法来得到符合不同控制需求的控制器参数，如何解决工程上对PID控制参数进行整定的繁琐过程也是一个非常值得思考的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种具有非线性特性的多智能体系统的分布式协同控制方法，利用频域分析方法得到全局分布式PID控制器的参数稳定域，适应不同的控制需求，解决了控制器参数整定过程过于繁琐的问题。