沈 超,周振超

(遼寧科技學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,遼寧 本溪 117004)

0 引言

近年來,隨著計(jì)算機(jī)與電子通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展,分布式控制的多智能體網(wǎng)絡(luò)逐漸成了研究熱點(diǎn)。智能體是集智能處理器、傳感器以及執(zhí)行器于一身,并以此完成預(yù)期目標(biāo)的具有自學(xué)習(xí)能力的自治實(shí)體。因此,多智能體系統(tǒng)就是由多個(gè)智能體構(gòu)成的、可以獨(dú)立測(cè)量和感知其周圍環(huán)境,并基于一定的通信協(xié)議交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息,通過相應(yīng)的計(jì)算來指導(dǎo)其自身行動(dòng),最終達(dá)到協(xié)作目的的自治網(wǎng)絡(luò)[1]。所以,多智能體網(wǎng)絡(luò)能夠有效地處理現(xiàn)實(shí)世界中分布式動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)的控制問題,對(duì)解決網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜性問題有明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。多智能體網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防軍事和日常生活中,并成為一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和建模的行之有效的方法和工具[3]。

然而,多智能體系統(tǒng)常常由于在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下不可避免地存在非線性因素,而使多智能體系統(tǒng)的一致性性能受到嚴(yán)重影響。對(duì)此,自適應(yīng)控制技術(shù)可以有效地解決該問題[4]。因此,文章在實(shí)際系統(tǒng)存在死區(qū)輸入非線性的情形下,設(shè)計(jì)了多智能體一致性自適應(yīng)跟蹤控制系統(tǒng)。該多智能體一致性跟蹤系統(tǒng)的硬件部分由基于自適應(yīng)H∞控制策略的控制器模塊與通訊模塊組成。系統(tǒng)的軟件部分由自適應(yīng)控制模塊和智能體調(diào)度模塊組成,以保證多智能體系統(tǒng)的一致性運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的多智能體系統(tǒng)一致性得到了顯著改善, 體現(xiàn)了該多智能體系統(tǒng)一致性設(shè)計(jì)的有效性。

1 多智能體一致性跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多智能體一致性跟蹤系統(tǒng)的硬件部分基于H∞控制策略,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制器單元與通訊單元。

1.1 自適應(yīng)控制器單元

為了滿足多智能體系統(tǒng)的一致性要求,利用多智能體的自學(xué)習(xí)特性,采用一款自適應(yīng)控制器,該控制器由電源、中央處理模塊、存儲(chǔ)器模塊、輸入輸出模塊和通訊模塊構(gòu)成[5]。

1.2 通訊單元

根據(jù)多智能體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,采用TCP/IP協(xié)議作為系統(tǒng)交換信息的通訊協(xié)議。該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)不同應(yīng)用程序之間的鏈接與數(shù)據(jù)信息交換。

節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器交互方式主要包括面向連接與面向無線連接兩種方式。面向連接方式可靠性較高,能夠確保數(shù)據(jù)的可靠交換,并且對(duì)于未接收的數(shù)據(jù),會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)重新傳輸機(jī)制。因此,本多智能體一致性系統(tǒng)采用面向連接方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。

2 多智能體一致性跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

多智能體一致性跟蹤系統(tǒng)的軟件部分以上面設(shè)計(jì)的硬件單元為平臺(tái),包括了自適應(yīng)控制模塊與智能體調(diào)度模塊。

2.1 自適應(yīng)控制單元

自適應(yīng)控制單元的核心就是設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器。存在外部非線性輸入的多智能體系統(tǒng)如下:

(1)

τi=Ni(ui)

(2)

其中,xi∈R為系統(tǒng)狀態(tài);τi∈R為輸入;θ1i∈Rm為未知參數(shù)向量;ωi∈Rm為回歸向量;未知參數(shù)bi>0,以及ui(t)為實(shí)際控制輸入信號(hào)?？刂颇繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者的一致性跟蹤。Ni(ui)表示式(3)所示的死區(qū)輸入非線性[6]方程。

τ=[τ1,…,τN]T=N(u)
=[N1(u1),…,NN(uN)]T

(3)

(4)

其中,bli<00;mli>0。

相應(yīng)地死區(qū)特性如下:

(5)

(6)

(7)

輸入信號(hào)τi如下:

τi=mri(ui-bri)σr(τi)+mli(ui-bli)σl(τi)

(8)

以下對(duì)輸入死區(qū)非線性的特性進(jìn)行估計(jì),

(9)

(10)

(11)

其中,τdi為理想輸入信號(hào),并且可得:

(12)

(13)

ω2i=[uixri(τdi),xri(τdi),uixli(τdi),xli(τdi)]T

(14)

以下估計(jì)τi與τdi間的誤差,

(15)

(16)

(17)

總殘差項(xiàng)d0i滿足

|d0i|<∞

(18)

自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)如下,定義為:

Ω2=diag(ω21,…,ω2N)

(19)

(20)

(21)

τd=[τd1,…,τdN]T

(22)

d0=[d01,…,d0N]T

(23)

由此可得一致性跟蹤[7]:

(24)

(25)

si(t)=xi(t)-xri(t)

(26)

(27)

(28)

(29)

由此可得:

(30)

從而可得多智能體系統(tǒng)為:

(31)

(32)

Ω1=diag(ω11,…,ω1N)

(33)

(34)

U0=diag(u10,…,uN0)

(35)

(36)

(37)

B=diag(b1,…,bN)

(38)

N0=[n10,…,nN0]T

(39)

1=[1,…,1]T

(40)

v=[v1,…,vN]T

(41)

其中,-Mc為赫爾維茨矩陣。

以下設(shè)計(jì)自適應(yīng)H∞一致控制器,選定正定函數(shù)W0為:

(42)

b=[b1,…,bN]T

(43)

(44)

(45)

V=diag(v1,…,vN)

(46)

(47)

根據(jù)式(47)引入如下虛擬系統(tǒng)

(48)

f=0

(49)

(50)

(51)

該虛擬系統(tǒng)由控制輸入V通過H∞準(zhǔn)則來鎮(zhèn)定,d1、d2、d3可看作系統(tǒng)的外部干擾[9],因此引入如下HJI (Hamilton-Jacobi-Isaacs)方程及其解V0。

+q=0

(52)

(53)

(54)

從而得

(55)

(56)

其中,K為對(duì)角正定矩陣。 根據(jù)式(55)可得,相應(yīng)的H∞控制的解v為:

(57)

(58)

由此可得如下部分自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

(59)

且有:

(60)

(61)

(62)

(63)

(64)

定理2 完全自適應(yīng)控制系統(tǒng)(9)、(27)、(44)、(45)、(57)、(61)、(62)一致有界,且有:

(65)

對(duì)于系統(tǒng)一致性跟蹤誤差xi-x0的穩(wěn)定性分析,定義

(66)

(67)

(68)

(69)

從而

(70)

其中,-Mα是基于網(wǎng)絡(luò)圖假設(shè)的赫爾維茨矩陣。由此可得如下全局自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

定理3 全局自適應(yīng)控制系統(tǒng)(9)、(27)、(44)、(45)、(57)、(61)、(62)一致有界,且有:

(71)

2.2 智能體調(diào)度模塊

智能體調(diào)度的具體步驟如下:

Step1 創(chuàng)建信使命令傳輸給分布式調(diào)度者,并調(diào)用API函數(shù)執(zhí)行該命令;

Step2 等待信使傳入自身的窗口句柄,在接收到窗口句柄后,將其作為命令參數(shù)傳輸給各智能體;

Step3 各個(gè)智能體通過對(duì)接收到的命令參數(shù)進(jìn)行分析,從而對(duì)智能體進(jìn)行調(diào)度[10]。

通過以上設(shè)計(jì)的硬件單元與軟件單元,實(shí)現(xiàn)了多智能體一致性系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的多智能體系統(tǒng)的一致性性能,在Matlab軟件環(huán)境中進(jìn)行了相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置(取等),通過與現(xiàn)有非自適應(yīng)系統(tǒng)性能對(duì)比分析,進(jìn)行了所設(shè)計(jì)的多智能體一致性系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn),得到了相應(yīng)的多智能體系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間變化的過程曲線,如圖1所示。

圖1 多智能體系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間的變化曲線

通過圖1不難看出,隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的推移,傳統(tǒng)的非自適應(yīng)多智能體系統(tǒng)的狀態(tài)表現(xiàn)出持續(xù)發(fā)散的特征,而所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)多智能體系統(tǒng)的狀態(tài)卻能夠逐漸達(dá)到穩(wěn)定,系統(tǒng)一致性得到了顯著改善,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有效性。

4 結(jié)論

針對(duì)外部輸入非線性對(duì)多智能體系統(tǒng)一致性性能的影響,基于自適應(yīng)控制算法設(shè)計(jì)了一種多智能體跟蹤系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)顯著地改善了系統(tǒng)的一致性性能,可以滿足系統(tǒng)在外部環(huán)境存在非線性輸入的應(yīng)用需求,為多智能體系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用提供了一定的參考方向。