[发明专利]一种分数阶无人系统的有限时间多分组协同控制方法

说明书

本发明请求保护一种分数阶无人系统有限时间多分组协同控制方法，无人系统是多智能体系统控制领域的一种典型应用，包括：确定系统的拓扑结构；设置系统中各个智能体分组所期望达到的一致值；对满足牵制条件的智能体进行牵制；各个智能体向其邻居智能体发送自身的位置信息，按照分组对接收到的邻居智能体的信息进行划分，得到同组及不同组智能体的位置信息；各智能体对接收到的信息进行处理，得到中间误差变量，将分数阶系统转化为与中间误差变量相关的整数阶系统；根据有限时间多分组一致控制协议对中间误差变量进行处理，得到该智能体与邻居智能体的位置误差；将位置误差代入动态方程以更新智能体的位置状态，使得系统在有限的时间内实现多分组一致。

技术领域

本发明涉及多智能体系统控制领域。具体涉及一种分数阶无人系统的有限时间多分组协同控制方法。

背景技术

近年来，研究者们受自然界中生物群集运动的启发，提出了多智能体系统。多智能体系统具有自主性，分布性，协调性等优点，并且具有很好的鲁棒和可靠性，这在工程应用中能解决许多实际问题，因此引起了计算机科学、控制工程等众多领域的广泛关注和研究，并在各领域得到了广泛的应用。其中，无人系统是多智能体系统的一种典型应用。

一致性问题作为多智能体系统协同控制问题的基础，其研究也具有重要的意义并成为协同控制中一个备受关注的领域。而分组一致性是一致性问题的一个拓展，其能更好地解决大规模任务及多任务的并行处理，从而提高系统的执行效率。分组一致性是指将系统中的智能体被划分为多个子组，并与邻居智能体相互协作，从而使整个系统最终达到多个平衡状态。

分组一致性的核心问题主要在于控制协议的设计以及性能评估这两方面。而收敛速度是用于评价控制协议性能的一项重要指标。但目前大多数研究都是基于渐近一致的，即系统中各智能体的状态在时间趋于无穷大时达到一个共同的平衡状态值。然而，在实际应用中，特别是针对某些对控制精度要求较高的系统，其对收敛时间的要求往往更加苛刻，通常需要系统在有限的时间内趋于一致。此时，传统的渐近一致已不能满足控制工程中实际应用的需求。因此，针对多智能体系统有限时间一致性控制就显得尤为重要。

目前，对于多智能体系统有限时间一致性研究大都是基于整数阶系统，而现实中的很多系统更适合用分数阶系统去刻画，例如粘弹性系统，电磁系统，金融系统等。此外，大多数研究所考虑的系统中仅存在合作关系或竞争关系。但事实上，由于资源有限，合作与竞争关系通常是并存的，例如群体决策中的支持-反对关系。对于将合作与竞争关系均考虑到系统中的研究，同组智能体之间仅存在合作关系，不同组智能体之间仅存在竞争关系。在现实环境中，由于有限的资源，组内也存在竞争关系，而组间也存在合作关系以达到共赢。因此，在组内与组间均存在合作及竞争关系这一更为复杂的场景下讨论分数阶多智能系统有限时间多分组一致更具实际意义。

此外，针对多智能体系统有限时间一致控制的研究大都对系统的拓扑结构要求较高，例如无向图，有向图需要满足强连通、结构平衡、细节平衡、含有向生成树等，这些拓扑结构均较为特殊或需要满足一些相对苛刻的特定条件而不能完全适用于实际工程应用。因此，在更一般的拓扑结构(弱连通拓扑结构) 下探讨多智能体系统有限时间一致更有意义。对于复杂多智能体系统来说，在弱连通拓扑结构下，一般很难通过内部耦合达到一致。针对大规模复杂系统来说，对所有的智能体都施加控制不仅会耗费巨大的财力物力，在实际的工程应用中也并不现实。通过牵制控制方法对系统中的部分智能体进行牵制，不仅可以解决系统拓扑不连通的一致性问题，也能通过减少被控智能体的数量以降低控制成本。

综上所述，基于智能体之间更为复杂的合作-竞争关系，开展弱连通拓扑结构下分数阶无人系统的有限时间多分组一致研究是非常有意义且必要的。