基于隨機通信網絡的多自主體系統的一致性研究.pdf

1、基于通信網絡的多自主體系統，是指各自主體（或智能設備）之間通過無線通信網絡進行信息交換和通訊，利用接收到的信息調整其自身狀態(tài)，從而整體形成一個系統。研究這樣一類控制系統，至少需要考慮其三方面的特性：第一，自主體本身系統動態(tài)的多樣性和復雜性；第二，控制協議的分布式特性，即要在沒有中央協調控制或者全局通信的情況下，自主體之間通過局部的相互耦合作用，達到系統的整體控制目標；第三，無線通信網絡的局限性，包括通信連接丟失、時變的通信時延、由數據采

2、樣帶來的系統混雜性、以及信道傳輸噪聲等。
　　 一致性問題是多自主體系統協調控制中一個重要又基本的問題。本文探討基于隨機通信網絡的多自主體系統的一致性問題，將該問題系統、明確地劃分為三個基本子問題，即可一致性（一致性問題是否可解）、一致條件、和協議設計，研究在通信約束下具有二階積分器和高階動態(tài)的多自主體系統的上述三個問題。在進行系統一致性分析時，引入系統變換，從而將多自主體系統的一致性問題轉化為降階系統的穩(wěn)定性問題來解決；然后利

3、用代數圖論、隨機穩(wěn)定性理論、混雜系統理論等研究系統一致的條件：進而通過分析得到的一致性條件，結合矩陣攝動論、勞斯判據、概率論等相關工具研究系統可一致條件：最后利用線性矩陣不等式、網格搜索法等設計協議。論文的主要工作如下：
　　 1.研究隨機丟失網絡中離散時間多自主體系統的一致性問題，其中包括
　　 （1）.從二階積分器自主體入手，分別考察固定連接拓撲和。MarKov隨機丟失網絡下的多自主體系統，給出了系統一致的充分必要條

4、件。然后采用攝動理論證明：系統的漸近一致（在固定連接拓撲下）或均方一致（MarKov切換拓撲下）問題可解，當且僅當固定的連接拓撲或MarKov切換拓撲集合的并圖含有有向生成樹；即使連接拓撲隨機切換并且始終都不連通，也能保證系統的一致性問題可解，而且二階積分器系統的均方一致性問題是否可解與拓撲隨機切換特性無關。最后提出了基于線性矩陣不等式的協議設計算法。
　　 （2）.將自主體動態(tài)拓展到一般線性時不變系統，考察Bernoulli隨

5、機網絡連接丟失概率對多自主體系統的影響。一方面指出連接權重對系統能否一致具有不可忽略的影響，明確了將連接權重作為控制參數的必要性。另一方面揭示了網絡連接丟失概率對系統均方可一致性的重要性，指出如果網絡連接丟失概率大于某個值，在狀態(tài)反饋線性協議下系統的一致性問題可能無解，同時給出了一個系統均方可一致所允許的網絡連接丟失概率上界。只要網絡連接丟失概率小于該上界值，并且平均連接拓撲含有有向生成樹，那么存在網絡連接權重和線性協議使得系統均方收斂

6、到一致。最后給出了一種關于連接權重的設計方法。
　　 2.研究隨機網絡中基于采樣數據的多自主體系統的一致性，其中包括
　　 （1）.從網絡中混雜驅動的二階積分器自主體入手，考察當網絡中含有隨機連接丟失、時變通信時延、以及信道噪聲時系統的魯棒均方一致問題。引入隊列機制，一方面提高了系統的實時性，另一方面使得所有自主體同步、周期地更新其控制輸入，同時連接拓撲的隨機切換特性也可以用Bemoulli分布來刻畫。對于該機制下的系統

7、，給出了系統均方一致的充分必要條件；并指出對于任意給定的采樣周期和緩沖器隊列時間，只要平均連接拓撲是連通的，系統的均方一致性問題就可解；最后提出了一種基于搜索的一致性協議設計算法。
　　 （2）.將自主體動態(tài)拓展到一般線性時不變系統，采用基于動態(tài)輸出反饋的一致性協議，考察采樣周期對系統一致性的影響。首先揭示了與一階、二階積分器系統不同的，一般動態(tài)系統的一致性問題是否可解要依賴于采樣周期，如果采樣周期大于某個值，系統的一致性問題可

8、能無解。其次證明了只要固定連接拓撲（連接拓撲固定的情形）或者平均連接拓撲（連接拓撲隨機切換的情形）含有有向生成樹，那么當采樣周期充分小時，系統是可一致性的，并且給出了協議參數的條件。然后結合混雜系統的相關分析分別給出了在固定連接拓撲和隨機通信網絡下系統一致允許的采樣周期上界。最后提出了兩種一致性協議設計方法。
　　 3.建立了一個基于OPNET網絡仿真軟件的網絡化多自主體系統的仿真平臺，用來模擬多個具有二階積分器動態(tài)的自主體在隨