开题报告-非线性多智能体一致性系统的研究.doc

上海电力学院本科毕业设计（论文）开题报告课题名称： 非线性多智能体一致性系统的研究 二级院部： 自动化工程学院 学生姓名： 学号： 20111557 专 业：自动化（电站自动化方向) 班级： 毕业设计地点： 上海市杨浦区平凉路2103号 毕业设计单位： 上海电力学院 校内指导教师： 校外指导教师： 20 15 年 1 月 21 日 一、 选题依据（选题的背景、意义、目的、国内外现状分析等，不少于1000字。）选题的背景和意义： 多智能体系统(Multi-agent Systems，MASs)是人工智能和复杂大系统领域中的一个较新的研究方向，在生物、工业、运输、股票、军事、电力等领域有着良好的应用前景。近年来，对多智能体系统的研究在学术界得到了广泛关注，逐渐成为复杂大系统领域的热点问题。 多智能体系统是由大量自治或半自治的智能体通过一定的网络拓扑构成的系 统，是一类建立在系统之上的系统，其表现效果在于能够产生明显的整体同步效应。此类系统中的每一个智能体都具有一定的自主性，但单个智能体仅能与周围局部环境进行信息交互，在无集中式控制的情况下，整个系统将表现出动态稳定的行为，如同步，环状漩涡等，这一现象称为涌现(Emergence)。 生物界中普遍存在涌现现象，例如:空中排成不同队形的大雁，在头雁的带领 下，排成“人”字形或“ 一”字形，不但可以高效地飞行，还可以防止成员掉队；海洋里的鱼群，不但速度出奇地一致，而且可以灵活地躲避攻击；蚁群在寻 找食物时分工明确，通过合作完成了个体难以完成的任务。在人类社会中，同样存在着涌现现象，如大会上，人们的掌声趋于一致，又如同一横梁上两个时钟钟摆，经过一定时间后，它们的运动频率也将趋于相同。这样的规模群体只是依靠个体与个体之间的信息传递，逐步的协调最终完成任务，即这些个体只具有局部感知能力，而无法掌握整个群体的全局信息，因此这个系统具有分散式，分布式的特点，而没有集中式的管理特点，近年来，如何通过局部信息传递产生全局的的系统行为已经成为研究的热点问题。 上面提到的分布式系统最先应用于计算机系统，是一种计算机硬件的配置方式和相应的功能配置方式。系统采用分布式计算结构，即把原来系统内中央处理器处理的任务分散给相应的处理器，实现不同功能的各个处理器相互协调，共享系统的外设与软件，这样就加快了系统的处理速度，简化了主机的逻辑结构。分布式控制方法应用于多智能体系统的最大的优点在于：由于系统的分布分散，使得鲁棒性提高，也就是说某一个智能体的瘫痪或无故脱离网络，都不会对整个网络和控制系统造成影响，并且相对造价较高的集中式控制系统，分布式控制系统的成本大大降低了，目前，多智能体系统普遍采用分布式协调的方法进行研究。 现代控制系统向复杂化、大型化以及非线性化方向发展,这对于复杂控制系统的研宄提出了新的挑战:突破任何一种原始的、单纯的范式,进而釆取多个分系统或者子系统有机综合而成的新型控制形式。多智能体系统技术的发展为复杂化、大型化以及非线性系统的智能控制提供了一条新的途径。采用多智能体系统的技术进行控制,可以按控制应用的要求,分解原来单一的,庞大的以及非线性的系统。利用多智能体系统的技术进行控制,也可以从功能上划分多个智能体,以期完成原来复杂系统的控制任务。多智能体控制系统不仅具备普通的分布式系统所具有的信息共享、易于扩展、可靠性高、灵活性好以及实时性强的特性,而且各个智能体之间能够通过相互通讯、相互协调以及相互融合在许多方面诸如机器人、计算机网络、制造业、电力系统、交通控制、社会学仿真、虚拟现实、计算机游戏、军事应用上解决复杂的控制问题。智能体本身的分布式协作能力是多智能体控制系统的基础,同时,也是整个多智能体系统智能性的体现以及发挥多智能体控制系统的优势的关键。 在多智能体系统的协调控制问题中,协作所需要的信息通过一系列的方式在系统个体之间共享。例如:相对位置传感器可以使智能体建立关于其它个体的状态信息,智能体之间的信息通过无线网络进行共享,这些信息包括相同的控制算法,共同的目的过程中,应具有仍然能够应付环境的改变或者突发状况的能力。而且,随着环境的变化,需要根据个体之问的局部信息设计出针对个体的协作策略,使得个体够在某些关键信息(关键量)上达到一致或共享。所谓一致性问题(consensus or agreement problem),就是多智能体系统中的个体按照某种控制规律,通过之间的相作用、相互影响,每个个体的状态达到一致或共享一致性问题作为智能体之间作协调的基础,在多智能体系统的研究中长期占有重要的地位,并且到目前为止已形成了比较系统的理论体系。 因此,对于多智能体系统的研究,尤其是多智能体系统的一致性研究,其冇着极其重要要的理论意义和实际价位。选题的目的: 研究多智能体系统的主要目的就是期望功能相对简单的个体之间进行协调合作,从而完成复杂任务。多智能体系统凭借其优越的特性,在机器人、电力系统、计算机网络、交通控制、社会仿真、军事等多方面有着非常广泛的应用。多智能体系统一致性和智能体的分布式协调合作能力是发挥多智能体系统优势的关键,也是整个系统智能性的体现具有重要的理论价值和现实意义。 多智能体的一致性和构形控制实现后主要有以下优势：(a)多智能体系统主要采用分布式协调的方法进行控制，相对集中式和分散式的控制方法，提高了系统的鲁棒性，克服了系统反应慢，调节时间长等缺点；(b)相对单独一个智能体的性能，相互协调的多个智能体的性能远远大于单个智能体，并且可以执行一个智能体无法完成的复杂任务，例如，面临一些人类无法到达的危险区域，需要执行特定行为时，往往用单个智能体是无法实现的，这时就需要对多智能体进行协调控制来完成任务；(c)多智能体的系统的平行性和冗余性可以提高系统的容错性和鲁棒性；(d)多智能体的研究便于利用代数图论和矩阵论的相关成果，易于理论分析。国内外现状： 最近，我国林鹏等利用线性矩阵不等式方法研究了二阶智能体网络的一致性问题，基于无 向拓扑的条件，分别得到定时滞和变时滞的上限。北京大学谢广明对一类动态多智能体系统展开研究，并取得了一定的成果。任伟等研究了在固定但不连通拓扑及参考状态时刻改变的情况下，系统达到一致所需的条件。虞文武研究了在有向拓扑的情况下，时滞二阶多智能系统达到一致状态的限制条件。最近，刘学良研究了多智能体系统在不统一时滞情况下达到一致的条件。 2005年,Mureau提出了一种多智能体系统的模型,每个智能体会根据邻域内邻居智能体的信息,更新当前的状态。作者给出了所有的智能体状态最终收敛为一个定常值的充分必要条件,并利用系统论和图论的方法,分析该多智能体系统一致性问题的收敛性,给出了在不对称的时滞情况下多智能体系统收敛的一致性协议。以上的系统分析表明,当多智能体系统是固定拓扑结构时,一旦系统始终保持连通,智能体的状态最后会趋于一致。当多智能体系统是切换拓扑结构时,只要在有限的时间内系统始终保持连通,每个智能体状态最后会趋于一致。此外,研究;还发现,更多的通信联系并不能造成多智能体状态的快速收敛,反而可能会加剧收敛性能的损失。 2007年,Tanner利用力学和势场函数方法,分析了具有固定拓扑和动态拓扑的无向网络多智能体群集运动,并利用控制论、代数图论和非光滑理论等方法针对多智能体控制系统进行了稳定性分析。二、 研究的主要内容和方法1.研究目标和研究内容本文的研究内容如下：（1） 首先阐述了多智能体一致性问题的研究背景,意义和目的。接下来概述了多智能体网络的一致性的主要研究成果,国内外的研究动向以及该研究领域的一些问题。最后给出了本文的研究内容和研究意义。（2） 介绍多智能体系统的一致性。包括矩阵论、图论基础和一致性问题的数学描述,并对一致性问题研究的理论重点热点和应用前景进行了综述。（3）了解连续时间的一致性协议。阐述了基于连续时间的一致性协议,并主要研究了改变系统拓扑结构情况下,多智能体的一致性实现情况，给出了相应的MATLAB源程序，simulink逻辑图。（4）研究了具有时变通信时延的多智能体系统的二阶一致问题。在已有的二阶一致算法基础上，加上了时延的因素。通过推导，得出了解决一致性问题的充分条件，并将此结论拓展到多维状态问题中。（5）了解了带时变时延的二阶一致性。包括介绍了二阶一致协议的收敛性分析,并利用基于多智能体网络来进行MATLAB数值仿真,得出仿真结果仿真图，来进行分析。（6）对全文的工作进行了简单的回顾，并对今后的研究重点进行了展望。本文的研究目标如下：（1）提出了有向通信拓扑下，智能体状态有约束的网络的非线性一致性协议。基于代数图论和Lyapunov稳定性理论，以线性矩阵不等式形式给出了保证网络中所有智能体状态达到平均一致的充分条件。（2）最后得到了以线性矩阵不等式形式给出的时延依赖的一致性充分条件，保证该多智能体系统在允许的通信时延上界内，达到全局二阶一致。分析所得到的结果并拓展到多维状态，证明了所得结论的有效性。2.拟采取的研究方法、技术路线和/或实验方案研究方法如下：（1）通过查阅许多文献，研究本课题的相关理论知识，确立研究内容与研究目的（2）利用MATLAB搭建simulink逻辑图，进行仿真运行。（3）通过对仿真结果的分析，是否和预想的结果一致。如果一致，那么可以进行总结，如果方案存在问题，则进行问题分析，作出调整,继续仿真。技术路线如下：非线性多智能体一致性研究多智能体的研究一致性问题研究问题探讨文献获取期刊论文请教专家和老师同学之间探讨利用matlab，搭建simulink仿真图，进行仿真分析。智能体二阶一致性协议的收敛性分析利用matlab，搭建simulink仿真图，进行仿真。整理资料，汇总资料非线性一致性的分析及时延问题撰写毕业论文进行最后答辩三、 中外文参考文献（不少于10篇，其中外文不少于1篇；且应与任务书的参考文件有所区别）【1】汤曼.基于社区分解研究多智能体系统的一致性收敛速度【D】上海：东华大学 2013: 1-68【2】谷明琴.混合阶多智能体系统的一致控制【D】河南:河南理工大学 2009:1-48【3】金山等.基于局部控制器的非线性多智能体一致性分析【J】中南大学信息科学与工程学院 2011（12）：175-179【4】任雨.具有可变参数量化器的一阶多智能体系统研究【D】哈尔滨：哈尔滨工业大学 2013：1-45【5】杨飞飞.二阶多智能系统分布式一致和构形控制研究【D】河南：河南理工大学 2011:1-42【6】朱文宇.多智能小车网络一致性分析及其通信网络的设计与实现【D】西安：西安电子科技大学 2011：1-57【7】黄维.分布式多智能体系统一致性问题研究【D】上海：上海交通大学2010:1-48【8】沈彦超.多智能体系统的输出调节与一致性研究【D】上海：华东理工大学 2013:1-49【9】高海祥.基于网络的多智能体系统一致性问题研究【D】南京：南京理工大学 2013:1-44【10】Hoong Chuin Lau, Lucas Agussurja, Ramesh Thangarajoo.Real-time supply chain control via multi-agent adjustable autonomy【J】Computers & Operations Research,2008,(35):3452-3464【11】潘欢等.高阶时滞多智能体系统一致性控制【J】控制理论与运用2013（7）:909-915【12】杨洪勇等.具有单向时延的多智能体系统的一致性分析【J】复杂系统与复杂性科学2008（3）：62-67【13】郗俊杰.多智能双足机器人的动作控制及协作研究【D】西安：西安电子科技大学 2012：1-65【14】伍巧凤.多智能体一致性迭代学习控制研究【D】浙江：浙江大学2014：1-65【15】孟诚.二阶多智能体系统的一致性研究【D】武汉：华中科技大学2012：1-41四